機械振動對棄置井水泥塞性能影響的試驗研究*

馬西旗 王 超 徐鴻飛 高明星 劉占鏖 易先中 劉航銘

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 2.長江大學機械工程學院)

0 引 言

棄井是一口井生命周期中不可避免的階段。大量生產(chǎn)井經(jīng)過若干年的油、氣開采后，達到生產(chǎn)年限末期，急需棄置作業(yè)處理[1-2]。目前，對棄置井的處理大多使用封固材料進行永久封堵，以實現(xiàn)油氣的封隔。常用的封固材料有油井水泥、鉆井液、膨潤土以及其他新型材料等[3]。由于水泥封堵的效果良好，相比其他材料成本低，在實際作業(yè)中廣泛使用[4-6]。

水泥塞封堵棄置井筒往往面臨著復雜的地層環(huán)境，許多地區(qū)井底溫度高、壓力高，在高溫高壓條件下，水泥石會加速老化，強度容易衰退。針對各類惡劣環(huán)境，國內(nèi)外工程師研制出了相應(yīng)的特種水泥漿。D.G.CARDNO等[7]通過在水泥漿中添加硅酸鹽，證明添加適當硅酸鹽可以在一定程度上改善水泥與套管的膠結(jié)界面。趙軍等[8]研發(fā)出一種抗高溫且防CO2及H2S腐蝕的水泥漿體系，并在油田現(xiàn)場成功應(yīng)用。張興國等[9]研制了一種溫敏性膨脹微膠囊防氣竄劑，添加量不小于2%時能彌補水泥水化過程中的體積收縮，并且水泥具有良好的防氣竄性能。

為了確保水泥塞密封的完整性，科研人員對注水泥過程進行了試驗研究。K.HARESTAD等[10]研發(fā)了注水泥塞工具，該工具能有效防止水泥漿流向工具下部井筒，從而提高水泥塞封固質(zhì)量。D.DENNEY[11]發(fā)明了一種注水泥塞封堵棄置井的有效方法，通過在未固井套管處射孔，沖洗套管外環(huán)空，實現(xiàn)高效率的注水泥塞封堵。Z.S.ARACKAKUDIYIL等[12]研發(fā)了一種智能橋塞技術(shù)，可遠程控制傳達指令，通過控制壓力實現(xiàn)智能橋塞的開啟或關(guān)閉，有效控制井筒內(nèi)部壓力。

筆者創(chuàng)新性地提出將機械振動技術(shù)應(yīng)用到棄置井封堵作業(yè)中，以此來改善封堵水泥塞的力學性能。在棄置井目標封堵井段下入水泥橋塞，注水泥的同時使用振動器直接振動水泥漿，通過振動作用，排出水泥漿中攜帶的空氣，防止水泥漿出現(xiàn)沉積現(xiàn)象。同時設(shè)計了室內(nèi)模擬試驗，對比分析不同振動頻率、振動時間及振動幅度等參數(shù)組合下，水泥石力學性能的變化規(guī)律，利用電鏡掃描觀察水泥試樣斷面微觀結(jié)構(gòu)在振動后的變化。所得結(jié)論可為水泥塞封堵作業(yè)模擬試驗提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有工程指導意義。

1 機械振動對封堵水泥石性能影響機理

在試驗之前，首先分析機械振動影響水泥石性能的機理，確保試驗是有意義的。從宏觀角度分析，機械振動產(chǎn)生的振動波將能量傳遞到水泥漿顆粒間，改變其相互作用關(guān)系，進而影響凝固后水泥的性能。在水泥漿攪拌、灌漿完成后，內(nèi)部存在空隙和氣泡，在激振力作用下，水泥漿內(nèi)部的空氣逐漸上升排出，內(nèi)部的有害孔減少；激振力能有效抑制水泥團聚現(xiàn)象，使水泥漿在整個體系中均勻分布，繼而保證水泥漿凝固后在空間上強度分布均勻[13-16]。

從微觀角度分析，機械振動能夠促進水泥的水化反應(yīng)，使生成的水化產(chǎn)物有效填充水泥內(nèi)部的微小孔隙，提高水泥的密實度。水泥與水混合后其中的熟料礦物會與水發(fā)生化學反應(yīng)，形成水化物，產(chǎn)生大量的C-S-H凝膠分布在水泥礦物顆粒之間。同時，水化反應(yīng)生成的產(chǎn)物還有Ca(OH)2晶體，這些水化產(chǎn)物會將水泥礦物顆粒覆蓋，阻礙水化反應(yīng)進一步發(fā)生。此時施加適當激振力，剝離吸附在未水化的水泥顆粒表面的水化產(chǎn)物，促進水泥充分水化。振動后，C-S-H凝膠充填在水泥礦物顆粒間的孔隙中，使水泥更加密實，以提高水泥強度。

2 試驗方案

2.1 試驗設(shè)備

為了模擬棄置井封堵水泥漿在初凝前機械振動對其性能的影響，搭建了機械振動試驗平臺，如圖1所示。

1—振動臺；2—磁力配重塊；3—振動傳感器；4—ABB變頻器；5—信號采集器；6—計算機。圖1 變頻振動試驗裝置Fig.1 Variable frequency vibrator

本次試驗的變頻振動裝置主要由振動臺、磁力配重塊、振動傳感器、信號采集器、ABB變頻器和計算機組成。振動臺通過ABB變頻器實現(xiàn)振動頻率的調(diào)節(jié)，配合磁力配重塊可調(diào)節(jié)振動幅度，并且能夠?qū)φ駝有盘枌崟r采集、存儲與分析。

2.2 試樣制備

本次試驗材料選用四川嘉華G級油氣井專用水泥作為原材料制作試驗試樣。按照GB/T 19139—2012 《油井水泥試驗方法》進行試件制備。水灰比0.44混漿，攪拌均勻，得到密度為1.9 g/cm3的水泥漿。

將水泥漿均勻倒入內(nèi)徑50 mm、高120 mm的圓柱模具內(nèi)，在模具頂部留20 mm余量，用于制備膠結(jié)強度測試的水泥試樣。將水泥漿均勻倒入150 mm×150 mm×150 mm的正方體模具，用于制備抗壓、抗拉及滲透率測試的水泥試樣。在水泥漿裝入模具后，將模具放在預先設(shè)置好振動參數(shù)的振動臺上。由于振動在水泥漿剛澆筑不久后進行，水泥漿處于流動狀態(tài)，所以采用帶模振動方法，連同模具一起固定在振動臺上。每一組振動參數(shù)下經(jīng)過振動處理的試樣，在24 h后進行脫模。將脫模后的試樣置于常溫常壓下養(yǎng)護7 d。另外，需制作一組未振動試樣用于對比分析。每組均有3個試樣，每一組數(shù)據(jù)均為3次試驗結(jié)果的平均值。

通過振動前、后對比，可以直觀地看到，振動后的水泥漿試樣上層浮有白色氣泡。這是因為在振動作用下，水泥漿中的氣泡被振破或者排出，使得振動后的水泥漿顆粒間隔更小，水泥漿更加密實。

水泥試樣養(yǎng)護完成后，通過巖石水鉆機對150 mm×150 mm×120 mm的正方體試樣取心，得到4塊外徑為50 mm的圓柱試樣。使用巖石切割機將鉆取出的試樣進行切割，得到3塊長100 mm的圓柱試樣，用于抗壓強度測試；得到3塊長25 mm的圓柱試樣，用于抗拉強度測試。

2.3 膠結(jié)強度測試

套管與水泥石之間是通過接觸界面間的膠結(jié)力來實現(xiàn)兩者間力的傳遞和變形協(xié)調(diào)的，所以套管-水泥石的工作性能取決于套管與水泥石之間的膠結(jié)作用。一般情況下，膠結(jié)力是一種組合力，主要由化學膠結(jié)力、摩擦力和機械咬合力組成[17]。①化學膠結(jié)力：在澆注后，由于水泥漿體對鋼管表面氧化層的滲透以及隨著水化反應(yīng)的進行，水泥晶體生長和硬化，進而會形成化學膠結(jié)力；②摩擦力：水泥漿凝固后會對套管產(chǎn)生擠壓作用，從而在套管與水泥石間產(chǎn)生摩擦力；③機械咬合力：水泥與套管接觸時表面會發(fā)生物理咬合，出現(xiàn)機械咬合力。在膠結(jié)面破壞過程中，化學膠結(jié)力會在界面間產(chǎn)生滑移時立即消失，機械咬合力承擔大部分膠結(jié)力。

試樣經(jīng)過7 d養(yǎng)護后開始進行水泥石性能測試。用于膠結(jié)強度測試的試樣使用定制固定工具，將試樣固定在電液伺服萬能試驗機上，試驗過程中采用位移加載，在1.2 mm/min壓縮速度下將內(nèi)部水泥石從鋼管中擠出，進行膠結(jié)強度測定。

水泥石膠結(jié)強度測試試驗力-位移曲線如圖2所示。OA段隨著位移載荷逐漸變大，試驗力近似線性增大，到A點時到達最大值。隨后載荷曲線下降，膠結(jié)開始逐漸破壞，到B點時完全破壞，界面間只有摩擦力作用。B點后水泥石進一步被擠出，摩擦力逐漸減小。

圖2 膠結(jié)強度測試試驗力-位移曲線Fig.2 Force-displacement curve of cementing strength test

膠結(jié)力的大小和水泥石與套管的接觸面積成正比，因此膠結(jié)強度更能反映水泥石與套管的膠結(jié)狀況。水泥石膠結(jié)強度計算式為[18]：

(1)

式中：p1為水泥石膠結(jié)強度，MPa；F1為液壓機最大試驗力，即膠結(jié)力，N；S1為水泥石與套管的接觸面積，mm2。

2.4 抗壓強度測試

在棄置井封堵工程中，油氣井水泥石抗壓強度是評價封堵質(zhì)量重要的指標之一，科研工作者一直致力于如何提高水泥石的抗壓強度。本文研究振動條件下抗壓強度變化，進行單軸抗壓試驗?？箟簭姸葴y試參照ASTM C39—1996標準[19]，加載速度為0.6 mm/min，直至試驗力下降超過峰值的60%停止試驗。

水泥石抗壓強度測試試驗力-位移曲線如圖3所示。

圖3 抗壓強度測試試驗力-位移曲線Fig.3 Force-displacement curve of compressive strength test

在載荷作用下水泥逐漸被壓縮變形，在A點水泥石到達抗壓極限。AB段試樣進入破壞階段，曲線急劇下降。水泥石沿著力加載方向出現(xiàn)裂紋，隨后破碎?？箟簭姸扔嬎闶綖椋?/p>

(2)

式中：p2為水泥石抗壓強度，MPa；F2為試件破壞載荷，N；S2為水泥石受壓面面積，mm2。

2.5 抗拉強度測試

水泥石抵抗拉應(yīng)力破壞的能力表現(xiàn)為抗拉強度。由于水泥石本身固有的材料屬性，水泥石的抗拉強度要遠小于抗壓強度。通常進行水泥石巴西劈裂試驗，用劈裂抗拉強度來表示水泥石的抗拉強度。試驗方法參照 ASTM C496—1996標準[20]，加載速度為0.6 mm/min，直至試樣破壞停止試驗。

圖4是抗拉強度測試試驗力-位移曲線。OA段試樣開始彈性變形，在A點達到載荷峰值，之后進入失穩(wěn)破壞階段。微小裂縫首先從試樣內(nèi)部產(chǎn)生，隨后向兩端迅速延伸?？估瓘姸扔嬎闶綖閇21]：

圖4 抗拉強度測試試驗力-位移曲線Fig.4 Force-displacement curve of tensile strength test

(3)

式中：p3為水泥石抗拉強度，MPa；F3為試件破壞載荷，N；D為試件直徑，mm；h為試件厚度，mm。

2.6 滲透率測試

水泥石試樣滲透率使用氣體滲透率儀進行測試。將試樣放入巖心夾持器的膠套內(nèi)，試驗裝置連接完整保持密封，并測量室溫。給試樣施加環(huán)壓，保證環(huán)壓始終大于氣體驅(qū)替壓力1～2 MPa。打開氣源瓶，讀取3個壓力點出口端氣體流量值，分別計算出滲透率，取平均值。氣體滲透率計算式為：

(4)

式中：Kg為氣體滲透率，mD；μ為氣體黏度，mPa·s；l為巖心長度，cm；A為巖心截面積，cm2；Qg為氣體測定流量，cm3/min；p0為大氣壓，MPa；pg為氣體驅(qū)替壓力，MPa。

2.7 SEM微觀結(jié)構(gòu)

水泥石試樣使用JSM-IT300A掃描電鏡進行微觀結(jié)構(gòu)分析，要將水泥石試樣制備成直徑小于3 cm、厚度小于1 cm較為規(guī)則的碎塊，并對碎塊表面進行噴金處理。在高真空條件下對樣品斷面分別進行放大掃描成像。

3 結(jié)果與分析

3.1 各因素對水泥石力學性能影響的正交試驗

棄置井下入水泥塞封堵后，水泥塞與套管界面的膠結(jié)強度、水泥塞抗壓強度及抗拉強度都是影響封堵質(zhì)量，保證井筒密封完整性的關(guān)鍵參數(shù)。為分析振動頻率、振動時間和振動幅度對封堵水泥塞性能的影響，首先開展正交試驗，分析機械振動各參數(shù)影響水泥石性能的一般規(guī)律，得到機械振動的最佳參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過單一變量控制試驗方法，分別分析振動三因素的影響規(guī)律。

本試驗考察3個因素對水泥塞力學性能的影響效果，每種因素考慮5種水平的影響，為3因素5水平的正交試驗，選取L25(56)正交表，共設(shè)計26組試驗，試驗方案及結(jié)果如表1所示。表1中，0號試驗為未振動的對比試驗。試驗設(shè)計時振動頻率取5、10、15、20及25 Hz，振動時間取2、4、6、8及10 min，振動幅度取值1、3、5、2及4 mm。

表1 正交試驗方案及結(jié)果Table 1 Orthogonal test scheme and results

不同振動參數(shù)對試樣膠結(jié)強度、抗壓強度及抗拉強度增幅效果的影響如圖5所示。

圖5 水泥石力學性能對比曲線Fig.5 Mechanical property comparison curve of hardened cement

由圖5可以看出，經(jīng)機械振動后各組水泥石的強度相較于未振動均有明顯提高，其中振動頻率15 Hz、振動時間6 min、振動幅度3 mm時(試驗組13)增強效果最為明顯，膠結(jié)強度提高了51%，抗壓強度提高了38%，抗拉強度提高了20%。通過正交試驗的極差分析，各因素對水泥石強度的影響為：振動頻率>振動幅度>振動時間。

為進一步研究單一振動因素對水泥石力學性能的影響，在振動頻率15 Hz、振動時間6 min及振動幅度3 mm試驗組條件下，分別研究振動頻率、振動時間及振動幅度在一定范圍內(nèi)變化時水泥石的力學性能。試驗方案如表2所示。

表2 對比試驗方案Table 2 Comparative test scheme

3.2 振動頻率對水泥石力學性能的影響

水泥石強度增幅隨振動頻率的變化如圖6所示。由圖6可知，在振動頻率較低時，隨著振動頻率加快，水泥石強度逐漸增加，在10 Hz時，抗壓強度小幅度降低。在15 Hz振動頻率下，水泥石強度增幅最大。在振動頻率達到15 Hz以后，繼續(xù)增大振動頻率反而會有不利影響，所以振動頻率在15 Hz最為合適。

圖6 振動頻率與水泥石力學性能變化曲線Fig.6 Variation of mechanical property of hardened cement with vibration frequency

3.3 振動時間對水泥石力學性能的影響

通過振動時間對水泥石力學性能影響試驗，繪制不同時間下水泥石力學性能變化曲線，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，經(jīng)過機械振動后，水泥石的強度相比未振動處理試樣有了大幅度提升。在2～4 min時間內(nèi)，水泥石強度隨著時間變化迅速提升，在到達6 min時趨于穩(wěn)定。6 min之后繼續(xù)振動對水泥石性能影響不大，所以振動時間達到6 min即可。

圖7 振動時間與水泥石力學性能變化曲線Fig.7 Variation of mechanical property of hardened cement with vibration time

3.4 振動幅度對水泥石力學性能的影響

水泥石強度增幅隨振動幅度的變化如圖8所示。由圖8可以看出：在振動幅度增大時，水泥石強度迅速提升，振動幅度3 mm時曲線達到峰值；繼續(xù)加大振動幅度，水泥石強度增幅將大幅度下降，其中膠結(jié)強度增幅下降達到17%。這是因為過大的振動幅度會導致水泥出現(xiàn)離析、泌水，從而導致強度下降。

圖8 振動幅度與水泥石力學性能變化曲線Fig.8 Variation of mechanical property of hardened cement with vibration amplitude

3.5 機械振動對水泥石滲透率的影響

由正交試驗結(jié)果可知：在振動頻率15 Hz、振動時間6 min及振動幅度3 mm與振動頻率25 Hz、振動時間8 min、振動幅度3 mm的振動參數(shù)下，水泥石性能最優(yōu)；在振動頻率5 Hz、振動時間10 min、振動幅度4 mm與振動頻率25 Hz、振動時間10 min及振動幅度5 mm的振動參數(shù)下性能較差。因此，選取以下5組試樣進行水泥石滲透率測試，結(jié)果如表3所示。

表3 滲透率測試結(jié)果Table 3 Permeability test results

表3中試驗組1、2、3及4的振動參數(shù)如下：試驗組1振動頻率5 Hz、振動時間10 min、振動幅度4 mm；試驗組2振動頻率15 Hz、振動時間6 min、振動幅度3 mm；試驗組3振動頻率25 Hz、振動時間8 min、振動幅度3 mm；試驗組4振動頻率25 Hz、振動時間10 min、振動幅度5 mm。

測試結(jié)果表明：未振動時滲透率為2.67×10-3mD，試驗組2滲透率最小，相比于未振動的水泥試樣，振動后各組試樣滲透率均明顯減小。水泥石的滲透率大小與孔隙半徑有關(guān)，滲透率越小，孔隙就越小，水泥的密封性能就越好。

3.6 機械振動對水泥石斷面微觀結(jié)構(gòu)的影響

采用掃描電鏡測試的方法分析水泥石振動前、后的微觀結(jié)構(gòu)，其斷面放大200倍微觀結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 水泥石樣品微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Microstructure of hardened cement sample

由圖9可知，未振動水泥石斷面結(jié)構(gòu)松散，存在明顯的裂紋，甚至存在較大的氣孔。振動后的水泥石基本沒有裂縫和氣孔，在空間上均勻分散，更加密實。因此振動后水泥石力學強度更高。

4 結(jié) 論

(1)試驗結(jié)果表明，機械振動對水泥石膠結(jié)強度、抗壓強度及抗拉強度提升效果非常明顯。振動頻率15 Hz、振動時間6 min、振動幅度3 mm時為最佳激振組合。各因素對水泥石強度影響為：振動頻率>振動幅度>振動時間。

(2)通過各因素單獨影響分析試驗，對于常規(guī)密度水泥漿，水泥石膠結(jié)強度隨參數(shù)變化影響最大。在振動頻率達到15 Hz、振動時間6 min、振動幅度3 mm前，水泥石強度都是提高的；繼續(xù)增大參數(shù)反而會有不利影響。

(3)水泥的密封性能與滲透率有關(guān)，機械振動能夠減小水泥石的滲透率；掃描電鏡結(jié)果表明，經(jīng)過機械振動處理能夠有效消除水泥石內(nèi)氣孔，減少裂紋，使水泥石更加均勻致密。