CN106706754A - 机械式振动水泥浆的实验系统及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种机械式振动水泥浆的实验系统及实验方法，实验系统包括振动实验装置、模具及振动测量仪。振动实验装置包括控制箱和电磁振动台，控制箱连接电磁振动台并调节振动参数，电磁振动台水平放置。模具通过固定装置固定在电磁振动台上，模具内用于装入水泥浆。振动测量仪用于监测电磁振动台的振幅。真实地反映出机械式振动在水泥浆候凝过程中的作用效果，研究机械式振动对于水泥浆性能的影响。实验方法通过正交实验方法设置9组不同的参数组合，对测试结果进行方差分析和极差分析，发现机械式振动对水泥浆性能的作用规律，确定出振动频率、振幅及振动时间的最优组合值，从而为机械式振动对固井质量的影响效果提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及油气井工程的实验研究领域，尤其涉及一种机械式振动水泥浆的实验系统及实验方法。
背景技术
近年来，随着复杂地层和复杂结构井数量的逐年增加，各种固井施工技术难题和质量问题越来越复杂。为了提高固井质量，防止固井后油气水窜，国内外研究机构借鉴建筑行业振动混凝土的方法，相继进行了振动固井技术与理论方法的研究，现今正逐渐成为提高固井质量的有效技术手段之一。振动固井技术按作用原理可分为机械式、水力脉冲式、磁致伸缩式、压电陶瓷式、声频式、地面环空水力或空气脉冲式。其中，机械式振动固井技术操作简单，工具设备可重复利用，成本低廉。目前，国内外主要研制开发了用于现场实施机械式振动固井的装置和工艺，并申请了许多专利，但由于没有开发出有效的机械式振动固井实验评价方法，在机械式振动对水泥浆性能影响规律的实验研究方面尚属空白。机械式振动固井技术不仅能在注水泥、顶替水泥浆过程中产生振动，在候凝过程中也同样可以发挥作用，对于全部固井环节都有益处。因此，需要一套实验系统及相应的实验方法来研究振动对水泥浆性能的影响规律。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种机械式振动水泥浆的实验系统及实验方法，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机械式振动水泥浆的实验系统及实验方法，可以真实地反映出机械式振动在水泥浆候凝过程中的作用效果，研究机械式振动对于水泥浆性能的影响。
本发明的另一目的在于提供一种机械式振动水泥浆的实验系统及实验方法，通过室内实验研究振动频率、振幅及振动时间在井下作业环境中的最优组合。
本发明的目的是这样实现的，一种机械式振动水泥浆的实验系统，所述机械式振动水泥浆的实验系统包括：
振动实验装置，其包括控制箱和电磁振动台，所述控制箱连接所述电磁振动台并调节振动参数，所述电磁振动台水平放置；
模具，其通过固定装置固定在所述电磁振动台上，所述模具内用于装入水泥浆；以及
振动测量仪，其用于监测所述电磁振动台的振幅。
在本发明的一较佳实施方式中，所述固定装置包括压板及至少两根竖直设置的立柱，所述立柱的底部固定在所述电磁振动台上，所述模具放置在所述立柱之间的所述电磁振动台上；所述压板上设有与所述立柱对应的通孔并通过所述通孔滑动套设在所述立柱上；所述立柱上设有螺纹并旋接有压紧螺母，所述压紧螺母将所述压板压紧在所述模具的顶部。
在本发明的一较佳实施方式中，所述模具包括底板、至少两个模具体以及顶板；所述模具体内设有用于容纳水泥浆的腔体，所述模具体沿竖直方向堆叠放置在所述底板上，相邻两个所述模具体之间夹设有所述顶板。
在本发明的一较佳实施方式中，所述模具体具有侧壁和隔板，所述侧壁围成一封闭的空腔，所述空腔的上下两端敞开，所述隔板竖直设置并将所述空腔分隔成相互隔离的所述腔体。
在本发明的一较佳实施方式中，所述模具的中心竖直穿设有一提杆，所述提杆的底部与所述底板固定在一起，所述顶板及所述隔板上均设有供所述提杆穿过的穿孔；所述提杆的上端螺纹连接提手。
在本发明的一较佳实施方式中，所述顶板与其下方的所述模具体相对的一面上设有将所述腔体与外部连通的导通槽。
在本发明的一较佳实施方式中，所述振动测量仪包括磁吸式探头，所述磁吸式探头内设有压电式加速度传感器；所述磁吸式探头吸附在所述电磁振动台上。
本发明的目的还可以这样实现，一种机械式振动水泥浆的实验方法，采用前述任一项所述的机械式振动水泥浆的实验系统，所述机械式振动水泥浆的实验方法包括如下步骤：
S1、将所述模具中装入水泥浆，并将所述模具固定在所述电磁振动台上；
S2、通过所述控制箱设置第一组振动参数，启动所述电磁振动台和所述振动测量仪；通过所述振动测量仪监测所述电磁振动台的振幅；
S3、所述电磁振动台的振动结束后，将所述模具拆下，对水泥浆进行性能测试，得到第一组测试数据；
S4、重复步骤S1至步骤S3，在步骤S2中设置另一组振动参数，在步骤S3中得到另一组测试数据；直到完成需要测试的全部组数的实验。
在本发明的一较佳实施方式中，步骤S2中设置的所述振动参数包括振动频率、振幅及振动时间；步骤S3中对水泥浆进行的性能测试是抗压强度测试。
在本发明的一较佳实施方式中，采用正交实验方法，将振动频率、振幅及振动时间分别取不同的值进行组合，共设置9组实验，得到9组测试数据；然后对得到的9组测试数据进行方差分析和极差分析，确定振动频率、振幅及振动时间的最优组合值。
由上所述，本发明的实验系统及实验方法可以真实地反映出机械式振动在水泥浆候凝过程中的作用效果，研究机械式振动对于水泥浆性能的影响。经过对实验结果数据的统计分析，即方差分析和极差分析，发现机械式振动对水泥浆性能的作用规律，确定出振动频率、振幅及振动时间的最优组合值，从而为机械式振动对固井质量的影响效果提供依据。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1：为本发明实验系统的连接结构示意图。
图2：为本发明实验系统中模具的结构示意图。
图3：为本发明实验方法得到的测试结果中水泥石强度随振动频率的变化趋势图。
图4：为本发明实验方法得到的测试结果中水泥石强度随振幅的变化趋势图。
图5：为本发明实验方法得到的测试结果中水泥石强度随振动时间的变化趋势图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一套机械式振动水泥浆的实验系统100，该机械式振动水泥浆的实验系统100包括振动实验装置、模具2以及振动测量仪3。振动实验装置采用的是可调频式，其包括控制箱11和电磁振动台12，所述控制箱11连接所述电磁振动台12并调节振动参数，所述电磁振动台12水平放置。电磁振动台12为吸合式，可以在电磁力驱动下产生竖直或水平方向的振动。模具2通过固定装置固定在所述电磁振动台12上，所述模具2内用于装入水泥浆；与电磁振动台12同步振动。振动测量仪3用于监测所述电磁振动台12的振幅，通过比较监测到的振幅与设定的振幅之间的差异，来判断该实验装置是否工作正常，可以通过控制箱11对振幅进行微调。振动测量仪3由仪器主机和磁吸式探头31(即磁吸座探头)组成。磁吸式探头31内设有压电式加速度传感器；优选的，所述电磁振动台12采用能被磁铁吸附的金属材料制成，所述磁吸式探头31直接吸附在所述电磁振动台12上进行测量，测量稳定，数据更准确。如果电磁振动台12为不能被磁铁吸附的材料制成，振动测量仪3配备有探杆，探杆的头部设置压电式加速度传感器，测量时用手拿着探杆紧贴在电磁振动台12上进行测量。振动测量仪3可以测量出机械振动的加速度值(0-199.9m/s2有效值)、速度值(0-199.9mm/s有效值)和位移值(0-1999μm峰峰值)，在监测振动过程中，高频段选用加速度测量，中频段选用速度测量，低频段选用位移测量，通过振动测量仪3显示的读数代入振动方程即可计算出当前工况下振幅的数值，用以判断实验是否正常进行，在此不再赘述。
振动实验装置的控制箱11上通过操作面板输入相应符号代码选择输出的用于驱动电磁振动台12振动的正弦波波型，能选择的振动类型包括：①(垂直+水平)半波；②水平(左右/前后)半波；③垂直(上下)半波；④全波。振动方向可设定为：①(垂直+水平)振动；②水平(左右/前后)振动；③垂直(上下)振动。调频范围为1～600Hz，调幅范围为0～5.2mm，垂直和水平方向振幅均有微调旋钮，能满足实际振动条件的模拟需求。
其中模具2采用支架式压紧固定的方式与电磁振动台12固定在一起。固定装置包括压板41及至少两根立柱42，立柱42竖直设置在电磁振动台12上，所述立柱42的底部通过螺母固定在所述电磁振动台12上的螺纹孔内，所述模具2放置在几根立柱42之间的电磁振动台12面上。所述压板41上设有与所述立柱42对应的通孔并通过所述通孔滑动套设在所述立柱42上。所述立柱42的外部设有螺纹，在压板41的通孔上方的立柱42上旋接有压紧螺母43。根据模具2的高度上下调整好压紧螺母43和压板41的位置，压紧螺母43旋紧在压板41的通孔处，将所述压板41压紧在所述模具2的顶部，使模具2被压紧在电磁振动台12上。
如图2所示，所述模具2包括底板21、模具体22以及顶板23。底板21、模具体22以及顶板23均为矩形。所述模具体22内设有两个对称的方形腔体221，腔体221的上下都是敞开的，腔体221的尺寸符合相关的实验标准。模具体22设有至少两个，根据需要，模具体22可以沿着竖直方向堆叠在一起，上下两个模具体22之间设有顶板23将两者的腔体221隔离开；即最下面的模具体22放置在底板21上，在该模具体22顶部盖设顶板23，上面的模具体22放置在顶板23上，依次向上堆放。模具体22与底板21和顶板23之间均是密封的，在模具体22内形成密封的腔体221。具体的，模具体22具有侧壁222和隔板223，侧壁222分为三部分组成。俯视看，其中一块侧壁222与隔板223一体形成为T形，另外两块侧壁222为L形。三块侧壁222之间在接口处通过连接螺栓224连接在一起。所述侧壁222围成一封闭的矩形空腔，所述空腔的上下两端敞开，所述隔板223位于矩形空腔的中间位置，将所述空腔分隔成对称的两个方形腔体221。如图2中采用上下两层模具体22，可以同时制作出四块立方体水泥块。为方便脱模，在腔体221的内壁涂有脱模剂。底板21的中央设有一根竖直向上伸出的提杆24，提杆24的下端通过螺母与底板21固定连接，隔板223的中央和顶板23上都设有穿孔，提杆24从穿孔中穿过隔板223和顶板23，在提杆24的上端螺纹连接有提手25。所述顶板23与其下方的所述模具体22相对的一面上设有将所述腔体221与外部连通的导通槽231，用于传导环境压力和温度，多余的水泥浆也会从此处溢出。
以上是本发明的一个优选实施例，在其它实施例中，模具2可以采用其它不同的结构，模具2中只要具有能装入水泥浆的封闭腔体221即可，例如，在一个模具2内设置多个腔体221，多个腔体221在水平面内排列，或多个腔体221在竖直方向排列。模具2固定在电磁振动台12上的方式也不限于上述实施例中的方式，例如，可以直接将模具2通过螺栓固定在电磁振动台12上，或通过在电磁振动台12上设置夹具的方式将模具2夹紧在夹具中进行固定。
该机械式振动水泥浆的实验系统100可以真实地反映出机械式振动在水泥浆候凝过程中的作用效果，研究机械式振动对于水泥浆性能的影响。
实施例二
本发明还提供了一种机械式振动水泥浆的实验方法，该实验方法采用实施例一中描述的机械式振动水泥浆的实验系统100，具体包括以下操作流程：
(1)将电磁振动台12的四个脚底座固定在水平操作面上水平放置好，将电磁振动台12的输入线接到控制箱11的输出孔中，控制箱11电源为220v/50Hz，将振动测量仪3的磁吸式探头31吸附连接到电磁振动台12上。
(2)按照选定的配方称量水泥、添加剂及拌合水用量，经搅拌器混合均匀后配成水泥浆，倒入模具2的腔体221内至一半深度处，用捣棒捣拌约30次，再将所有水泥浆倒入，再用捣棒捣拌30次，将顶板23盖在模具体22顶部，用直尺刮掉多余的水泥浆。
(3)将模具2放置到电磁振动台12上，通过调节压紧螺母43与压板41的相对位置进行定位，然后旋紧压紧螺母43对模具2进行固定。
(4)启动控制箱11电源开关，选定输出波形及振动方向，按照预设的实验方案进行振动参数(振动频率、振幅、振动时间)的设置。
(5)振动测量仪3根据实验采用的频率频段选择相应的监测方式，即测量加速度值、速度值或是位移值；启动电磁振动台12和振动测量仪3开始实验。
(6)实验过程中，时刻观察振动测量仪3液晶显示屏读数，对照振动方程换算成振幅数值，用以监测电磁振动台12的振幅相对于控制箱11中设置振幅的偏离程度。若偏离预设值较大，则应调节控制箱11上微调旋钮，若偏离过大则应中止实验，检查故障。
(7)振动实验结束后，关闭电源，拆卸装置，进行水泥浆性能的相关测试。水泥浆性能的相关测试包括水泥浆静胶凝强度分析、水泥石抗压强度测试等。本实施例进行的是水泥石抗压强度测试；记录得到的测试数据。
其中，根据正交实验法，将振动频率、振幅、振动时间三个因素分别取不同的值进行组合，共设置9组实验，按照上面的流程重复进行9组实验，得到9组测试数据；然后对得到的9组测试数据进行方差分析和极差分析，发现机械式振动对水泥浆性能的作用规律，确定出振动频率、振幅及振动时间的最优组合值，从而为机械式振动对固井质量的影响效果提供依据。
以下通过具体实验数据的分析过程来说明本实验方法在具体实验中的应用。假定振动频率、振幅及振动时间分别为因素A、因素B及因素C，A、B、C三个因素的取值分别如下，振动频率(A)：2Hz(A1)、5Hz(A2)、15Hz(A3)；振幅(B)：1mm(B1)、3mm(B2)、5mm(B3)；振动时间(C)：5min(C1)、15min(C2)、30min(C3)。按照原始正交表的形式形成如表1所示的参数数据组合。
表1正交实验表
表中的第0组数据代表没有振动时的水泥石强度。根据正交实验表1，对振动后水泥浆的各项性能指标进行测试，通过匀加荷压力试验机测试养护而成的水泥石抗压强度。获得的实验数据通过方差分析法和极差分析法来进行解释。方差分析可以判断实验条件对观测结果是否有显著性影响，通过数值计算判定获得的数据是否具有统计学意义，在判定数据有效的基础上，进行极差分析，即计算平均效果中最大值和最小值的差值，直观地判断出影响实验指标的主要因素，分析各因素的主次和各自的影响趋势，从而确定最优组合条件。由此，即可获得实验所需的振动参数的最优组合，并能清楚的掌握各振动因素对水泥浆性能影响的作用规律。
1、方差分析：
方差分析为公知方法，在此不再赘述，根据方差分析的计算公式，将上述实验结果带入计算得出方差分析的计算结果，如表2所示。
表2方差分析计算结果
从表2中的p值看出在不同工况下，振动与否对水泥石抗压强度有非常显著的影响，该实验所获数据具有统计学意义。
2、极差分析：
极差分析也为公知的方法，包括计算振动频率因素平均值，计算振动频率极差；计算振幅因素平均值，计算振幅极差；计算振动时间因素平均值，计算振动时间极差。由计算得到的各个极差可知，各因素对实验结果的影响程度由大到小的顺序为：振动频率、振动时间和振幅。
单因素作用规律分析，参见图3，水泥石强度随频率的增加而呈现单调递增的趋势，当频率超过9.85Hz以后，振动对水泥石强度起到显著提升的作用。参见图4，水泥石强度随振幅呈现二次曲线关系(a<0)，存在最优振动幅值。参见图5，水泥石强度随振动时间也成二次曲线关系(a>0)，当振动时间超过26.91min后，强度才有所提升。
故在如上实验条件所得实验数据可以得出，最优振动参数组合为：振动频率f-12Hz；振幅A-2.85mm；振动时间t-30min。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。具体实施方式中所说明的特征的所有组合未必是本发明所限制的解决手段，可以理解这些附加的构造特征以及操作改进可以单独使用或者相互结合使用。因此，应该理解本发明不限于任何具体的特征或元件的结合，并且在此描述的任何期望的特征组合都能被实施而不偏离本发明的保护范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种机械式振动水泥浆的实验系统，其特征在于，所述机械式振动水泥浆的实验系统包括：
振动实验装置，其包括控制箱和电磁振动台，所述控制箱连接所述电磁振动台并调节振动参数，所述电磁振动台水平放置；
模具，其通过固定装置固定在所述电磁振动台上，所述模具内用于装入水泥浆；以及
振动测量仪，其用于监测所述电磁振动台的振幅。
2.如权利要求1所述的机械式振动水泥浆的实验系统，其特征在于，所述固定装置包括压板及至少两根竖直设置的立柱，所述立柱的底部固定在所述电磁振动台上，所述模具放置在所述立柱之间的所述电磁振动台上；所述压板上设有与所述立柱对应的通孔并通过所述通孔滑动套设在所述立柱上；所述立柱上设有螺纹并旋接有压紧螺母，所述压紧螺母将所述压板压紧在所述模具的顶部。
3.如权利要求1所述的机械式振动水泥浆的实验系统，其特征在于，所述模具包括底板、至少两个模具体以及顶板；所述模具体内设有用于容纳水泥浆的腔体，所述模具体沿竖直方向堆叠放置在所述底板上，相邻两个所述模具体之间夹设有所述顶板。
4.如权利要求3所述的机械式振动水泥浆的实验系统，其特征在于，所述模具体具有侧壁和隔板，所述侧壁围成一封闭的空腔，所述空腔的上下两端敞开，所述隔板竖直设置并将所述空腔分隔成相互隔离的所述腔体。
5.如权利要求4所述的机械式振动水泥浆的实验系统，其特征在于，所述模具的中心竖直穿设有一提杆，所述提杆的底部与所述底板固定在一起，所述顶板及所述隔板上均设有供所述提杆穿过的穿孔；所述提杆的上端螺纹连接提手。
6.如权利要求3所述的机械式振动水泥浆的实验系统，其特征在于，所述顶板与其下方的所述模具体相对的一面上设有将所述腔体与外部连通的导通槽。
7.如权利要求1所述的机械式振动水泥浆的实验系统，其特征在于，所述振动测量仪包括磁吸式探头，所述磁吸式探头内设有压电式加速度传感器；所述磁吸式探头吸附在所述电磁振动台上。
8.一种机械式振动水泥浆的实验方法，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项所述的机械式振动水泥浆的实验系统，所述机械式振动水泥浆的实验方法包括如下步骤：
S1、将所述模具中装入水泥浆，并将所述模具固定在所述电磁振动台上；
S2、通过所述控制箱设置第一组振动参数，启动所述电磁振动台和所述振动测量仪；通过所述振动测量仪监测所述电磁振动台的振幅；
S3、所述电磁振动台的振动结束后，将所述模具拆下，对水泥浆进行性能测试，得到第一组测试数据；
S4、重复步骤S1至步骤S3，在步骤S2中设置另一组振动参数，在步骤S3中得到另一组测试数据；直到完成需要测试的全部组数的实验。
9.如权利要求8所述的机械式振动水泥浆的实验方法，其特征在于，步骤S2中设置的所述振动参数包括振动频率、振幅及振动时间；步骤S3中对水泥浆进行的性能测试是抗压强度测试。
10.如权利要求9所述的机械式振动水泥浆的实验方法，其特征在于，采用正交实验方法，将振动频率、振幅及振动时间分别取不同的值进行组合，共设置9组实验，得到9组测试数据；然后对得到的9组测试数据进行方差分析和极差分析，确定振动频率、振幅及振动时间的最优组合值。
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