机械式振动水泥浆的实验系统及实验方法技术方案

本发明专利技术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。

Experimental system and experimental method of mechanical vibration cement paste

The invention relates to an experimental system and an experimental method for a mechanical vibrating cement slurry. The experimental system comprises a vibration experimental device, a mold and a vibration measuring instrument. The vibration experiment device comprises a control box and an electromagnetic vibration table, wherein the control box is connected with an electromagnetic vibration table and the vibration parameters are adjusted, and the electromagnetic vibration table is horizontally placed. The die is fixed on the electromagnetic vibrating table by a fixing device, and the mould is used for filling the cement slurry. The vibration meter is used to monitor the amplitude of the electromagnetic vibration table. The effect of mechanical vibration in cement paste solidification is truly reflected, and the influence of mechanical vibration on the performance of cement paste is studied. The experimental method of setting 9 different sets of parameters by orthogonal experiment method, the variance analysis and range analysis of the test results, discovered the law of effect of mechanical vibration on the performance of the cement slurry, determine the optimal combination of vibration frequency, amplitude and vibration time value, so as to provide the basis for the effect of mechanical vibration on cementing quality.

【技术实现步骤摘要】
机械式振动水泥浆的实验系统及实验方法
本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。在本专利技术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。在本专利技术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。在本专利技术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。在本专利技术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。在本专利技术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。在本专利技术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。本专利技术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。在本专利技术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。在本专利技术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，本专利技术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专利技术做示意性说明和解释，并不限定本专利技术的范围。其中：图1：为本专利技术实验系统的连接结构示意图。图2：为本专利技术实验系统中模具的结构示意图。图3：为本专利技术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：为本专利技术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：为本专利技术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专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本专利技术的具体实施方式。实施例一如图1所示，本专利技术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：本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁进平，王友文，尹宜勇，王兆会，曲从锋，刘斌辉，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油集团钻井工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11