振动固井是提高固井质量的有效技术手段之一,振动波作用于套管柱和环空内流体,可调节水泥浆性能,改善水泥环与一、二界面的胶结状况。然而,国内外科研机构大多专注于固井工艺和装置的研发设计与应用上,对于振动固井实验评价方面的研究尚有许多空白,振动波在套管柱中的传播规律尚不明确,制约了该项技术的进一步发展。为此,本文开展振动对水泥浆/水泥石性能影响规律研究,并取得了如下成果:(1)通过调研国内外振动固井相关文献,设计研制一套机械振动水泥浆实验平台。通过正交实验发现振动对常规密度水泥石强度有较好的提升效果,且水泥石性能对振动频率和振幅的变化更加敏感,优选得到最佳振动参数组合,并借助微观分析手段验证了振动对于改善水泥石微观结构有积极效果。(2)采用控制变量法测定不同频率的振动对水泥浆常规性能的影响规律,结果显示:振动可以加快水泥浆凝结硬化进程,并显著缩短静胶凝强度发展的过渡时间,极大程度的改善水泥浆流变性和可泵送性。发明一套新型水泥石试件制备模具,探索发现了振动波作用的最佳位置在激振处与远端之间某一特定范围内。(3)通过离散元数值模拟得到振动对水泥颗粒堆积效果的影响规律,结果显示:各振动参数对颗粒充填率的作用效果与实验结果基本吻合。其中,振动方向对水泥颗粒充填率影响最为显著,水平振动提高充填率的幅度约为垂直振动时的3倍。振动对不同尺寸及形貌颗粒混合充填率分别提升40.22%和8.33%。(4)通过有限元数值模拟得到振动波沿套管串轴向传播规律,套管柱底端振幅随振动频率、套管壁厚的增加而减小,随激振力的增大而增大;同时,引入衰减系数,分析得到振动波衰减特性,振动波的衰减速率随振动频率、套管壁厚的增加而减小,随激振力的增加而加快。