【正文】 柱靜液柱壓力損失之間關(guān)系的文章。 1979 年， Griffin 等 討論了一種有利于提高固井兩個界面和層間封隔的膨脹水泥漿體系。 在前人研究的基礎(chǔ)上， 1975 年 Christian 等寫了一篇關(guān)于采用失水控制良好的水泥漿來防止氣竄，他們的研究表明，由于缺乏失水控制導(dǎo) 致水泥漿過早脫水也許是導(dǎo)致氣竄的首要原因，水泥水化需要采用降失水劑來束縛水泥漿中的自由水，且能降低流體通過水泥孔隙流動的能力 [14]。因水化或失水引起的任何體積減少，均會引起水泥基體內(nèi)自由水孔隙壓力的降低。此外，因熱流體循環(huán)， 上部 水泥漿凝結(jié)過早也會阻止靜壓傳遞，引發(fā)地層氣體竄流。 1986 年，Stewart 和 Schouten 提出了水泥降壓作用假說，即水泥初凝時(shí)，放熱水化開始，孔隙水參加水化導(dǎo)致孔隙壓 力降至靜水壓力梯度以下 ，其 研究結(jié)果表明，水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度約為 時(shí)就足以使小氣泡停止移動 [16]。 2020 年，Zhou 和 Wojtanowicz 建立了一個數(shù)學(xué)模型，該模型考慮了 水泥漿的 膠凝、體積收縮以及可壓縮性 三個方面 ，對凝結(jié)水泥漿漿柱的靜壓損失進(jìn)行了描述 [16]。水泥添加劑可分為 ① 密度控制； ② 凝結(jié)時(shí)間控制； ③ 防漏； ④ 失水控制； ⑤ 粘度控制； ⑥ 處理復(fù)雜問題的特殊添加劑（ 1986 年， Burgoyne 等） 幾種類型 [16]。 1974 年， Stone 和 Christian[14]采用實(shí)驗(yàn)室大尺寸模型說明了在水泥漿初凝以前，當(dāng)?shù)貙託怏w壓力高于水泥漿液柱壓力時(shí)，水泥漿內(nèi)部就會產(chǎn)生氣竄通道，甚至在氣體壓力降低以后，氣竄仍會繼續(xù)發(fā)生。 20 世紀(jì) 60 年代初，美國的氣井出現(xiàn)了嚴(yán)重的氣體連通問題時(shí)， 氣體竄流 現(xiàn)象才得以被人們所認(rèn)識 （ Stone 和 Christian， 1974 年 ） [1]。 國外研究狀況 整個石油行業(yè)已經(jīng)認(rèn)識到了需要采用恰當(dāng)?shù)乃酀{頂替措施來實(shí)現(xiàn)良好的一次固井作業(yè)。 從上世紀(jì) 50 年代開始，人們就致力于提高固井質(zhì)量的研究，研究成果在現(xiàn)場也 得到 了廣泛的應(yīng)用， 在現(xiàn)場和 實(shí) 驗(yàn)室得出了很多具有很強(qiáng)指導(dǎo)意 義的技術(shù)措施。 固井作業(yè)后要達(dá)到良好的 層間 封隔，要求水泥環(huán) /套管界面、水泥環(huán) /地層界面緊密結(jié)合封固良好，同時(shí)還要求水泥環(huán)自身無缺陷 和套管 水泥 環(huán) 地層三者具有良好的協(xié)調(diào)變形能力 ， 這樣 地下 氣體就不可能在固井 作業(yè)水泥封固段 的 兩個界面和水泥環(huán)本體處發(fā)生竄流 ，井口、套管環(huán)間的帶壓現(xiàn)象才能得以消除 。期待通過 全面 探討氣體 竄流 發(fā)生 的 條件、 原因以及 通道，結(jié)合室內(nèi)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究 工作 ， 為天然氣井固井水泥漿體系 防氣竄 設(shè)計(jì)及防氣竄工程工藝技術(shù)措施 的制定 提供 些許 科學(xué)合理的參考依據(jù) ，據(jù)此提出天然氣井固井防氣竄技術(shù)綜合指導(dǎo)思想 。國內(nèi)外各油田公司、服務(wù)公司和科研院所對固井后環(huán)空氣竄機(jī)理、氣竄預(yù)測方法以及防氣竄工程工藝措施均 開展 了大量系統(tǒng)深入地研究， 在固井 實(shí)踐 中 也 進(jìn)行了 廣泛 應(yīng)用 ， 收到 了較好的應(yīng)用效果， 從實(shí)踐和研究工作中 形成 和產(chǎn)生 了一些有價(jià)值的防 氣 竄理論 ，得到了諸多 防 氣 竄技術(shù)措施， 但 是還不完善和 系統(tǒng)， 未能從根本上解決固井后環(huán)空氣竄的問題。 隨著國際原油價(jià)格的一路飆升和能源供應(yīng)緊張的加劇，近年來天然氣勘探開發(fā)步伐逐漸加快，所鉆井越來越多、越來越深，固井所面臨的 問題 越來越復(fù)雜，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1） 所鉆井越來越深，井身結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，井身結(jié)構(gòu)的局限性導(dǎo)致固井質(zhì)量難以提高 ； （ 2）井底溫度、壓力越來越高，水泥漿性能難以得到有效保證（高溫高壓下失水過大、稠化時(shí)間調(diào)控困難），環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度加大，無形之中加大了防氣竄難度； （ 3）為了 縮短 建井周期大規(guī)模采 用空氣鉆井、欠平衡鉆井等新工藝，導(dǎo)致鉆井作業(yè)時(shí)井眼質(zhì)量無法得到有效保證，不利于注水泥作業(yè)提高頂替效率； （ 4） 井下情況復(fù)雜多變，如 地層壓力層系多、氣顯示段多、漏層多， 平衡注水泥困難， 且 難以在候凝過程中壓穩(wěn)地層流體； （ 5） 腐蝕性地層流體的存在（鹽水、 地層水、 H2S 和 CO2）、 開發(fā)力度 的 加大 以及增產(chǎn)措施等后續(xù)作業(yè)對水泥環(huán)的長期密封性 能 提出了更高的要求。 四川油氣田 龍崗氣田 龍崗 1 井 、 2 井和 3 井測井結(jié)果表明固井 封固良 好，但是固井后一段時(shí)間 9?″技術(shù)套管和 7″套管環(huán)間帶壓，大慶油田徐深 901 井等 5 口井套管環(huán)間帶壓，塔里木油田克拉氣田多口井也是 13?″技術(shù)套管和 9?″技術(shù)套管環(huán)間帶壓。 美國礦產(chǎn)管理服務(wù)機(jī)構(gòu)（ Mineral Management Services）提供的 氣竄 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 見圖 11。 固井作業(yè)是油氣井建井過程中必不可少的 重要 環(huán) 節(jié)， 一次固井作業(yè)的兩個主要目的就是支撐套管和實(shí)現(xiàn)層間封隔， 而 氣竄 導(dǎo)致 層間封隔的目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn) ， 所以 石油行業(yè)的挑戰(zhàn)就是實(shí)現(xiàn)長期 層間封隔、 防止氣竄發(fā)生 [4,5]。 本文的研究目的及意義 氣竄也稱為氣體連通或氣體泄漏 （ Carter 等 ， 1970 年 ） 、環(huán)空氣體流動 （ Garcia 和Clark， 1976 年 ） 、氣竄 （ Parcevaux 等 ， 1983 年 ） 、固井后流動 （ Webster 和 Eikerts， 1979年 ） 或氣體侵入 （ Bannister 等 ， 1983 年 ） ，是幾乎所有天然氣井固井 都 存在的一個潛在問題，最嚴(yán)重的氣竄就是井眼 失控造成井噴，最輕微的后果是井口增加一定的壓力，至于氣體在井下層間相互竄通 （高壓層竄至低壓層） 則很難被檢測出來 [1,6]。 圖 11 展 示 了 墨西哥灣外大陸架（ Outer continental shelf）地區(qū)的 油氣 井中 ，根據(jù) 井齡劃分出現(xiàn)套管帶壓（ Sustained Casing Pressure）的井所占的比例，這些數(shù)據(jù)中沒有包含聯(lián)邦水域或陸上的井 [11]。 圖 11 套管帶壓（ SCP） 的井與井齡之間的關(guān)系 [11] 固井 作業(yè)是聯(lián)系鉆 完 井作業(yè)和后期油氣開采的重要環(huán)節(jié)， 承前啟后、 至關(guān) 重要 ，直接影響油氣田安全合理開發(fā)和后續(xù) 各項(xiàng)施工 作業(yè)的正常進(jìn)行。 正因?yàn)?固井作業(yè)面臨問題的 日趨 復(fù)雜 ， 所以 到目前為止，環(huán)空 氣竄 問題在國內(nèi)外都還時(shí)有發(fā)生，有的地區(qū)甚至大面積 發(fā)生。固井作業(yè)的主要目的是在整個油氣井正常生產(chǎn)壽命期間提供良好的層間封隔，因此， 要防止環(huán)空 氣竄 實(shí)現(xiàn)層間封隔、 提高固井質(zhì)量， 有必要對環(huán)空氣竄發(fā)生原因及其影響因素進(jìn)行更深入、 更 系統(tǒng) 和 更廣泛 地研究，以期有助于人們深刻認(rèn)識和理解 氣竄問題，系統(tǒng)地 開展 防氣竄工作， 以 更好地控制 和 解決 固井氣竄問題 。 國 內(nèi)外 研究現(xiàn)狀 不論是鉆井 作業(yè) 、完井作業(yè)還是后期開發(fā) ，對固井作業(yè)的質(zhì)量要求均可歸結(jié)到良好的層間封隔 。 誠然，層間封隔不佳，必然會導(dǎo)致氣竄。要 提高固井質(zhì)量 必須依賴良好固井實(shí)踐， 良好固井實(shí)踐主要包括鉆井液性能調(diào)整、固井作業(yè)時(shí)活動管柱、套管居中、 流體環(huán)空流速、隔離液和沖洗液設(shè)計(jì)以及流體之間的密度差 [14]。早在 1948 年， Howard 和 Clark 對提高固井質(zhì)量的技術(shù)措 施進(jìn)行了廣泛研究 [14]。 上 世紀(jì)70 年代早期， Evans 和 Carter 就揭示了 管柱表面狀況（粗糙度和潤濕性）對套管 /水泥環(huán)、地層井壁 /水泥環(huán)兩個界面膠結(jié)質(zhì)量的重要性 [14]。根據(jù)他們兩人的推薦，提出了需要采用提高鉆井液和水泥漿頂替效率的措施以及采用具有良好失水控制和短凝結(jié)時(shí)間的水泥漿。人們已經(jīng)證實(shí)了水泥添加劑能夠改善水泥膠結(jié)質(zhì)量，并有助于控制氣竄（ Tinsley 等， 1980 年； Jones和 Carpenter， 1991 年； Talabani 等， 1993 年） [16]。通常認(rèn)為過平衡壓力損失時(shí)，氣竄就會發(fā)生，而過平衡壓力的損失是因?yàn)殪o膠凝強(qiáng)度發(fā)展和失水共同作用的結(jié)果（ Carter 和 Slagle， 1972 年； Garcia 和 Clark， 1976 年； Levine 等， 1979 年； Cooke等， 1983 年 ） [16]。 1972 年， Carter 和 Slagle 認(rèn)識到流體密度是四個導(dǎo)致氣竄的第一因素 [16]。失水導(dǎo)致水泥漿脫水和井壁垮塌導(dǎo)致橋堵以及 上部 水泥漿的膠凝是導(dǎo)致氣竄的最后兩個因素。靜壓的降低可歸結(jié)為水相的低壓縮性。 1976 年， Garcia 和 Clark 開展了一系列試驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)如果水泥漿失水或水泥漿因沉降穩(wěn)定性不好而在井眼環(huán)形空間的上部沉降，那么水泥漿發(fā)生沉降處以上的水泥漿靜液柱壓力和鉆井液液柱壓力就不再能夠向下部傳遞， 同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，水泥漿處于液態(tài)時(shí)，層間氣體竄流 能夠得到控制，但水泥漿凝結(jié)以后不久就發(fā)生了氣竄 [15]。同 年， Levine 等 [17]討論了一系列控制氣竄的實(shí)際技術(shù)措施，引入了預(yù)測固井后氣竄潛力的圖解法。通過實(shí)驗(yàn)室模型，在自由水過多的水泥漿中，他們觀察到了模擬斜井眼中的自由水竄槽，根據(jù)這些研究 ， 據(jù)此提出了水泥漿有效密度的降低至少取決于兩個因素：自由水含量和井斜角。 Cheung 等 [14]采用氣體流動模擬裝置研究了降失水劑、發(fā)氣劑、 自由水控制劑和橋堵材料對水泥漿防氣竄的影響，得出了如下結(jié)論：（ 1）只要水泥孔隙壓力高于氣層壓力，氣體就不會侵入水泥基體；（ 2）如果氣泡聚并形成氣槽，水泥漿中的氣相就不能起到防氣竄的作用。 1989 年， Sutton 和 Ravi 采用數(shù)學(xué)模型說明了鉆井液竄槽是水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展和井下失水共同作用的結(jié)果，并不是因?yàn)闅怏w侵入了未凝結(jié)水泥漿 [16]。人們對影響鉆井液頂替效率的因素進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果，多數(shù)人認(rèn)為如下因素影響鉆井液頂替效率的提高：鉆井液性能調(diào)整；活動管柱和套管居中；流體排量；隔離液和沖洗液設(shè)計(jì)（包括密度差）。 增加鉆井液和水泥漿之間的粘度比可提高鉆井液頂替效率，頂替時(shí)能夠保證流體前緣均勻一致，并能防止粘性指進(jìn)現(xiàn)象的產(chǎn)生。降低鉆井液的動切應(yīng)力，可大幅度提高鉆井液頂替效率。 1991 年， Beirute 等討論了鉆井液性能調(diào)整對固井作業(yè)的影響，并推薦在固井作業(yè)中采用縮短停泵時(shí)間、沖洗液和活動套管提高頂替效率。泵注水泥漿之前，鉆井液體積循環(huán)量至少應(yīng)達(dá)到 90%（ Brady 等， 1992 年）。 表 11 推薦的鉆井液性能 [16,19] 性能 推薦值 最佳值 動切力（ YP） 塑性粘度（ PV） 濾失量（ FL） 靜切力（ 10s/10min） ≤ Pa ≤20 mPa活動管柱有兩種方式，即固井作業(yè)時(shí) 的 旋轉(zhuǎn)或上替下放管柱，每一種方式都能夠顯著提高鉆井液頂替效率（ 1979年， Haut 和 Crook； 1987 年， Crook 等）。此外，如果鉆井液攜砂能力差，活動套管還有助于消除固相沉降所引發(fā)的竄槽。套管居中差的井段，水泥漿易在鉆井液中竄槽。他們也報(bào)道了行業(yè)接受的居中度為 。表 14 展示了密度 頂替效率。 1990 年， Lockyear 等說明了紊流頂替會減小流體竄槽幾率，套管居中度大于50%時(shí)，雷諾數(shù)大于 1500 將顯著減少竄槽幾率。 （ 5）隔離液和沖洗液 固井作業(yè)時(shí)，隔離液和沖洗液隔開了不相容的鉆井液和水泥漿，提高了頂替效率。 1992 年， Brady 等推薦直井固井采用紊流頂替時(shí)，泵注的隔離液量要能夠充填 ，并有最小 10 分鐘的接觸時(shí)間，大斜度井和水平井中，應(yīng)增加隔離液紊流接觸時(shí)間。紊流流態(tài)的沖洗液比粘性沖洗液更易于清除斜井段沉降的固相。 （ 6）密度差 為了減少竄槽和促使頂替時(shí)平滑流體界面的形成，水泥漿的密度應(yīng)該顯著高于所頂替鉆井液的密度。減小屈服應(yīng)力差、增加密度差、低頂替排量以及鉆井液和水泥漿的流變性對頂替效率影響很大。 氣竄 機(jī)理研究 長期以來為防止水泥漿 頂替到位 靜止后出現(xiàn) “ 失重 ” ，在總結(jié)了大量生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究的基礎(chǔ)上，提出了許多不同的觀點(diǎn)和理論，如水泥膠凝、橋堵 （ 水泥餅、鉆屑和水泥顆粒下沉以及溫度的作用 ） 和水泥漿凝結(jié)過程中的收縮等觀點(diǎn)來解釋和解決 “ 失重 ”問題。 西南石油學(xué)院 隨后在高溫高壓條件 [22]，對水泥漿柱 因水泥膠凝引起 “ 失重 ” 和氣侵開展了實(shí)驗(yàn) 研究 ， 證實(shí)了水泥膠凝引起的 “ 失重 ” 和氣侵是嚴(yán)重的，而 膠凝 “ 失重 ” 可通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)分析后 定量計(jì)算 。 后來有學(xué)者提出無濾失條件下水泥漿的水化體積收縮 膠凝失重 （ 簡稱 “ HG 失重 ”）觀點(diǎn)，即水泥漿失重是由水化體積收縮和膠凝共同作用產(chǎn)生的，并用失重模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了檢驗(yàn) [23]。 ② 控制水泥漿的失水量在 250 mL 左右，對防止橋堵引起的水泥漿失重和氣侵是有好處的，但失水量過 低也是不必要的； ③ 橋堵引起的水泥漿失重，在井下并不普遍存在，只有在易滲透地層和環(huán)空間隙較小的井眼內(nèi)才會出現(xiàn)。用膠凝失重氣侵?jǐn)?shù)據(jù)，設(shè)計(jì)防止失重的方法，比按橋堵氣侵規(guī)律設(shè)計(jì)安全。研究還表明，在傾斜井筒中，按 API常規(guī)方法測量的析水是不合理的，而必須將水泥漿裝入測量筒 傾斜 45176。兩種相反作用造成了井斜角對水泥漿壓降的影響，并不是單調(diào)的減慢。），水泥漿在轉(zhuǎn)化期的平均失重速率將達(dá)到最大值。研究結(jié)果表明，降低水泥漿體系的失水、析水，提高水泥漿體系的穩(wěn)定性，有助于使水泥漿在凝結(jié)過程中維持更高的有效漿柱壓力而壓穩(wěn)地層流體防竄 [28]。 防氣竄方法研究 和添加劑 （ 1） 提高鉆井液頂替效率方面 [30]：西南石油學(xué)院利用研制的激光測速儀、核輻