【正文】 驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用表明，將 CX18 加到水泥漿中不僅能有效地防止油氣井的油、氣、水竄槽，而且它對水泥漿的物理性能影響小，并能與其它水泥添加劑相配伍。 其反應(yīng)過程為：2A1+Ca(OH)2+2H2O→ Ca(AlO2)2+3H2↑。 新型的 KQA 充氣水泥固井方法為解決水泥 漿“ 失重 ” 引起的氣竄問題提供了一條新的途徑，經(jīng)四川石油管理局川南礦區(qū)峽 1傲 包 6巴 1潼南 鹿 1隆 401 等 7 口氣井固井實(shí)踐證實(shí)，此法可以防止高壓氣井和多產(chǎn)層氣井的井口冒氣或井內(nèi)流體層間互竄問題，使固井質(zhì)量有明顯提高 [41]。作為發(fā)氣材料的金屬鋁（ Al）的化學(xué)性能很活潑，與酸、堿作用都會(huì)產(chǎn)生氫氣。充氣水泥是借助水泥漿膠凝失重與界壁之間形成的阻力和孔隙阻 力或橋堵造成的阻力而產(chǎn)生一定的孔隙膨脹壓力，并利用氣體的可壓縮性及膨脹性來延緩孔隙壓力下降，而維持較高的孔隙壓力 [37]。 ③ 多級固井，尾管懸掛固井：減少水泥漿柱長度限制 水泥漿返高 以降低水泥漿柱壓力損失。 （ 2） 減少 水泥漿液柱壓力損失和孔隙壓力下降方面 [30～ 36]： ① 限制水泥漿返高：在水泥漿封隔高度無特殊要求的情況下，可適當(dāng)減少水泥漿柱的高度，以減少水泥漿失重對氣竄的影響。采用建立的水泥漿失重模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了多種間隙、井斜角以及偏心度條件下水泥漿的失重實(shí)驗(yàn)，得到的環(huán)空間隙、井斜角以及偏心度對水泥漿失重速率的影響規(guī)律與模型中得到的規(guī)律相同 ，即當(dāng)水泥漿完全充滿環(huán)空時(shí)，水泥漿的失重速率隨著環(huán)空壁面接觸面積的增大而增大，隨著偏心度的增大而增大，隨著井斜角的增大，先增大后減小，在井斜角為 45176。 近年來 通過水泥漿失重實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并研究了水泥漿體系穩(wěn)定性，即水泥漿失水、析水對水泥漿失重的重要影響。從上述兩種失重觀點(diǎn)出發(fā)，并以典型失重模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析了水泥漿在不同井斜的失重機(jī)理和規(guī)律，進(jìn)一步證實(shí)了兩種失重觀點(diǎn)的正確性，得出幾點(diǎn)結(jié)論： ① 井斜愈大，候凝過程中水泥漿要經(jīng)歷從沉降不穩(wěn)定體系到穩(wěn)定體系的轉(zhuǎn)化期愈短； ② 隨著井斜角的增大，沉降失重對水泥漿轉(zhuǎn)化期失重的影響增大，沉降 —膠凝失重的影 響減??；對 直 井 和小井斜角井眼來說，一般水泥漿在轉(zhuǎn)化期以沉降 — 膠凝失重為主，對大斜度井和水平井而言，則以沉降失重為主； ③ 在中等井斜角范圍（ 40176。井筒傾角增加，水泥漿作用在管壁的摩擦阻力增加，且漿柱對井底的有效壓力也隨之減小。證實(shí)了大斜度及水平井中，水泥漿的失重和氣侵規(guī)律與直井不完全相同，主要表現(xiàn)在水泥漿的析水量、井斜角、井徑及井身結(jié)構(gòu)等因素的影響。加封隔器注水泥是人為的橋堵，它會(huì)帶來同樣的危害； ⑤ 采用環(huán)空憋壓等一般措施， 難以防止橋堵所引起的失重。 西南石油學(xué)院對橋堵的形成及水泥漿失重的原因也進(jìn)行了研究 [24]，得出了一些結(jié)論： ① 不同條件，影響水泥漿橋堵失重的因素是不相同的。水泥漿 在靜止后的凝結(jié)過程中，由于水泥的膠凝作用，在水化的水泥顆粒之間 以及 水泥顆粒與井壁和套管之間 形成 了空間 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使水泥漿柱的一部分重量懸掛在井壁和套管上，從而降低了水泥漿柱作用在下部地層的有效靜液柱壓力 （ 即 “ 失重 ” ） 。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了水泥漿失重并 不一定必然導(dǎo)致氣侵，發(fā)生環(huán)空氣竄的必要充分條件是：水泥孔隙壓力 +孔隙流動(dòng)阻力 氣層壓力，由此可以得出防止水泥 漿發(fā)生 氣侵的重要原則應(yīng)該是在水泥漿凝固過程中始終保持水泥孔隙壓力 和 孔隙流動(dòng)阻力 之和大于 氣層壓力。 國內(nèi)研究狀況 國內(nèi)氣竄研究起步較晚， 七十年代 中期 才開始對氣竄展開研究， 尤以西南石油學(xué)院和中國石油天然 氣總公司工程技術(shù)研究院為主。鉆井液密度大于頂替液密度時(shí)，重力 作用就會(huì)引起頂替不均。 1987 年， Crook 等采用現(xiàn)場和全尺寸試驗(yàn)確認(rèn)了斜井頂替鉆井液時(shí)可導(dǎo)致低邊固相沉降，但可通過控制鉆井液流變性 防止 ， 采用低粘沖洗液改善了低邊沉降固相的頂替效率。 1992 年， Tehrani 等指出，斜井減小了重力效應(yīng)，也就減小了頂替效率，良好的隔離液設(shè)計(jì)對鉆井液清除是很有必要的。水敏性粘土礦物、破碎性地層和地層的高滲透性 對 隔離液的設(shè)計(jì) 存在一定 影響。 2020 年， Frigaard 和Pelipenko 建立了偏心環(huán)空中鉆井液頂替速度的解析式。 1992 年， Ravi等推薦設(shè)計(jì)循環(huán)排量和使用隔離液，使環(huán)形空間窄邊的剪切應(yīng)力大于或等于壁面剪切應(yīng)力。 （ 4）流體排量 鉆井液頂替的一致性隨流體排量的增加而增加，但套管的不居中和流體性質(zhì)增加了鉆井液竄槽的幾率。扶正器能改善套管居中度，當(dāng)水泥漿流進(jìn)環(huán)空時(shí)流速會(huì) 平均分布，否則，水泥漿易于沿阻力最小的方向流動(dòng) —環(huán)空的寬邊。 表 13 活動(dòng)管柱和頂替效率 [16,19] 活動(dòng) 頂替效率 未活動(dòng) 20 轉(zhuǎn) /分 65% 97% 水泥漿凝結(jié)期間上提下放或旋轉(zhuǎn)管柱還有助于延遲水泥漿靜液柱壓力損失的時(shí)間 ，水泥漿靜膠凝強(qiáng)度達(dá) 后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)管柱，并未影響水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的發(fā)展（ Sutton 和 Ravi， 1991 年）。大斜度井和水平井通常推薦旋轉(zhuǎn)管柱，上提下放管柱增加了卡套管的危險(xiǎn)，且有可能使扶正器偏離井斜角較大的井段而起不到扶正作用。s 5 mL/30min 表 12 推薦斜井的鉆井液動(dòng)切力 [16,19] 井斜角（ 176。大斜度井低邊固相發(fā)生沉降后，固井作業(yè)時(shí)低邊就會(huì)產(chǎn)生竄槽，試驗(yàn)表明水泥漿中過多的自由水會(huì)在高邊形成竄槽通道（ Keller 等， 1983 年）。要保證井眼的正確處理，必須仔細(xì)監(jiān)測地面壓力、排量、流體性質(zhì)，同時(shí)考慮井眼幾何形狀和溫度。 1979 年， Haut 和Crook 的頂替試驗(yàn)表明，鉆井液的最大膠凝強(qiáng)度可近似為 10 分鐘的靜切力，降低鉆井液的失水量或 10 分鐘的靜切力都能夠增加鉆井液頂替效率。 1979 年， Haut 和 Crook 研究了鉆井液性能調(diào)整、地層滲透率、 套管居中、流變性差異、排量以及密度差對鉆井液竄槽的影響，但忽略了活動(dòng)管柱。理想的鉆井液性能包括低動(dòng)切應(yīng)力、低塑性粘度、低失水和低靜切力。 一次固井作業(yè)時(shí)，應(yīng)避免鉆井液或水泥漿 竄槽導(dǎo)致頂替效率不高 ， 大肚子井段窩存鉆井液、鉆井液或水泥漿竄槽均可能導(dǎo)致氣竄。據(jù)此可以看出，只要水泥漿孔隙中充滿自由水，且不流動(dòng)，地層氣體也就不可能侵入水泥漿基體，從而就產(chǎn)生了 “ 不滲透 ” 水泥漿，這也是不滲透水泥漿的起源。 1980 年 ， Sabins 等 [18]擴(kuò)展了水泥漿過渡時(shí)間的概念，他們將過渡時(shí)間定義為水泥漿從真實(shí)的水力流體轉(zhuǎn)變到具有一切固體性質(zhì)的高粘稠體的階段。他們報(bào)道孔隙壓力的迅速降低是因?yàn)樗嗷w中液相（水）的低壓縮性，建議可以通過引入諸如夾帶、添加或就地生成高度分散的氣相之類的高可壓縮相來維持這一壓力。 如文獻(xiàn)所報(bào)道的，另外一種改進(jìn)氣竄控制的途徑就是采用膨脹水泥提高套管 /水泥環(huán)和水泥環(huán) /地層兩個(gè)界面的膠結(jié)質(zhì)量。 1980 年， Watters 和 Sabins 展示了 15 個(gè)月的可壓縮水泥計(jì)劃，控制氣竄的成功率為 %[16]。水泥膠凝時(shí)，初始靜壓就被圈閉在水泥基體內(nèi)。水泥漿初凝后，當(dāng)氣層壓力高于靜液柱壓力時(shí)，水泥漿中就會(huì)形成小的氣竄通道。 1980 年， Sabins 等認(rèn)為可通過測試靜膠凝強(qiáng)度確定過渡時(shí)間的開始和結(jié)束，他們的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，靜膠凝強(qiáng)度大約為 時(shí)就足以限制氣體流動(dòng)，大約 時(shí)就能夠限制所有氣體滲流 [16]。通過未凝結(jié)水泥漿的氣竄的認(rèn)識(shí)方面已經(jīng)作了大量工作，提出了一些解決方法。 根據(jù)固井作業(yè)規(guī)范，水泥漿中可以加入多達(dá) 40 種化學(xué)添加劑達(dá)到期望的水泥漿性能。 1970 年， Carter 和 Slagle 發(fā)表了第一篇試圖解釋氣體連通問題而不是套管 /水泥環(huán)和水泥環(huán) /地層界面 氣體泄漏 的文章 ，此文正式引入了水泥漿漿柱不能有效傳遞靜水 壓力的概念 [14]。 1966 年， Scott 和 Brace 報(bào)道了一次固井作業(yè)時(shí)，可采用下入帶樹脂涂層的套管來提高固井質(zhì)量 [14]。如果固井作業(yè) 時(shí) 無法保證頂替效率，那么談任何防氣竄工作都是毫無意義的。而層間封隔與固井質(zhì)量的好壞密切相關(guān)，所以研究氣竄問題，也應(yīng)從影響固井質(zhì)量的因素出發(fā) ，二者的影響因素是等價(jià)的 。既然如此， 固井質(zhì)量的好壞 就 應(yīng)該根據(jù)層間封隔效果來確定。力圖通過本文的研究工作， 在前人研究的基礎(chǔ)上，以物理、 化學(xué)和材料科學(xué)為基礎(chǔ)， 從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)， 全面弄清 環(huán)空氣竄發(fā)生的諸多原因，從氣竄發(fā)生的 幾個(gè) 本質(zhì) 原因 入手，包括水泥漿失水 和水化體積、水泥膠凝 收縮導(dǎo)致 作用于氣層的 環(huán)空水泥漿漿柱靜壓降低、頂替效率不高導(dǎo)致竄槽提供氣竄通道 、 水泥環(huán)先天缺陷成為環(huán)空 氣竄 薄弱點(diǎn)以及水泥環(huán)井下力學(xué)行為改變導(dǎo)致水泥環(huán)力學(xué)失效引起氣竄 ， 考察鉆井液濾餅對水泥漿失水的影響，并深刻分析不同溫度下水泥漿漿體穩(wěn)定性、失水和析水 綜合因素 對水泥漿 凝固后外觀 體積收縮、孔隙壓力降低 、 靜 膠凝強(qiáng)度發(fā)展 以及初終凝時(shí)間 的影響 規(guī)律 。環(huán)空 氣竄 既可 受 其中某些因素單獨(dú)作用，也可由其中某些因素綜合作用 導(dǎo)致 ，且不同的影響因素，其作用時(shí)間、作用原理、作用方式都有所不同， 這也 進(jìn)一步 增加了固井 作業(yè) 防氣 竄的難度 [12]。環(huán)空發(fā)生氣竄后，只能在小范圍內(nèi)通過擠水泥予以補(bǔ)救， 不但 造成大量的人力、物力 和財(cái)力的浪費(fèi)， 而且 影響了后續(xù)作業(yè)的順利進(jìn)行和實(shí)施效果，有時(shí)甚至無法彌補(bǔ) [12,13]。 國內(nèi)各油田多數(shù)天然氣井固井后數(shù)天、幾 個(gè) 月 之 后即發(fā)生套管帶壓、懸掛器喇叭口冒氣 等現(xiàn)象 ，致使生產(chǎn)時(shí)井口帶壓， 存在重大安全隱患 ， 嚴(yán)重影響油氣井開采壽命，對中國天然氣的 勘探 開發(fā)極為不利。 天然氣井固井至今仍是全球性的頭疼問題，全世界約有 25%的完鉆井都不同程度地存在環(huán)空氣竄問題 [10]，一旦發(fā)生氣竄，很容易變成難以 解決的問題，因此必須從根本上解決固井后環(huán)空氣竄的問題。 單 位代碼： 10615 西 南 石 油 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 論文題目： 注水泥 環(huán)空氣體竄流原因分析及防控技術(shù) 1. 緒論 多年以來，鉆井、固井作業(yè)期間以及固井作業(yè)后，地層流體 （油、氣、水） 侵入環(huán)空已被認(rèn)為是石油行業(yè)最為棘手的問題之一，其中最 為 關(guān)鍵和最危險(xiǎn)的問題之一就是氣竄，這也是經(jīng)常發(fā)生的問題 （ Bearden 等 ， 1964 年 ； Carter 等 ， 1970 年 ； Sutton 等 ， 1984年 ） [1,2,3]。 注水泥作業(yè) 后環(huán)空氣竄是所有天然氣井固井都要面臨的一個(gè)潛在的重大固井工程技術(shù)難題，嚴(yán)重的環(huán)空氣竄不僅使后續(xù)鉆井作業(yè)、射孔作業(yè) 、修井 以及增產(chǎn)措施無法順利實(shí)施，還會(huì)影響建井周期、油氣的安全開采以及產(chǎn)能的提高，甚至可能 導(dǎo)致 全井報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失 [7,8,9]。美國墨西哥灣大約 15500 口井中，有 6692 口井或 43%的井至少其中一個(gè)套管層次帶壓，約 10513 個(gè)帶壓的套管層次 中，%是生產(chǎn)套管、 %是表層套管、 %是技術(shù)套管、 %是導(dǎo)管。固井作業(yè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及多學(xué)科， 也是一項(xiàng)隱蔽性強(qiáng)、不確定因素多、投資大 （ 占 整個(gè)鉆井成本 的 15%～30%） 、風(fēng)險(xiǎn) 高 、且具有一次性作業(yè)特點(diǎn)的系統(tǒng)工程， 必須仔細(xì) 考慮 每 一個(gè) 作業(yè) 環(huán)節(jié) 和每一道施工工序 ， 否則 可能引發(fā)環(huán)空 氣體 竄流 ， 導(dǎo)致 層間封隔失效， 固井質(zhì)量 無法保證 。 已有的研究結(jié)果表明，環(huán)空 氣竄 是一個(gè)非常復(fù)雜的物理 、化學(xué)作用過程，影響因素多 、 雜，且各因素之間相互影響、相互制約 [12]。 眾所周知，既然 固井工程自身就是一項(xiàng)系統(tǒng)工程， 那么 其中的氣竄問題也應(yīng)屬于大系統(tǒng)工程中的小系統(tǒng)工程 ，必須對其展開系統(tǒng)研究才可能取得一定進(jìn)展 。 一旦環(huán)空發(fā)生氣竄，就無法有效保證 層間封隔 效果 。基于此，我們研究氣竄問題也應(yīng)從影響層間封隔的因素入手，凡是影響層間封隔的因素必然影響氣竄。 良好固井實(shí)踐主要集中在提高鉆井液頂替效率方面，頂替效率的提高對提高固井質(zhì)量和層間封隔效果尤為重要。1964 年， Bearden 等引入了安放在套管上以控制層間互竄的特殊工具 ——管外封隔器，該裝置由一個(gè)可變形的橡膠密封圈和澆鑄橡膠密封圈的兩個(gè)鋼法蘭組成，其中一個(gè)鋼法蘭可以自由移動(dòng) [14]。 為了探索引起環(huán)空氣竄的原因， Exxon公司和 Dowell 公司 1968 年對水泥漿液柱的壓力行為進(jìn)行了研究，后來 Exxon 公司和Halliburton 公司在此基礎(chǔ)上更好的模擬井下條件繼續(xù)展開研究， 發(fā)現(xiàn)了 水泥漿凝結(jié)過程中漿柱壓力損失這一水泥的獨(dú)特現(xiàn)象 [15]。 1976 年， Exxon 公司的 Garcia 和 Clark 采用氣體流動(dòng)模擬裝置進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)探索氣竄原因 ，室內(nèi)實(shí)驗(yàn) 和現(xiàn)場采用噪聲測井試驗(yàn)均表明，水泥漿處于液態(tài)時(shí)，氣竄不會(huì)發(fā)生，氣竄在水 泥漿凝結(jié)后發(fā)生，得出了水泥漿失水越小越好和混合水比例越小越好的結(jié)論 [15]。 凝結(jié)水泥漿從液相轉(zhuǎn)變?yōu)?膠凝相直至硬化時(shí)，氣竄可在未凝結(jié)水泥漿中發(fā)生。水泥漿向滲透性地層失水或水泥水化導(dǎo)致自由水體積減少，而水泥水化膠凝抑制了壓力通過凝結(jié)水泥漿漿柱傳遞彌補(bǔ)自由水的體積減少 ， 此時(shí)氣體就可侵入凝結(jié)的水泥漿并滲透到地表形成永久性氣竄通道。氣層壓力高于水泥漿 漿 柱靜液柱壓力時(shí)，氣體才會(huì)通過水泥漿柱流動(dòng)。 為了在水泥漿過渡時(shí)間內(nèi) 減緩靜壓降低， Tinsley 等 1980 年提出了夾氣水泥漿 [16]。氣相的引入增加了水泥漿的可壓縮性，因此維持了孔隙壓力。