【正文】 則以沉降失重為主； ③ 在中等井斜角范圍（ 40176。采用建立的水泥漿失重模擬實驗裝置進行了多種間隙、井斜角以及偏心度條件下水泥漿的失重實驗，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 ，即當水泥漿完全充滿環(huán)空時，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。 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。作為發(fā)氣材料的金屬鋁（ Al）的化學性能很活潑，與酸、堿作用都會產(chǎn)生氫氣。 其反應過程為：2A1+Ca(OH)2+2H2O→ Ca(AlO2)2+3H2↑。 采取 SEP 油井水泥膨脹劑和 KQ 防氣竄劑聯(lián)合使用的方法，解決了水泥漿失重和微環(huán)隙對固井質量的影響， SEP 能使水泥在硬化期中水化晶體體積膨脹，抵消普通水泥凝結時的體積收縮效應，從而增強水泥環(huán)與套管和井壁的膠結強度 提高固井質量 [47]。該劑解決了吐哈油田的環(huán)空竄流及水泥濾 液對油氣藏的損害問題，提高了固井質量。 水泥漿漿體穩(wěn)定性 和失水大小 以及 自由水的析出 對 水泥漿柱壓力損失 、 水泥漿稠化時間、靜膠凝強度發(fā)展均有很大影響， 即對防氣竄有著重要作用 ， 國內(nèi)外對此也開展過很多研究，但尚未系統(tǒng)研究不同溫度下水泥漿漿體穩(wěn)定性對水泥水化特性的影響規(guī)律。 （ 3）考察不同溫度下常規(guī)密度水泥漿漿體穩(wěn)定性對水泥漿初終凝時間及體積收縮的影響 采用 高溫高壓油井水泥漿凝結儀 ， 分別在 50℃ 、 60℃ 、 70℃ 、 80℃ 以及 90℃ 下考察常規(guī)密度水泥漿漿體穩(wěn)定性對水泥漿初終凝時間的影響 和水泥孔隙壓力下降的影響 ，并采取增壓泵向水泥漿凝結儀內(nèi)釜體補壓的方式考察溫度和水泥漿漿體穩(wěn)定性對水泥漿 宏觀體積收縮的影響規(guī)律。 2. 環(huán)空 氣竄發(fā)生 原因及氣竄預測方法 注水泥后，環(huán)形空間油、氣、水竄和井口冒油冒氣，至今是國內(nèi)、外還沒有解決的固井質量的主要問題。 [] 西南石油學院鉆井教研室 .水泥漿膠凝引起的 “ 失重 ” 和氣侵的研究 [J].西南石油學院學報 ,1981,(3):1930. 研究固井的氣竄問題必須從本質上找出發(fā)生 氣竄的原因，到底是固井作業(yè)期間氣體通過水泥漿基體發(fā)生滲流而導致固井后環(huán)間、井口帶壓，還是因為 水泥漿凝結期間因水化、膠凝、失水、橋堵導致作用于氣層的靜液柱壓力降低，或是因為 水泥漿凝固后，受后續(xù)作業(yè)工況和地下巖層復雜作用力的綜合影響：如射孔、試油、壓裂、酸化、開采等所產(chǎn)生的沖擊、振動以及巖層蠕變載荷作用，水泥環(huán)一方面自身易發(fā)生脆裂，另一方面與套管或井壁的膠結部分失效，不能在油氣井生產(chǎn)期間維持長期有效的層間封隔而發(fā)生氣竄。而氣體進入環(huán)空的主要途徑是水泥漿在環(huán)空的凝固過程中，靜液柱壓力低于氣層壓力，即 ―失重 ‖，且水泥漿漿體的靜膠凝強度又沒有達到能阻止地層氣體竄入水泥漿體的最小值 。 （ 2）水泥石本體：通過水泥石本體發(fā)生的環(huán)空竄流，包括 ① 注水泥過程中鉆井液竄槽使水泥環(huán)形成內(nèi)部缺陷； ② 由于平衡注水泥失敗地層流體侵入環(huán)空而引發(fā)的環(huán)空竄流； ③ 候凝過程中由于水泥漿體系失穩(wěn)導致自由水聚集上竄； ④ 水泥水化缺陷在水泥石內(nèi)部形成微裂縫； ⑤ 水泥漿凝結過程中產(chǎn)生失重，作用于氣層的有效壓力降低引發(fā)氣竄；⑥ 水泥漿凝結后由于射孔沖擊、壓裂高壓、酸化酸液腐蝕、地層 流體腐蝕、注入流體腐蝕、水泥石高溫強度衰退、水泥環(huán)工況發(fā)生變化導致水泥石破碎解體而引發(fā)環(huán)空竄流。 Rae 等將氣竄分成兩種類型： ―初次 (primary)‖氣竄和 ―二次(secondary)‖氣竄， ―初次 ‖氣竄發(fā)生在固井作業(yè)幾小時至數(shù)天后，其與實際固井作業(yè)有關，即水泥漿性能、頂替機理、靜失水、壓力等； ―二次 ‖氣竄在固井作業(yè)后數(shù)周、數(shù)月甚至幾年后發(fā)生，實際上為氣體泄露而并非氣竄，與固井作業(yè)關系不大 [1]。當孔隙壓力低于地層流體時，圈閉狀態(tài)就會被打破，地層流體在壓力作用下逐漸破壞網(wǎng)架結構并置換孔隙流體，占據(jù)其空間，最終形成氣侵通道。 （ 1） ―橋堵 ‖理論 [3,4,11,12]。試驗表明，橋塞下面地層所承受的液柱壓力確實降低了。若水泥漿漿體自身在井下條件下不穩(wěn)定，導致頂替過程中或頂替到位后水泥漿中的水泥顆粒、加重材料（如重晶石、鐵礦粉）迅速下沉堵塞環(huán)空。一段時間后，其靜膠凝強度開始發(fā)展。 固井后環(huán)空氣竄的原因可歸結為靜液柱壓力的損失，水泥漿凝結過 程中水泥水化和失水時體積收縮降低水泥漿傳遞靜液柱壓力的能力，不能對氣層維持過平衡壓力，從而引起氣體流動。動失水和靜失水期間，水泥漿不斷地向地層失水（包括滲透性地層或由于與地層水活度不平衡導致失水），造成水灰比急劇下降， 改變了水泥漿原有的性能，同時在井壁上形成水泥濾餅，使井徑縮小、甚至完全堵塞環(huán)空，導致水泥漿靜壓傳遞受阻，使水泥漿靜液柱壓力不能有效作用于氣層而發(fā)生氣竄。如果地層滲透性極小或因泥餅的隔離作用，自由水滲入地層受到了限制，橋堵是難 以形成的。隨著時代的發(fā)展，氣竄影響因素越來越多，涉及材料、工藝以及物理化學因素。但此時被懸掛的水泥載荷又會反作用于地層流體以保持壓力平衡。 從以上可能的氣竄通道我們可以看出，要防止氣竄的發(fā)生，首先應該注重良好固井實踐，正確設計水泥漿、努力提高頂替效率，注重井壁形成的鉆井液濾餅質量（薄密），就可避免產(chǎn)生前面幾個通道發(fā)生氣竄，然后再在水泥環(huán)形變能力和抗壓能力以及工程工藝措施上下功夫，真正全面防氣竄，而不是從單一的角度針控制引發(fā)氣竄的某一因素。 環(huán)空氣竄通道 作業(yè)人員和服務公司對環(huán)空氣竄問題進行了眾多研究，很多問題尚未解決，主要是因為氣竄問題的復雜性，部分也是因為氣體在環(huán)空中存在著不同的竄流通道。因此，要防止環(huán)空氣竄，必需全面地認識導致固井后環(huán)空氣竄的原因和作用機理，才能在固井工程設計和固井注水泥作業(yè)時對其進行全面地掌握和控制，從而切斷環(huán)空氣竄形成的通道，有效防止環(huán)空氣竄而獲得優(yōu) 良的固井質量。由于井下情況復雜，至今對這個問題的原因分析存在著不同的看法和解釋，而對水泥漿由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)，水泥膠凝作用引起的 ―失重 ‖和氣侵沒有足夠的重視和研究。 本文主要開展 水泥漿漿體穩(wěn)定性對防竄影響的基礎研究，并輔以井下水泥環(huán)受力分析，并結合提高頂替效率為最終目的的鉆井液性能調(diào)整和隔離液使用的現(xiàn)場應用。本文的主要研究內(nèi)容 包括以下幾個方面 ： （ 1）環(huán)空氣竄機理 分析 通過廣泛 深入地 國內(nèi)外文獻調(diào)研， 熟悉氣竄研究歷程， 深刻理解導致環(huán)空氣竄發(fā)生的根本原因和氣竄發(fā)生 的 途徑， 從系統(tǒng)工程 的 角度 出發(fā)， 全面 深入地 對氣竄機理和防控方法進行論述 。 通過廣泛的國內(nèi)外文獻調(diào)研，可以得出導致氣竄的因素主要包括：頂替效率 不高（鉆井液或水泥漿竄槽、鉆井液條帶） ； 水泥環(huán) — 套管 — 地層三者協(xié)調(diào)變形能力差形成微環(huán)空； 水泥漿凝結期間因水化、膠凝和向滲透性地層失水導致環(huán)空水泥漿柱壓力下降 和 水泥孔隙壓力降低；水泥漿凝固形成水泥環(huán)后受溫度、壓力變化 和工藝措施影響以及 地層流體腐蝕導致水泥環(huán)失效。隨著水泥的水化，自由水量逐漸降低， QC600 高分子化合物的濃度不斷增大，并繼續(xù)發(fā)生 “ 聚集 ” 、 “ 交聯(lián) ” 反應，使分子量繼續(xù)增加，高分子 “ 網(wǎng)絡結構 ” 進一步變密，使流體流動阻力急劇增大。 由化工部成都有機硅研究中心和地礦部西南石油地質局井下作業(yè)大隊共同研制、郫縣化工廠試生產(chǎn)的 XA1 型固井氣竄抑制劑 [46]，采用非極性有機化合物對鋁粉進行無溶劑包封、溫控發(fā) 泡，克服了溶劑浸泡、真空干燥所存在的溶劑回收、環(huán)境污染及設備投資大一系列問題。鈍化后鋁銀粉表面上保護膜的質量是決定這類防氣竄劑在水泥漿中的發(fā)氣時間 （ 包括初發(fā)氣時間和持發(fā)氣時間 ） 的主要因素。 摻加發(fā)氣劑的水泥漿注入井內(nèi)后與水泥漿中的氫氧化鈣反應逐漸產(chǎn)生互不連通、均勻分布的微小氣泡（氫氣），受壓縮的微小氣泡產(chǎn)生膨脹壓力和 使 水泥漿體積膨脹，補償水泥漿在凝固過程中由于 “ 失重 ” 造成的壓力損失，并克服水泥漿在凝固過程中由于體積收縮而產(chǎn)生的界面微環(huán)空 ， 抵消了 部分 水泥漿失水和水泥水化引起的體積收縮，使水泥漿在水化和凝固過程中內(nèi)部壓力大于地層壓力，凝固后的水泥石與套管、井壁之間膠結良好，因而可避免氣竄的發(fā)生 [40～ 43]。 下部 速凝 段 水泥漿凝結 “ 失重 ” 后，上部水泥漿還處于液體狀態(tài)，能夠向下部地層有效傳遞靜液柱 壓力 防止地層氣體上竄。研究結果表明，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]。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。用膠凝失重氣侵數(shù)據(jù)，設計防止失重的方法，比按橋堵氣侵規(guī)律設計安全。 后來有學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，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，并用失重模擬實驗進行了檢驗 [23]。 氣竄 機理研究 長期以來為防止水泥漿 頂替到位 靜止后出現(xiàn) “ 失重 ” ，在總結了大量生產(chǎn)實踐和科學研究的基礎上，提出了許多不同的觀點和理論，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 ） 和水泥漿凝結過程中的收縮等觀點來解釋和解決 “ 失重 ”問題。 （ 6）密度差 為了減少竄槽和促使頂替時平滑流體界面的形成，水泥漿的密度應該顯著高于所頂替鉆井液的密度。 1992 年， Brady 等推薦直井固井采用紊流頂替時，泵注的隔離液量要能夠充填 ，并有最小 10 分鐘的接觸時間，大斜度井和水平井中，應增加隔離液紊流接觸時間。 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，雷諾數(shù)大于 1500 將顯著減少竄槽幾率。他們也報道了行業(yè)接受的居中度為 。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。 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 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)中采用縮短停泵時間、沖洗液和活動套管提高頂替效率。 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，頂替時能夠保證流體前緣均勻一致，并能防止粘性指進現(xiàn)象的產(chǎn)生。 1989 年， Sutton 和 Ravi 采用數(shù)學模型說明了鉆井液竄槽是水泥漿靜膠凝強度發(fā)展和井下失水共同作用的結果，并不是因為氣體侵入了未凝結水泥漿 [16]。通過實驗室模型，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。 1976 年， Garcia 和 Clark 開展了一系列試驗，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， 同時也發(fā)現(xiàn)，水泥漿處于液態(tài)時，層間氣體竄流 能夠得到控制，但水泥漿凝結以后不久就發(fā)生了氣竄 [15]。失水導致水泥漿脫水和井壁垮塌導致橋堵以及 上部 水泥漿的膠凝是導致氣竄的最后兩個因素。通常認為過平衡壓力損失時，氣竄就會發(fā)生，而過平衡壓力的損失是因為靜膠凝強度發(fā)展和失水共同作用的結果（ Carter 和 Slagle， 1972 年； Garcia 和 Clark， 1976 年； Levine 等， 1979 年； Cooke等， 1983 年 ） [16]。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時間的水泥漿。早在 1948 年， Howard 和 Clark 對提高固井質量的技術措 施進行了廣泛研究 [14]。 誠然，層間封隔不佳，必然會導致氣竄。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 實現(xiàn)層間封隔、 提高固井質量， 有必要對環(huán)空氣竄發(fā)生原因及其影響因素進行更深入、 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 。 圖 11 套管帶壓（ SCP） 的井與井齡之間的關系 [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 重要 ，直接影響油氣田安全合理開發(fā)和后續(xù) 各項施工 作業(yè)的正常進行。 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]。 美國礦產(chǎn)管理服務機構（ Mineral Management Services）提供的 氣竄 統(tǒng)計數(shù)據(jù) 見圖 11。 隨著國際原油價格的一路飆升和能源供應緊張的加劇，近年來天然氣