【正文】 表現(xiàn)在穩(wěn)定性和低析水，失水大的水泥漿， 自 由水容易聚集并形成微細(xì)通道，使水泥漿穩(wěn)定性變差，微細(xì)通道使自由水竄至頂部，形成分離的析水，這顯然是油、氣、水竄 的薄弱通道 [27]。另外，傾斜角增加，水泥漿中微粒下沉不是處在水泥漿的軸線方向，而是沿井筒垂直剖面的豎直方向上，這樣井筒上側(cè)逐漸形成連通的稀釋性渾混液體或游離水，有利于液體壓力傳遞，使?jié){柱壓力的降低變緩。使用防氣竄劑或不滲透水泥能夠彌補(bǔ)水泥 漿 凝固時(shí)液柱壓力的降低，對膠凝失重和橋堵失重都是有效的； ⑥ 當(dāng)水泥漿液柱壓力降至水柱壓力時(shí)，橋堵的抗氣侵能力比水泥膠凝 的抗氣侵能力強(qiáng)。當(dāng)作用在下部地層的有效靜液柱壓力 （ 或稱剩余壓力 ） 低于氣層壓力時(shí)，氣體將竄入環(huán)形空間。這兩家單位對水泥漿凝結(jié)過程中的氣竄機(jī)理 開展了 大量 的 研究工作， 基本 弄清了 導(dǎo)致 水泥漿 “ 失重 ” 的原因、規(guī)律和影響因素 ，得出了很多 具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的 防氣竄方法 。 1990 年， Moran 和 Linstrom 通過全尺寸試驗(yàn)的結(jié)果提供了防止加重隔離液在紊流狀態(tài)下沉降的操作指南，建立了預(yù)測防止固相沉降的流速數(shù)學(xué)關(guān)系式，只要環(huán)空流速保持 ， 就 無需考慮 井斜 60 度及以下井眼中的隔離液沉降 問題 。 隔離液的設(shè)計(jì)集中在隔離液與管柱或地層的接觸時(shí)間。 1967 年， Mclean 等的早期研究發(fā)現(xiàn)，頂替流態(tài)為紊流還是層流并不影響鉆井液頂替效率。 Lee 等 1986 年報(bào)道，扶正器設(shè)計(jì)必須適應(yīng)井眼的幾何形狀 和 尺寸 、套管尺寸和重量、扶正器類型和尺寸，套管才能獲得足夠的居中度。泵注水泥漿之前或泵注期間均可旋轉(zhuǎn)管柱。 Halliburton 公司推薦的固井前鉆井液性能如表 11 和表 12 所示。 1989 年， Sutton 和 Ravi 建立了一種實(shí)時(shí)預(yù)測水泥漿在鉆井 液濾餅上 的 失水量的方法。多數(shù)鉆井液和水泥漿均屬于非牛頓流體，其粘度是剪切應(yīng)力和剪切速率的函數(shù)。 1985 年， Cheung和 Beirute 提出了另外一種解釋氣體通過未凝結(jié)水泥漿竄流的機(jī)理，他們認(rèn)為常規(guī)的降失水劑只能作用于井壁表面，不能阻止氣體侵入水泥基體，指出應(yīng)采用聚合物或橋堵材料降低孔隙空間水泥的流動(dòng)性。同 時(shí) ， Webster 和 Eikerts 發(fā)表了一篇試圖找出水泥漿中的水分離和水泥漿漿柱靜液柱壓力損失之間關(guān)系的文章。 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(dòng)的能力 [14]。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。 2020 年，Zhou 和 Wojtanowicz 建立了一個(gè)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(gè)方面 ，對凝結(jié)水泥漿漿柱的靜壓損失進(jìn)行了描述 [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。 國外研究狀況 整個(gè)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)。 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(gè)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 。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。 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。 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(gè)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]。 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]。 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。 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 。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(dòng)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]。 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(gè)界面膠結(jié)質(zhì)量的重要性 [14]。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]。 1972 年， Carter 和 Slagle 認(rèn)識到流體密度是四個(gè)導(dǎo)致氣竄的第一因素 [16]。靜壓的降低可歸結(jié)為水相的低壓縮性。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。 Cheung 等 [14]采用氣體流動(dòng)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。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(dòng)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）。降低鉆井液的動(dòng)切應(yīng)力，可大幅度提高鉆井液頂替效率。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）?；顒?dòng)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）。套管居中差的井段，水泥漿易在鉆井液中竄槽。表 14 展示了密度 頂替效率。 （ 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。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。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。 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 。 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)。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。），水泥漿在轉(zhuǎn)化期的平均失重速率將達(dá)到最大值。 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、核輻射密度計(jì)和混濁三向流速測試儀，進(jìn)行了水泥漿頂替過程的動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)研究。 ⑤ 增加水泥漿密度和鉆井液密度，以提高水泥漿頂替到位后水泥漿和鉆井液液柱作用于氣層的壓力，從而起到防竄的作用， 這一措施僅當(dāng)?shù)貙悠屏褖毫^大且小于漿柱壓力時(shí)才可行?？刂破湓诔跄耙恍r(shí)左右孔隙逐漸膨脹，釋放能量，充分彌補(bǔ)水泥 漿 失重后的液 柱 壓力降低。 還可利用磷化法來磷化 （ 鈍化 ） 處理鋁銀粉 （ 鋁粉 ） [45]，在鋁銀粉的表面上生成一層薄而致密的磷化物保護(hù)膜。 G60 是一種高分子化合物，通過復(fù)合改性加入水泥漿的混合水內(nèi)，改變混合水的性能 ， 在不妨害水泥正常水化的前提下，控制其 “ 聚合 ” 、 “ 交聯(lián) ” 的物化反應(yīng)速度，增大其分子量，增加游離水的粘滯力，堵塞水泥內(nèi)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的空隙，以達(dá)到增強(qiáng)水泥抗氣體侵入的阻力和不滲透性能 ，使水泥漿的總阻力始終大于水泥漿不斷失重引起的地層與環(huán)空 之間的 壓力差 [49,50]。然而，這些氣竄預(yù)測方法都存在一定的局限性，沒有考慮到影響 水泥 漿靜液柱壓力降低和氣竄 的所有因素，當(dāng)然也不可能考慮到所有因素，所以未能 被現(xiàn)場實(shí)際固井作業(yè) 廣泛采用。 本文的技術(shù)路線見圖 12。 （ 5）現(xiàn)場固井作業(yè)前鉆井液性能調(diào)整和前置液的使用 在現(xiàn)場 采用 鉆井液性能調(diào)整，大幅度降低鉆井液粘度和切力，配合使用隔離液、沖洗液，提高鉆井液頂替效率，保證固井質(zhì)量。經(jīng)過多年的研究，對這個(gè)問題逐步有了認(rèn)識。固井作業(yè)的主要目的就是支撐套管，壓穩(wěn)地下油、氣、水層，實(shí)現(xiàn)有效的層間封隔，而環(huán)空氣竄直接導(dǎo)致水泥環(huán)層間封隔失敗。 二是環(huán)空要有氣體竄流的通道。 （ 3）套管 /水泥環(huán)界面：即固井第一界面，通過一界面氣竄的原因有 ① 套管壁清洗不干凈，殘留鉆井液或油膜，因?yàn)殂@井液中的高分子聚合物以及其它有機(jī)成分（如瀝青、油膜）吸附在套管壁上形成一層吸附層，從而妨礙了水泥漿與套管的有效膠結(jié)，降低了第一界面的剪切膠結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)容易形成微環(huán)隙 [23]； ② 套管本體、套管接箍、回接筒插入座以及懸掛器受地層酸性氣體（ H2S、 CO2）腐蝕，形成氣竄通道； ③ 固井作業(yè)時(shí)鉆井液或水泥漿竄槽引起竄流； ④ 界面膠結(jié)在后續(xù)生產(chǎn)過程中遭到破壞而引發(fā)的環(huán)空竄流。此外，注水泥時(shí)鉆井液或 水泥漿竄槽、地層或套管表面油濕等因素也會導(dǎo)致短期氣竄的發(fā)生。 水泥漿水化體積收縮導(dǎo)致孔隙體積損失，漿柱通過內(nèi)部固液相對運(yùn)動(dòng)發(fā)生變形和上覆壓力作用向下移動(dòng)、或者上覆壓 力通過結(jié)構(gòu)孔隙水傳壓并使之向下運(yùn)移，以補(bǔ)償這種損失；但膠凝阻礙水泥漿柱的變形、移動(dòng)和孔隙水的運(yùn)移，當(dāng)這種阻礙使孔隙體積損失得不到完全補(bǔ)償時(shí)，水泥漿孔隙壓力將逐漸降低。17(1):39~44. 在井下溫度和壓差作用下，水泥漿內(nèi)的過量自由水，不斷滲入滲透性較好的地層，環(huán)形空間形成橋堵。如水泥漿與橋塞無膠凝特性，水泥的收縮只是使水泥柱縮短，而不會造成橋塞下面地層液柱壓力的降低，因此橋堵是水泥漿失重的必要條件，水泥漿的膠凝和收縮則是橋堵失重的主要因素。 注水泥頂替過程中，由于水泥餅厚度的限制，橋塞的形成是很困難的 [劉崇建 ,梅國萍 ,郭小陽 . 控制水泥漿失水性能的新認(rèn)識 .天然氣工業(yè) ,1995,15(5):3641]。水泥漿膠凝期間，水泥漿向滲透性地層失水。橋堵的形成不僅取決于水泥漿的失水量，而且取決于水泥餅自身及其泥餅的支撐力，即水泥餅是否能不斷地附著在附近的水泥餅上 [劉崇建 ,梅國萍 ,郭小陽 . 控制水泥漿失水性能的新認(rèn)識 .天然氣工業(yè) ,1995,15(5):3641]。在滲透性好的地層，只要有內(nèi)泥餅和外泥餅的空隙較小的井眼 ，合理地控制水泥漿失水量，對防止橋堵的產(chǎn)生是有好處的。橋堵的形成導(dǎo)致以下問題： （ 1）在注水泥過程形成橋堵，將會造成注替過程泵壓急劇增高或打?qū)嵭奶坠艿奈ｋU(xiǎn)； （ 2）在注水泥漿候凝期間形成橋堵，將造成其上部液柱壓力不能傳遞到橋堵下面的地層，從而引起下部地層失重和油、氣、水竄問題。這種收縮是由于水泥顆粒水化、消耗孔隙水 、并且水化物體積小于初始反應(yīng)物體積而產(chǎn)生的 ,它使原來被水相充滿的孔隙出現(xiàn) ―空隙 ‖。 道威爾公司采用圖示方法分解氣竄原因與竄槽形式的關(guān)系，見圖 2。目前國內(nèi)外高溫高壓酸性氣田開發(fā)，多使用防硫金屬密封套管，同時(shí)使用套管絲扣粘接劑保證套管在完井高壓時(shí)的密封性能，但是金屬密封是依靠面面密封，一旦密封面因某種原因出現(xiàn)缺陷，在井下也就不可避免地會形成氣竄通道。 [張興國發(fā)表文章 ]氣侵動(dòng)力 [焦勇文章 ] [Getting to the root of gas migration] 國內(nèi)外大量研究和現(xiàn)場實(shí)踐均證明，氣竄主要發(fā)生在水泥漿頂替到位后凝固的過程中 [9]，但是隨著對環(huán)空氣竄機(jī)理認(rèn)識的更加深入和全面，人們也意識到了固井后的諸多工程工藝措施也會使本來未發(fā)生氣竄的井發(fā)生氣竄，諸如套管試壓因壓力突變致使套管變形，而地層、水泥 環(huán)以及套管三者不能同時(shí)協(xié)調(diào)變形，不可避免地會產(chǎn)生微環(huán)隙，從而形成難以愈合的氣竄通道。 環(huán)空氣竄發(fā)生的條件 環(huán)空氣竄是由一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)作用所導(dǎo)致，其影響因素多