【正文】 或游離水，有利于液體壓力傳遞，使?jié){柱壓力的降低變緩。 ② 采用多個凝結時間的水泥漿， 使 水泥漿從下到上逐漸凝固。 生產這類防氣竄劑的技術關鍵是 鋁粉 的鈍化處理。 QC600 是一種高分子化合物，作用機理與 G60 類似，加入 QC600 后水泥漿在滲透層表面形成 “ 致密 ” 的薄膜，可以有效地防止濾失，使水泥漿具有良好的降濾失性能；水泥漿在 “ 過渡態(tài) ” 時，水泥顆粒逐漸形成 “ 網架結構 ” ， “ 網架結構 ” 中的自由水，由于加入了 QC600，形成高分子自身的另一種 “ 網絡結構 ” ，從而增加了自由水的流動阻力 [52]。 水泥漿漿體穩(wěn)定性 與 水泥漿靜液柱壓力損失和孔隙壓力下降有很大關系，而鉆井液性能調整和隔離液使用對提高頂替效率意義重大，因此本文的室內 研究主要針對 不同溫度下水泥漿漿體穩(wěn)定性、失水、析水對水泥漿靜膠凝強度發(fā)展、初終凝時間 、宏觀體積收縮 和稠化時間的影響，鉆井液濾餅對水泥漿失水的影響， 結合井下水泥環(huán) 力學分析 ， 并開展鉆井液性能調整和隔離液使用的現(xiàn)場應用， 以 期 能夠 在 氣竄研究 方面有所進展 。以后，經過大處生產實踐和實驗室的研究，發(fā)現(xiàn)油、氣、水竄和井口冒油冒氣，主要是由于水泥漿在凝結的過程中 (即使水泥漿完全充滿環(huán)形空間 )，井筒里的漿柱 (泥漿柱和水泥漿柱 )的靜水壓力，逐漸下降到低于油、氣、水層的壓力，油、 氣、水就侵入環(huán)形空間形成了竄漏和井口國油冒氣。環(huán)空發(fā)生氣竄必須具備兩個先決條件： （ 1）地下氣層的天然氣要能夠進入固井后套管與井壁之間的環(huán)形空間； （ 2）天然氣進入環(huán)形空間后，環(huán)空必須存在氣竄通道，才有可能發(fā)生不同類型和嚴重程度不同的氣竄。 環(huán)空氣竄原因及形成 過量的自由水 高失水 泥漿性能差及 頂替不完善 水泥水化 作 用 高失水 膠凝強度增 大 界 面 圖 2 環(huán)空氣竄原因及形式 [鉆井甲方手冊 ] 水泥漿氣侵是一個動態(tài)過程，靜止水泥漿一旦形成結構，就會產生失重，如不喪失流體特性，當其有效壓力低于地層流體壓力時，地層流體就有進 入水泥基本的趨勢。 造成水泥漿失重，除水泥漿自身失水性能外，地層的滲透性是很重要的因素。 （ 2） ―水泥漿膠凝失重 ‖理論 [4, 13～ 16]。上述三個方面均會導致環(huán)空產生 ―橋堵 ‖，致使橋堵段上部水泥漿液柱壓力不能有效傳遞至橋堵段下部地層，降低了對下部地層的有效壓力，從而發(fā)生氣竄。 [6]劉崇建 ,張玉隆 ,郭小陽 .水泥漿橋堵引起的失重和氣侵研究 [J].天然氣工業(yè) , 1997。 Halliburton 公司也證實存在兩種基本氣竄模型：短期氣竄和長期氣竄，短期氣竄發(fā)生在在水泥漿凝結之前，而長期氣竄發(fā)生在水泥漿凝結之后 [10]。另一條途徑就是管柱不密封，如：圓扣套管其緊扣扭矩沒有達到絲扣密封的最小扭矩值，或者回接固井中回接 筒處不密封，當測試或采氣時管內氣體從絲扣處或回接筒處竄入環(huán)空。它影響了油井的完成和油、氣田開發(fā)，損失 了大量的油、氣資源。 因此本文重點 考察鉆井液濾餅對水泥漿失水的影響， 系統(tǒng)研究 水泥漿穩(wěn)定性和溫度對水泥孔隙壓力下降和靜膠凝強度發(fā)展以及體積收縮的影響，并建立力學模型分析井下高溫高壓條件下水泥石的力學性能， 力爭 通過這幾個方面的深入研究 最終為天然氣井固井水泥漿體系設計及防氣竄工程工藝技術措施提供科學合理的參考依據，據此提出天然氣井固井防氣竄技術綜合指導思想。 中國石油天然氣總公司工程技術 研究院研制和生產 了 G60和 G69不滲透防氣竄系列水泥添加劑，在渤海油田 、 中原 油田 、塔里木 油田 、大港 油田、長慶油田 等油田 廣為 應用 ，均收到了良好的效果 [48]。水泥漿的 pH 值 12～ 13，在井下溫度和壓力下，加速了化學反應，產生的氫氣均勻地分布在水泥漿中 （ 簡稱充氣水泥漿 ） ，借助水泥漿水化膠凝，界壁形成的阻力和水泥漿內的孔隙阻力或橋堵造成的阻力壓縮氣體儲集能量，補償部分的液柱壓力降低。時失重速率最大。零析水水泥漿的失重與氣侵主要是膠凝懸掛引起的，而非零析水水 泥漿的失重與氣侵，除了膠凝懸掛外，井壁上側形成的自由水槽卻是另一個重要因素。采用充氣水泥漿可以達到這一目的，既能保持水泥的高孔隙壓力，又能提高水泥的孔隙運移阻力 [21]。 沖洗液通常是不加重的，是為了能夠在頂替時達到紊流增加頂替效率。普遍認為紊流是提高頂替效率最有效的手段，但 是紊流頂替可能導致井壁垮塌。） YP（ Pa）（ 22℃ ） 45 65 80 90 （ 2）活動管柱 活動管柱是僅次于調整鉆井液性能提高頂替效率的因素。 1967 年， McLean 等以鉆井液動切應力和井眼幾何參數(shù)為基礎，引入了臨界屈服強度的概念。 1982 年， Sabins 等發(fā)表了另外兩篇當時詳細描述固井后引起氣竄的最新理論，他們再次指出，固井后氣竄的主要原因是水泥漿凝結過程中的不可壓縮性 [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自由水孔隙壓力的降低。水泥添加劑可分為 ① 密度控制； ② 凝結時間控制； ③ 防漏； ④ 失水控制； ⑤ 粘度控制； ⑥ 處理復雜問題的特殊添加劑（ 1986 年， Burgoyne 等） 幾種類型 [16]。 從上世紀 50 年代開始，人們就致力于提高固井質量的研究，研究成果在現(xiàn)場也 得到 了廣泛的應用， 在現(xiàn)場和 實 驗室得出了很多具有很強指導意 義的技術措施。 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 越來越復雜，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1） 所鉆井越來越深，井身結構趨于復雜，井身結構的局限性導致固井質量難以提高 ； （ 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、稠化時間調控困難），環(huán)空漿柱結構設計難度加大，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，導致鉆井作業(yè)時井眼質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。 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]。固井作業(yè)的主要目的是在整個油氣井正常生產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 。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]。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]。 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]。 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]。 1991 年， Beirute 等討論了鉆井液性能調整對固井作業(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。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。 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。 （ 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。 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生的，并用失重模擬實驗進行了檢驗 [23]。兩種相反作用造成了井斜角對水泥漿壓降的影響，并不是單調的減慢。 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。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。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 “ 網絡結構 ” 進一步變密，使流體流動阻力急劇增大。本文的主要研究內容 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 國內外文獻調研， 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 。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。 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。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。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。 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。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。 （ 1） ―橋堵 ‖理論 [3,4,11,12]。 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]。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. 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、外還沒有解決的固井質量的主要問題。 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。 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]。作為發(fā)氣材料的金屬鋁（ Al）的化學性能很活潑，與酸、堿作用都會產生氫氣。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。證實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、井徑及井身結構等因素的影響。這些實驗結果證明了水泥漿失重并 不一定必然導致氣侵，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 孔隙流動阻力 之