【文章內(nèi)容簡介】 需考慮 井斜 60 度及以下井眼中的隔離液沉降 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。 1967 年， McLean 等發(fā)現(xiàn)鉆井液密度低于頂替液密度時，重力或浮力有助于破壞膠凝鉆井液的結(jié)構(gòu)。鉆井液密度大于頂替液密度時，重力 作用就會引起頂替不均。 1977 年， Beirute 和 Flumerfelt 以槽流為基礎，建立了描述層流條件下水泥漿和鉆井液混相驅(qū)替的數(shù)學模型。減小屈服應力差、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。 1978 年， Martin 等假設鉆井液和水泥漿均不混相，建立了一個數(shù)學模型，表明提高套管居中度、降低鉆井液觸變性以及增加鉆井液和水泥漿的密度粘度差 均 可獲得很好的鉆井液頂替效率。 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， 尤以西南石油學院和中國石油天然 氣總公司工程技術研究院為主。這兩家單位對水泥漿凝結(jié)過程中的氣竄機理 開展了 大量 的 研究工作， 基本 弄清了 導致 水泥漿 “ 失重 ” 的原因、規(guī)律和影響因素 ，得出了很多 具有實際應用價值的 防氣竄方法 。 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(jié)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(jié)過程中的收縮等觀點來解釋和解決 “ 失重 ”問題。 西南石油學院與大港油田完井大隊于 1976 年 3～ 7 月和 1977 年 6～ 9 月初步進行了75℃ 下 油井水泥失重、氣侵、雙凝注水泥及井口憋回壓等靜態(tài)固井模擬試驗工作 [20]，先后在四套試驗裝置上進行了 80 次地面氣侵模擬試驗，對水泥漿失重和氣侵問題得出 了幾種 基本看法： ① 水泥漿注入井眼環(huán)形空間靜止后立即發(fā)生 失重 ，環(huán)形空間大者失重慢，小者失重快； ② 同一性能的水泥漿溫度高時失重快； ③ 水泥漿在凝固時內(nèi)部過剩自由水的運移會形成縱向水槽和橫向水帶，這些水槽很可能成為氣侵通道； ④ 隨水泥漿凝固的進行，它的傳壓率逐漸下降，在同一時間內(nèi)，大管徑內(nèi)的傳壓率的下降值比小管徑內(nèi)少。這些實驗結(jié)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 之和大于 氣層壓力。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]。 西南石油學院 隨后在高溫高壓條件 [22]，對水泥漿柱 因水泥膠凝引起 “ 失重 ” 和氣侵開展了實驗 研究 ， 證實了水泥膠凝引起的 “ 失重 ” 和氣侵是嚴重的，而 膠凝 “ 失重 ” 可通過實驗和數(shù)學分析后 定量計算 。 膠凝 “ 失重 ” 主要與溫度有關， 與壓力無明顯關系。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 ” ） 。當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，氣體將竄入環(huán)形空間。 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]。結(jié)果表明： ① 如果膠 凝使水泥漿的水化孔隙體積損失得不到完全補償，水泥漿孔隙壓力就會降低，由此導致 HG 失重； ② HG 失重主要發(fā)生在轉(zhuǎn)化期以后，可使水泥漿孔隙壓力大大降低， 這 是早期氣竄的直接誘因。 西南石油學院對橋堵的形成及水泥漿失重的原因也進行了研究 [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。在無泥餅的情況下，失水量、壓差是主要因素，溫度是次要因素；在有泥餅的情況下，溫度卻是主要因素，失水量、壓差為次要因素。 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)。水泥漿膠凝引起的失重，無論什么條件都存在； ④ 橋堵本身能阻止氣體竄至井口，但橋堵段下部地層液柱壓力的降低，卻使其下部壓力體系不相同的油、氣、水層相互竄流。加封隔器注水泥是人為的橋堵，它會帶來同樣的危害； 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。使用防氣竄劑或不滲透水泥能夠彌補水泥 漿 凝固時液柱壓力的降低，對膠凝失重和橋堵失重都是有效的； ⑥ 當水泥漿液柱壓力降至水柱壓力時，橋堵的抗氣侵能力比水泥膠凝 的抗氣侵能力強。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。 自 1992 年以來，西南石油學院承擔了 “ 八五 ” 國家重點科技攻關項目 “ 新疆克拉瑪依油 田 石炭、二疊系火山裂縫性油藏水平井完井技術 ” 中的子課題 “ 零析水水泥漿技術研究 ” ， 在國外對大斜度及水平井內(nèi)水泥漿的 “ 失重 ” 和氣侵研究的基礎上開展了大量工作 [25]。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(jié)構(gòu)等因素的影響。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(cè)形成的自由水槽卻是另一個重要因素。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。進行測量。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。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。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。 有學者通過研究指出 [26]，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，提出了無濾失情況下轉(zhuǎn)化期水泥漿中的固相沉積到井 壁導致沉降失重的觀點和固相結(jié)構(gòu)在沉降中隨著靜切力的增長懸掛于井 壁導致沉降 —膠凝失重的觀點。從上述兩種失重觀點出發(fā)，并以典型失重模擬實驗為基礎，分析了水泥漿在不同井斜的失重機理和規(guī)律，進一步證實了兩種失重觀點的正確性，得出幾點結(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?。粚?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。~60176。），水泥漿在轉(zhuǎn)化期的平均失重速率將達到最大值。此時水泥漿有最大析水率，氣竄也最容易發(fā)生。 近年來 通過水泥漿失重實驗發(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。水泥漿漿體的防氣竄能力主要表現(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通道，使水泥漿穩(wěn)定性變差，微細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]。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]。 有學者 [29]從水泥漿失重現(xiàn)象的力學本質(zhì)出發(fā)，對環(huán)空中的水泥漿進行了受力分析，建立了水泥漿失重的力學模型，得出水泥漿的失重速率主要與水泥漿接觸的環(huán)空壁面面積以及水泥漿膠凝速度有關。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。時失重速率最大。 防氣竄方法研究 和添加劑 （ 1） 提高鉆井液頂替效率方面 [30]：西南石油學院利用研制的激光測速儀、核輻射密度計和混濁三向流速測試儀，進行了水泥漿頂替過程的動態(tài)模擬實驗研究。研究表明，提高套管居中度、活動套管、使用旋流扶正器、調(diào)節(jié)水泥漿和鉆井液的流變性、紊流頂替、合理使用隔離液和沖洗液、控制紊流接觸時間不小于 8～ 10min 等是提高 注水泥頂替效率的主要措施。 （ 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，可適當減少水泥漿柱的高度，以減少水泥漿失重對氣竄的影響。 ② 采用多個凝結(jié)時間的水泥漿， 使 水泥漿從下到上逐漸凝固。 下部 速凝 段 水泥漿凝結(jié) “ 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。待下部水泥漿凝固并具有足夠的強度時，上部水泥漿才開始初凝，可有效解決水泥漿 “ 失重 ” 導致的氣竄問題。 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。 ④ 環(huán)空加回壓：在注水泥作業(yè)結(jié)束后，通過在環(huán)空加一定的壓力（現(xiàn)場加壓值一般為 1～ 2MPa），保證環(huán)空中的液柱壓力大于氣層壓力，達到防氣竄的目的 。 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?shù)貙悠屏褖毫^大且小于漿柱壓力時才可行。 ⑥ 采用可壓縮水泥漿：可壓縮水泥漿即是充氣水泥漿，是依靠增加水泥漿孔隙壓力和彌補水泥水化體積收縮來達到防氣竄的目的。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）防氣竄水泥添加劑 國內(nèi)有三種類型的防氣竄劑，一種是發(fā)氣型防氣竄劑，如西南石油學院研制的 KQ系列，大慶油田的 DG29，勝利油田和鄭州大學研制的 ZG2，清華大學研制的 GJ625等產(chǎn)品；另一種是不滲透型防氣竄劑，如工程技術研究院研制的 G60、 G69；第三種是膨脹型防氣竄劑，如西南石油學院研制的 SEP1，發(fā)氣劑和非滲透劑對彌補水泥漿液柱壓力損失和增加水泥孔隙壓力非常有效，具有較強 的防氣竄效果，在國內(nèi)已獲得廣泛應用 [30,38～ 40]。 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(jié)良好，因而可避免氣竄的發(fā)生 [40～ 43]。 KQA 氣竄控制劑主要由金屬鋁 粉、緩蝕劑、增強劑等經(jīng)適當加工后制成，能人為控制溫度、壓力、初發(fā)時間、發(fā)氣量等發(fā)氣條件。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。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(chǎn)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(nèi)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。控制其在初凝之前一小時左右孔隙逐漸膨脹，釋放能量，充分彌補水泥 漿 失重后的液 柱 壓力降低。緩蝕劑具有控制發(fā)氣時間和發(fā)氣速度的作用，增 強劑則是用來提高水泥石強度 [41]。 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 口氣井固井實踐證實，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]。 生產(chǎn)這類防氣竄劑的技術關鍵是 鋁粉 的鈍化處理。鈍化后鋁銀粉表面上保護膜的質(zhì)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。在固較深的油氣井時，要求防氣竄劑的發(fā) 氣時間為 1～ 3h。 其反應過程為：2A1+Ca(OH)2+2H2O→ Ca(AlO2)2+3H2↑。 通常鈍化鋁銀粉的方法是利用氧化劑 （ 如高錳酸鉀 ） 與鋁銀粉發(fā)生氧化還原反應，在鋁銀粉的表面上生成一層氧化鋁保護膜 [44]。 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膜。 CX18 防氣竄劑的主要成分是磷化處理后的鋁銀粉，它在水泥漿中不僅發(fā)氣量較大，加量為水泥的 %時，水泥漿的最大膨脹率為 8%，且發(fā)氣時間較長，在 50～ 70℃ 時，初發(fā)氣時間為 45～ 27min，持發(fā)氣時間為 115～ 169min，可滿足中深井固井施工要求。室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應用表明，將 CX18 加到水泥漿中不僅