【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(yīng)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(chǔ)，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(xué)模型。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。 1978 年， Martin 等假設(shè)鉆井液和水泥漿均不混相，建立了一個數(shù)學(xué)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(xué)院和中國石油天然 氣總公司工程技術(shù)研究院為主。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)用價值的 防氣竄方法 。 氣竄 機(jī)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(shí)踐和科學(xué)研究的基礎(chǔ)上，提出了許多不同的觀點(diǎn)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(diǎn)來解釋和解決 “ 失重 ”問題。 西南石油學(xué)院與大港油田完井大隊(duì)于 1976 年 3～ 7 月和 1977 年 6～ 9 月初步進(jìn)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(yàn)工作 [20]，先后在四套試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了 80 次地面氣侵模擬試驗(yàn)，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(yùn)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(jìn)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(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 孔隙流動阻力 之和大于 氣層壓力。采用充氣水泥漿可以達(dá)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(yùn)移阻力 [21]。 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 。 膠凝 “ 失重 ” 主要與溫度有關(guān)， 與壓力無明顯關(guān)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(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，氣體將竄入環(huán)形空間。 后來有學(xué)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)進(jìn)行了檢驗(yàn) [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(bǔ)償，水泥漿孔隙壓力就會降低，由此導(dǎo)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(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。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(bǔ)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(dāng)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(qiáng)。用膠凝失重氣侵?jǐn)?shù)據(jù)，設(shè)計(jì)防止失重的方法，比按橋堵氣侵規(guī)律設(shè)計(jì)安全。 自 1992 年以來，西南石油學(xué)院承擔(dān)了 “ 八五 ” 國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)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(shù) ” 中的子課題 “ 零析水水泥漿技術(shù)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(chǔ)上開展了大量工作 [25]。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。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(jìn)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(xué)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(dǎo)致沉降失重的觀點(diǎn)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(dǎo)致沉降 —膠凝失重的觀點(diǎn)。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。~60176。），水泥漿在轉(zhuǎn)化期的平均失重速率將達(dá)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(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。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(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]。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(xué)者 [29]從水泥漿失重現(xiàn)象的力學(xué)本質(zhì)出發(fā)，對環(huán)空中的水泥漿進(jìn)行了受力分析，建立了水泥漿失重的力學(xué)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(guān)。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，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(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態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)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(dāng)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(qiáng)度時，上部水泥漿才開始初凝，可有效解決水泥漿 “ 失重 ” 導(dǎo)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(dá)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(dāng)?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(bǔ)水泥水化體積收縮來達(dá)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(xué)院研制的 KQ系列，大慶油田的 DG29，勝利油田和鄭州大學(xué)研制的 ZG2，清華大學(xué)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(shù)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(xué)院研制的 SEP1，發(fā)氣劑和非滲透劑對彌補(bǔ)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(qiáng) 的防氣竄效果，在國內(nèi)已獲得廣泛應(yīng)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(yīng)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(bǔ)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(qiáng)劑等經(jīng)適當(dāng)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(xué)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(xué)反應(yīng)，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(bǔ)償部分的液柱壓力降低?？刂破湓诔跄耙恍r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。緩蝕劑具有控制發(fā)氣時間和發(fā)氣速度的作用，增 強(qiáng)劑則是用來提高水泥石強(qiáng)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(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]。 生產(chǎn)這類防氣竄劑的技術(shù)關(guān)鍵是 鋁粉 的鈍化處理。鈍化后鋁銀粉表面上保護(hù)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(yīng)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(yīng)，在鋁銀粉的表面上生成一層氧化鋁保護(hù)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(hù)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(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用表明，將 CX18 加到水泥漿中不僅