【文章內(nèi)容簡介】 控制隔離層而引起的；二是由于地層未膠結(jié)（或膠結(jié)較差）或者膠結(jié)層損壞（固井質(zhì)量差）引起的。任何受壓的地層都可能引起持續(xù)環(huán)空壓力，包括含氣層、含水層、淺層氣區(qū)域、淺層水區(qū)域或者是由于生物起因。 環(huán)空帶壓是指井口環(huán)空壓力表非正常啟壓。如果該壓力在經(jīng)井口放噴閥門放噴后 , 關(guān)閉套管環(huán)空放噴閥門壓力又重新上 升到一定的程度 , 這種情況國際上通常稱作環(huán)空帶壓 ( sustained casing pressure)。根據(jù)環(huán)空帶壓引起的原因可以將其分為 : 作業(yè)施加的環(huán)空壓力 , 受溫度、壓力變化使環(huán)空和流體膨脹引起的環(huán)空壓力以及由于油氣從地層經(jīng)水泥封固井段和環(huán)空液柱向上竄流引起的環(huán)空壓力。作業(yè)施加的環(huán)空壓力和受溫度變化使環(huán)空流體膨脹引起的環(huán)空壓力在井口泄壓后可以消除 , 但是氣竄引起的環(huán)空帶壓在井口泄壓后有可能會繼續(xù)存在并形成環(huán)空帶壓。環(huán)空密封部分失效導(dǎo)致油氣從地層經(jīng)水泥封固井段和環(huán)空液柱向上竄流是形成環(huán)空帶壓的主要原因 。當(dāng)產(chǎn)生壓力的來源是生產(chǎn)層或有能力產(chǎn)生油氣的地層時 , 它的危險性比非生產(chǎn)層引起的壓力要高得多。原因是由于生產(chǎn)層的壓力相對比較高 , 并且生產(chǎn)層比其他高壓或低壓地層有更持續(xù)的流動能力。 溫度壓力變化引起的環(huán)空帶壓情況 溫度變化會引起井內(nèi)流體熱脹冷縮（溫度效應(yīng)），導(dǎo)致環(huán)空帶壓。油氣開采過程中井筒溫度升高，但升高的幅度受油氣產(chǎn)量的影響較大。對于高壓高產(chǎn)氣井來說，井筒溫度升高幅度較大。所有的氣井在最初進行開采過程時都會發(fā)生溫度效應(yīng)引起的環(huán)空帶壓現(xiàn)象。長期關(guān)井后的突然恢復(fù)正常生產(chǎn)，或者開采過程中的突然關(guān)井，會引起井筒溫 度發(fā)生較大的波動，從而導(dǎo)致環(huán)空帶壓值發(fā)生比較明顯的變化。同時，關(guān)井前后的壓力差引起環(huán)空管柱的鼓脹效應(yīng)也會導(dǎo)致環(huán)空帶壓。 井下作業(yè)施加的壓力 對氣井進行各種作業(yè)施工（包括氣舉，熱采管理，幫助監(jiān)測環(huán)空壓力或其他的目的），可能會對套管環(huán)空施加壓力。 環(huán)空氣竄引起的環(huán)空帶壓 環(huán)空帶壓通常是由于井的某一部分發(fā)生泄漏使得流體穿過井內(nèi)控制隔離層流動而造成的，例如：油管連接處漏失，封隔器漏失等，或者由于沒有封固地層（或者封固質(zhì)量差）或者封固層被破壞。環(huán)空帶壓也有可能是由受壓地層造成的，包括承壓的西南石油大學(xué)專科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 含油氣的地層、承壓的水層、淺 層氣地層、淺水層或古生物。 “ A”環(huán)空的環(huán)空帶壓 “ A”環(huán)空內(nèi)的環(huán)空帶壓通常是由生產(chǎn)層的生產(chǎn)管柱漏失造成的，漏失會使流體從油管柱內(nèi)流向“ A”環(huán)空。“ A”環(huán)空內(nèi)的環(huán)空帶壓也有可能是由生產(chǎn)套管漏失造成的，盡管這種情況不是很常見 其它環(huán)空的環(huán)空帶壓 如果外部環(huán)空密封失效與地層（包括承壓油氣層，淺水層，淺層氣層等）間發(fā)生竄流，有可能會造成外部環(huán)空內(nèi)的環(huán)空帶壓。 近年來國內(nèi)盡管做了許多工作 , 但是固井后環(huán)空帶壓問題仍然較為突出。環(huán)空帶壓原因主要有 : 。 2. 油管、套管 及其附件 (如封隔器、滑套等 )密封失效。 針對部分油氣井環(huán)空帶壓的現(xiàn)狀 , 調(diào)研了國內(nèi)外油氣井環(huán)空帶壓的大小及分布 , 發(fā)現(xiàn)大約有 50% 環(huán)空帶壓是發(fā)生在生產(chǎn)套管和油管間的環(huán)空。為此 , 研究了造成環(huán)空帶壓的原因 , 認為作業(yè)施加的環(huán)空壓力 , 受溫度、壓力變化使環(huán)空和流體膨脹引起的環(huán)空壓力以及由于油氣從地層經(jīng)水泥封固井段和環(huán)空液柱向上竄流引起的環(huán)空壓力 , 是造成環(huán)空帶壓的主要原因。 環(huán)空帶壓對氣井固井的特殊性 在石油和天然氣井所鉆地層和套管的環(huán)形空間注水泥，其主要作用是防止在所鉆各地 層之間出現(xiàn)流體竄流，并保證長期層間封隔，在整個油氣井生產(chǎn)期間及報廢之后都能實現(xiàn)有效的層間封隔。有的井，特別是天然氣井，即使注水泥時鉆井液頂替良好，并且水泥石在初期也起到了封隔作用，因井內(nèi)條件變化產(chǎn)生的應(yīng)力足夠破壞水泥環(huán)的完整性時，其結(jié)果將導(dǎo)致層間封隔失效，這可由后期天然氣層問竄流、環(huán)空帶壓或更壞的套管擠毀實例給予證實。例如，墨西哥灣的 OCS 地區(qū)，國內(nèi)四川的高含 H： S 氣田、塔里木的克拉及迪那高壓氣田等。 自天然氣開發(fā)以來，環(huán)空帶壓或井口竄氣問題就一直困擾固井技術(shù)人員與作業(yè)商。環(huán)空帶壓或井下層間竄流會嚴(yán)重影響氣 井的產(chǎn)量，降低采收率，對氣田開發(fā)后續(xù)作業(yè)如酸化壓裂和分層開采等造成不利影響。環(huán)空帶壓或?qū)訂柛Z流不突出時，會增加氣井持續(xù)環(huán)空壓力機理及安全評價研究 11 壓力監(jiān)測與井口放壓的成本；嚴(yán)重時需要關(guān)井，有時會導(dǎo)致整口井甚至整個井組報廢。從環(huán)境保護和安全的角度考慮，作業(yè)商經(jīng)常要通過關(guān)井或修井來解決該問題，所造成的關(guān)井停產(chǎn)損失或修井費用相當(dāng)巨大。補救環(huán)空帶壓或?qū)娱g竄流的方法，或者是采用常規(guī)高成本的修井作業(yè)，或采用苛刻的擠水泥、擠注凝膠作業(yè)，或采用其他有效的補救方式。目前常規(guī)的補救方法如修井或擠水泥現(xiàn)場實施難度大，成功率低，成本高。如果水泥漿的防竄能力差或固井時 頂替效率效果差，或由于地層應(yīng)力、溫度和壓力變化以及一些隨時問推移引起的其他原因等，導(dǎo)致水泥環(huán)密封性發(fā)生失效，隨著開發(fā)時間的延長，就會發(fā)生環(huán)空帶壓、井口竄氣或?qū)娱g竄流問題。由于天然氣分子小、比重低、穿透能力強、活躍性大，所以天然氣井更容易發(fā)生上述問題。 氣井固井后環(huán)空帶壓的規(guī)律 1）準(zhǔn)確確定氣源位置難度大 盡管在地面很容易發(fā)現(xiàn)氣井環(huán)空壓力異常，但是導(dǎo)致環(huán)空帶壓的氣源卻不容易確定。環(huán)空氣的氣源町能來自產(chǎn)層，也有可能來自非目的層。非目的層氣層可能是導(dǎo)管、表層套管技術(shù)套管后的過路氣層。由于氣源確定難度大， 采取有針對性的補救措施難度也大。 2）環(huán)空帶壓的壓力差別大 天然氣井環(huán)空帶壓時，根據(jù)每口井儲層壓力與氣體竄流通道的不同，環(huán)空帶壓值也有很大差別。帶壓程度輕時環(huán)空壓力接近大氣壓，高的時候接近儲層的壓力。井口釋放氣體的體積少的時候基本接近零，多的時候一天接近 1000m3。通過井口進行壓力釋放，環(huán)空壓力能降至零，當(dāng)重新關(guān)閉環(huán)空時，隨著時間的延長，壓力又會升至原來的值。 3）氣井開采時間越長，環(huán)空帶壓的概率也越大 環(huán)空帶壓存在于井固井后的任何時期，環(huán)空帶壓與井的壽命緊密相關(guān)，開采時間越長越易帶壓。據(jù)墨兩哥灣 0cs地區(qū)的統(tǒng)計，開采 15年的井地面能測量出環(huán)空帶壓 (一層或幾層套管帶壓 )的概率占到總井?dāng)?shù)的大約 50％。 環(huán)空帶壓或井口竄氣的原因分析 國外天然氣開發(fā)時間長，環(huán)空帶壓問題暴露早，通過對不同地區(qū)及不同井的綜合分析，為環(huán)空帶壓的原因主要有以下 5 個方面：油管和套管泄漏，固井時頂替效率低，西南石油大學(xué)?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文） 12 水泥漿體系選擇或配方設(shè)計不合理，固井后由于地層應(yīng)力、溫度和壓力變化以及一些隨時間推移引起的其他原因?qū)е滤喹h(huán)封隔失效，地層流體 腐蝕造成的層間竄通。 1）油管和套管泄漏 生產(chǎn)油管的泄漏會導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)空帶壓問題。封隔器密封失效或內(nèi)管柱螺紋連接差、管體腐蝕、熱應(yīng)力破裂或機械斷裂都會產(chǎn)生氣體泄漏。生產(chǎn)套管是用來防止油管氣體泄漏的，如果由于泄漏氣體產(chǎn)生的壓力使生產(chǎn)套管密封失效，會造成很大風(fēng)險。外管柱受壓，會導(dǎo)致井口竄氣或?qū)娱g竄流，會對人身、井口設(shè)備及環(huán)境造成很大的危險。 2）頂替效率差 提高頂替效率是保證層間封隔和防止環(huán)窄帶壓問題的一項重要措施。固井的主要目的就是要對套管外環(huán)空進行永久性封固，為滿足這一要求，就必須徹底驅(qū)替環(huán)空內(nèi)的鉆井液，使 環(huán)空充滿水泥漿。如果驅(qū)替鉆井液不徹底，就會在封同的產(chǎn)層間形成連續(xù)的竄槽，從而使層與層之間竄通，影響封固質(zhì)量。水泥膠結(jié)和密封的持久性也與頂替效率有關(guān)，防止環(huán)空帶壓的第一步就是要提高固井時的頂替效率。國外研究表明，一般來說頂替效率達到 90％時固井質(zhì)量良好；頂替效率達到 95％時，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。 3）水泥漿設(shè)計不合理 水泥漿設(shè)計不合理主要表現(xiàn)在以下幾個方面：水泥漿失水量高；漿體穩(wěn)定性差，自由水量高；水泥石體積收縮大；設(shè)計水泥漿時只考慮其性能滿足施工要求，未考慮水泥石 (如楊氏模量、泊松比等 )的力學(xué)性能由于井下溫度、壓 力、應(yīng)力變化能否滿足長期封隔的需要。一般來說，如果水泥石的楊氏模量大于巖石的楊氏模量，套管內(nèi)溫度及壓力發(fā)生較大變化時，水泥環(huán)很可能會發(fā)生拉伸斷裂。 4） 由于井下條件變化導(dǎo)致水泥環(huán)密封失效 環(huán)空帶壓可在固井后較長一段時問內(nèi)發(fā)生，有的井檢測固井質(zhì)量很好，可是由于后期鉆井作業(yè)的影響，或后期增產(chǎn)作業(yè)的影響，在沒有化學(xué)侵蝕的條件下，水泥環(huán)本身的機械損壞、套管與水泥之間的膠結(jié)失效或水泥與地層之間的膠結(jié)失效都可以破壞層問封隔。水泥環(huán)的機械損壞會導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)，而膠結(jié)失效會導(dǎo)致微環(huán)隙形成。兩種作用均產(chǎn)生可通過任一種流體的高 傳導(dǎo)通道。水泥環(huán)本身的機械破壞可能由井內(nèi)壓力增加 (試壓、鉆井液密度加大、套管射孔、酸化壓裂、天然氣開采 )所引起，還可能由井內(nèi)溫度較大升高或地層載荷 (滑移、斷層、壓實 )所造成。出現(xiàn)層問封隔失效的另一種原因是微環(huán)隙形成，微環(huán)隙既可在套管與水泥之間出現(xiàn) (內(nèi)微環(huán)隙 )，也可在水泥與地層之間形成 (外微環(huán)隙 )。這可能是因井內(nèi)溫度和 (或 )壓力變化使套管發(fā)生徑向位移氣井持續(xù)環(huán)空壓力機理及安全評價研究 13 而引起，特別是當(dāng)水泥凝固后井內(nèi)壓力或溫度降低時，水泥體積收縮會引起外微環(huán)隙出現(xiàn)。 5）地層流體的腐蝕造成的層間竄通 天然氣井中可能存在 H2S或 CO2 腐蝕性氣體。 H2S或 CO2腐蝕性氣體在一定環(huán)境中除了會腐蝕套管外，也會對水泥環(huán)產(chǎn)生腐蝕。 CO2 主要影響水泥石的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率和抗折、抗壓強度，破壞水泥結(jié)構(gòu)的完整性。 H2S 能破壞水泥石的所有成分，溶于潮氣中的 H2S腐蝕性更強。水泥石的腐蝕總是和它的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙度密切相關(guān)，孔隙結(jié)構(gòu)決定腐蝕介質(zhì)向水泥硬化體內(nèi)部滲透的速度。初步研究表明：腐蝕至少使得水泥石的抗壓強度大幅度衰減，孔隙度大大提高，嚴(yán)重時會導(dǎo)致層間竄通。 對于固井水泥上方有鉆井液柱的情況，基質(zhì)的滲透性和界面竄流是環(huán)空傳導(dǎo)性增加的兩種物理 機理?；|(zhì)的滲透性是指流體在水泥本體內(nèi)的流動，而界面竄流是指存在于水泥柱和套管之間或水泥柱與基巖之間的微環(huán)空中流動的現(xiàn)象。 界面竄流現(xiàn)象是一種力學(xué)不完整性，它使得微環(huán)空形成于水泥環(huán)接觸面處。在水泥與巖石界面上，泥餅的不完全去除會產(chǎn)生微環(huán)空。在套管與水泥界面上，固水泥后一些熱應(yīng)力或靜水應(yīng)力引起微環(huán)空的形成。 注水泥凝固過程中，水泥環(huán)可能會形成次生孔隙和滲透性。基質(zhì)竄流是氣體通過水泥基質(zhì)流動的一種機理。當(dāng)鉆井液的液柱靜水壓力下降到地層孔隙壓力以下時，氣體以段塞形成或分散流的形式進入鉆井液基質(zhì)中。段塞氣向上運移通 道。 氣體通過水泥流動的另一個機理是與水泥基質(zhì)中次生滲透性的發(fā)展相關(guān)。該機理可以理解為：當(dāng)靜水壓力下降到地層壓力后，水泥的水化作用導(dǎo)致水泥基質(zhì)的絕對體積減小，化學(xué)收縮決定著次生孔隙的形成；孔隙水受毛細管力作用而圈閉于水泥基質(zhì)孔隙中，這部分水化作用中被消耗，由此形成一個空穴，這將導(dǎo)致孔隙壓力的下降和“負壓效應(yīng)”。與壓力的不平衡相結(jié)合，負壓效應(yīng)或許成為氣體在基質(zhì)中滲透性發(fā)展的最主要機理。 環(huán)空中水泥的分布情況通常有兩種（如圖 ）：一種是固井水泥上返到井口，另一種是水泥頂部存在鉆井液。在固井水泥上返到地面的井 中，氣體在具體一定傳導(dǎo)性的介質(zhì)中的運移可以看作是一維流動。等量卸壓后，套管壓力的上升與壓力的瞬間上升相似，（如圖 ）。這種狀態(tài)受水泥的滲透性、孔隙性及氣層壓力控制。 西南石油大學(xué)?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文