【導(dǎo)讀】竄，這也是經(jīng)常發(fā)生的問(wèn)題（Bearden等，1964年；Carter等，1970年；Sutton等，1984. 固井作業(yè)是油氣井建井過(guò)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。行業(yè)的挑戰(zhàn)就是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期層間封隔、防止氣竄發(fā)生[4,5]。Clark，1976年）、氣竄、固井后流動(dòng)（Webster和Eikerts，1979. 于氣體在井下層間相互竄通則很難被檢測(cè)出來(lái)[1,6]。利實(shí)施，還會(huì)影響建井周期、油氣的安全開(kāi)采以及產(chǎn)能的提高，甚至可能導(dǎo)致全井報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[7,8,9]。供的氣竄統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1-1。有6692口井或43%的井至少其中一個(gè)套管層次帶壓，約10513個(gè)帶壓的套管層次中，中國(guó)天然氣的勘探開(kāi)發(fā)極為不利。四川油氣田龍崗氣田龍崗1井、2井和3井測(cè)井結(jié)果。接影響油氣田安全合理開(kāi)發(fā)和后續(xù)各項(xiàng)施工作業(yè)的正常進(jìn)行。增產(chǎn)措施等后續(xù)作業(yè)對(duì)水泥環(huán)的長(zhǎng)期密封性能提出了更高的要求。還時(shí)有發(fā)生，有的地區(qū)甚至大面積發(fā)生。固井作業(yè)的主要目的是在整個(gè)油氣井正常生產(chǎn)壽命期間提供良好。據(jù)此提出天然氣井固井防氣竄技術(shù)綜合指導(dǎo)思想。

　　

【正文】 在固井工程設(shè)計(jì)和固井注水泥作業(yè)時(shí)對(duì)其進(jìn)行全面地掌握和控制，從而切斷環(huán)空氣竄形成的通道，有效防止環(huán)空氣竄而獲得優(yōu) 良的固井質(zhì)量。 [3] 吳宗國(guó) .套管內(nèi)敞壓候凝防氣竄的機(jī)理 [J].鉆采工藝 ,1991,14(3):911. 國(guó)內(nèi)外研究發(fā)生氣竄的文章很多，也找出了發(fā)生氣竄的各種因素，但從宏觀上看，發(fā)生氣竄必須要有兩個(gè)條件： 一是氣體要能進(jìn)入環(huán)空。而氣體進(jìn)入環(huán)空的主要途徑是水泥漿在環(huán)空的凝固過(guò)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(qiáng)度又沒(méi)有達(dá)到能阻止地層氣體竄入水泥漿體的最小值 。另一條途徑就是管柱不密封，如：圓扣套管其緊扣扭矩沒(méi)有達(dá)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(dāng)測(cè)試或采氣時(shí)管內(nèi)氣體從絲扣處或回接筒處竄入環(huán)空。 二是環(huán)空要有氣體竄流的通道。而管內(nèi)憋壓候凝就是形成環(huán)空氣體竄流通道的因素之一。 [張興國(guó)發(fā)表文章 ]氣侵動(dòng)力 [焦勇文章 ] [Getting to the root of gas migration] 國(guó)內(nèi)外大量研究和現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程中 [9]，但是隨著對(duì)環(huán)空氣竄機(jī)理認(rèn)識(shí)的更加深入和全面，人們也意識(shí)到了固井后的諸多工程工藝措施也會(huì)使本來(lái)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(huì)產(chǎn)生微環(huán)隙，從而形成難以愈合的氣竄通道。環(huán)空發(fā)生氣竄必須具備兩個(gè)先決條件： （ 1）地下氣層的天然氣要能夠進(jìn)入固井后套管與井壁之間的環(huán)形空間； （ 2）天然氣進(jìn)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(yán)重程度不同的氣竄。 環(huán)空氣竄通道 作業(yè)人員和服務(wù)公司對(duì)環(huán)空氣竄問(wèn)題進(jìn)行了眾多研究，很多問(wèn)題尚未解決，主要是因?yàn)闅飧Z問(wèn)題的復(fù)雜性，部分也是因?yàn)闅怏w在環(huán)空中存在著不同的竄流通道。氣體進(jìn)入環(huán)空發(fā)生竄流的潛在通道如下： （ 1）地層 /水泥環(huán)界面：即固井二 界面，氣體通過(guò)二界面竄流的主要原因有 5 種，① 水泥漿水化凝結(jié)過(guò)程中因水化和向地層失水發(fā)生體系收縮，導(dǎo)致水泥漿凝結(jié)后與井壁形成微環(huán)隙； ② 鉆井液頂替效率不高，井壁上鉆井液或?yàn)V餅干枯收縮脫水（水泥水化吸收鉆井液中的自由水，水化放熱加速鉆井液或?yàn)V餅脫水），導(dǎo)致井壁和水泥環(huán)之間微環(huán)隙的形成； ③ 固井作業(yè)時(shí)鉆井液或水泥漿竄槽，鉆井液和水泥漿摻混后形成強(qiáng)度不高的混合物，地下活躍的天然氣很容易通過(guò)此竄流； ④ 因鉆井液性能（如油基鉆井液）導(dǎo)致井壁表面油濕，致使水泥環(huán)和井壁連接界面膠結(jié)質(zhì)量不高而引發(fā)的環(huán)空竄流； ⑤ 水泥漿與地層之間的膠 結(jié)界面受到地層流體滲流的動(dòng)態(tài)干擾，水泥漿不能與地層良好膠結(jié)而引發(fā)的環(huán)空竄流； ⑥ 界面膠結(jié)在后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中遭到破壞而引發(fā)的環(huán)空竄流，如射孔沖擊、稠油熱采等。 （ 2）水泥石本體：通過(guò)水泥石本體發(fā)生的環(huán)空竄流，包括 ① 注水泥過(guò)程中鉆井液竄槽使水泥環(huán)形成內(nèi)部缺陷； ② 由于平衡注水泥失敗地層流體侵入環(huán)空而引發(fā)的環(huán)空竄流； ③ 候凝過(guò)程中由于水泥漿體系失穩(wěn)導(dǎo)致自由水聚集上竄； ④ 水泥水化缺陷在水泥石內(nèi)部形成微裂縫； ⑤ 水泥漿凝結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生失重，作用于氣層的有效壓力降低引發(fā)氣竄；⑥ 水泥漿凝結(jié)后由于射孔沖擊、壓裂高壓、酸化酸液腐蝕、地層 流體腐蝕、注入流體腐蝕、水泥石高溫強(qiáng)度衰退、水泥環(huán)工況發(fā)生變化導(dǎo)致水泥石破碎解體而引發(fā)環(huán)空竄流。 水泥石長(zhǎng)期層間封隔能力受到如下因素影響： ① 溫度變化，包括地層溫度變化和注蒸汽井和熱采井，引起應(yīng)力應(yīng)變，導(dǎo)致水泥石產(chǎn)生裂縫； ② 固井后套管試壓，壓力變化導(dǎo)致水泥石產(chǎn)生裂縫，還有試壓措施不當(dāng)，如壓力增加和卸壓速度過(guò)快均可能導(dǎo)致水泥石產(chǎn)生裂縫； ③ 固井后繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)，采用不同密度的鉆井液使得井下壓力變化而破壞上一次固井所形成水泥環(huán)的完整性； ④ 地層的構(gòu)造應(yīng)力，諸如鹽膏層蠕變可能導(dǎo)致水泥環(huán)和套管完全破壞； ⑤ 油氣井投產(chǎn) 后，地層壓力變化會(huì)使得水泥石與套管壁或井壁形成微環(huán)空； ⑥ 水泥石自身協(xié)調(diào)性變能力差，在遭受上述溫度、壓力后不能與地層、套管產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形而產(chǎn)生裂縫甚至完全擠毀。 （ 3）套管 /水泥環(huán)界面：即固井第一界面，通過(guò)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(guò)程中遭到破壞而引發(fā)的環(huán)空竄流。套管接箍、回接筒插入座以及懸掛器盤根密封失效，高壓天然氣也可能從套管螺紋連接處泄漏。目前國(guó)內(nèi)外高溫高壓酸性氣田開(kāi)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(huì)形成氣竄通道。 氣竄通道 （ 1）鉆井液頂替不凈：井壁表面或套管壁上殘留鉆井液條帶 ① 鉆井液條帶 ② 鉆井液干枯收縮破壞形成通道 （ 2）鉆井液或水泥漿竄槽：導(dǎo)致水泥漿中存在鉆井液條帶 ① 鉆井液條帶 ② 鉆井液干枯收縮形成通道 （ 3）井壁虛厚的鉆井液濾餅：濾餅干枯收縮形成微環(huán)空 （ 4）水泥環(huán)體積收縮：套管 /水泥環(huán)和水泥環(huán) /地層形成微環(huán)空 （ 5）套管膨脹收縮：套管 /水泥環(huán)和水泥環(huán) /地層形成微環(huán)空 （ 6）水泥環(huán)破壞：溫度應(yīng)力破壞、壓力突變破壞，均屬于張性破壞 （ 7）水泥漿設(shè)計(jì)不好：自由水帶，斜井中尤為突出 （ 8）自由水帶：水泥漿凝結(jié)過(guò)程中逐漸喪失傳遞靜壓的能力 （ 9）發(fā)氣水泥漿：發(fā)氣劑井下發(fā)氣后，未能是生成的氣泡高度分散，而是氣泡逐漸聚并形成氣體 通道，這就為氣體侵入提供了通道。 從以上可能的氣竄通道我們可以看出，要防止氣竄的發(fā)生，首先應(yīng)該注重良好固井實(shí)踐，正確設(shè)計(jì)水泥漿、努力提高頂替效率，注重井壁形成的鉆井液濾餅質(zhì)量（薄密），就可避免產(chǎn)生前面幾個(gè)通道發(fā)生氣竄，然后再在水泥環(huán)形變能力和抗壓能力以及工程工藝措施上下功夫，真正全面防氣竄，而不是從單一的角度針控制引發(fā)氣竄的某一因素。 環(huán)空氣竄發(fā)生的原因及氣竄理論 上世紀(jì) 70 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)固井后環(huán)空氣竄機(jī)理的研究多集中于水泥漿 ―失重 ‖，認(rèn)為固井后環(huán)空氣竄主要是由水泥漿侯凝過(guò)程中的 ―失重 ‖所引起的 ，未對(duì)固井后長(zhǎng)期氣竄的原因進(jìn)行過(guò)多探討。 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(shí)至數(shù)天后，其與實(shí)際固井作業(yè)有關(guān)，即水泥漿性能、頂替機(jī)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(shí)際上為氣體泄露而并非氣竄，與固井作業(yè)關(guān)系不大 [1]。 Halliburton 公司也證實(shí)存在兩種基本氣竄模型：短期氣竄和長(zhǎng)期氣竄，短期氣竄發(fā)生在在水泥漿凝結(jié)之前，而長(zhǎng)期氣竄發(fā)生在水泥漿凝結(jié)之后 [10]。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(huì)導(dǎo)致短期氣竄的發(fā)生。影響短期氣竄的原因一定程度上也會(huì)影響長(zhǎng)期氣竄，長(zhǎng)期氣竄與一二界面微環(huán)隙的形成，地層、水泥環(huán)、套管三者協(xié)調(diào)變形能力不一致，水泥環(huán)自身力學(xué)性能差，地層塑性流動(dòng)擠毀套管和水泥環(huán)等因素密切相關(guān)。 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(jiàn)圖 2。 環(huán)空氣竄原因及形成 過(guò)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(qiáng)度增 大 界 面 圖 2 環(huán)空氣竄原因及形式 [鉆井甲方手冊(cè) ] 水泥漿氣侵是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，靜止水泥漿一旦形成結(jié)構(gòu)，就會(huì)產(chǎn)生失重，如不喪失流體特性，當(dāng)其有效壓力低于地層流體壓力時(shí)，地層流體就有進(jìn) 入水泥基本的趨勢(shì)。但此時(shí)被懸掛的水泥載荷又會(huì)反作用于地層流體以保持壓力平衡。遺憾的是形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)后水泥具有微孔 ， 微孔內(nèi)的孔隙壓又隨水泥水化收縮降低。當(dāng)孔隙壓力低于地層流體時(shí)，圈閉狀態(tài)就會(huì)被打破，地層流體在壓力作用下逐漸破壞網(wǎng)架結(jié)構(gòu)并置換孔隙流體，占據(jù)其空間，最終形成氣侵通道。因此，水泥凝結(jié)過(guò)程中發(fā)生氣侵的充要條件應(yīng)該是：地層氣體壓力大于水泥孔隙壓力和孔隙流體阻力之和 [固井研究室科研報(bào)告，見(jiàn)劉老爺子論文 ]。 水泥漿水化體積收縮導(dǎo)致孔隙體積損失，漿柱通過(guò)內(nèi)部固液相對(duì)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(guò)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。因此，水化體積收縮是導(dǎo)致水化體積收縮膠凝失重失重的最基本原因。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(lái)被水相充滿的孔隙出現(xiàn) ―空隙 ‖。 [4] 孫展利 .水泥漿的水化體積收縮膠凝失重研究 [J].江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào) ,1997,19(4):5558. 很顯然，道威爾所采用的圖示法未能完全概括導(dǎo)致氣竄發(fā)生 的所有原因。隨著時(shí)代的發(fā)展，氣竄影響因素越來(lái)越多，涉及材料、工藝以及物理化學(xué)因素。 目前相對(duì)完善的環(huán)空氣竄學(xué)說(shuō)有四種，包括 ―橋堵 ‖理論、水泥漿膠凝 ―失重 ‖理論、 ―界面膠結(jié) ‖理論以及 ―微裂縫 微環(huán)隙 ‖理論。 （ 1） ―橋堵 ‖理論 [3,4,11,12]。 [6]劉崇建 ,張玉隆 ,郭小陽(yáng) .水泥漿橋堵引起的失重和氣侵研究 [J].天然氣工業(yè) , 1997。17(1):39~44. 在井下溫度和壓差作用下，水泥漿內(nèi)的過(guò)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。橋堵引起的水泥漿失重，其特點(diǎn)是橋堵段下面的失重不受橋堵上 部水泥漿柱失重的影響；而膠凝失重卻產(chǎn)生在整個(gè)注水泥井段，并隨井深的增加 (即溫度、壓力的增加 )而變得愈快，即同一時(shí)刻，不同井深的膠凝失重是不一致的。橋堵的形成導(dǎo)致以下問(wèn)題： （ 1）在注水泥過(guò)程形成橋堵，將會(huì)造成注替過(guò)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(wèn)題。 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。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。橋堵的形成不一定會(huì)使水泥漿失重，因?yàn)橐褐鶋毫σ恢弊饔迷跇蛉希鴺蛉碌牡貙佑峙c橋塞連成一體，受到同樣的壓力。試驗(yàn)表明，橋塞下面地層所承受的液柱壓力確實(shí)降低了。其主要原因在于水泥漿與橋塞的膠凝及收縮特性同時(shí)存在的結(jié)果。如水泥漿與橋塞無(wú)膠凝特性，水泥的收縮只是使水泥柱縮短，而不會(huì)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。水泥漿的膠凝與收縮特性愈強(qiáng)，失水量愈大，橋堵造成的失重愈明顯。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(duì)防止橋堵的產(chǎn)生是有好處的。 道威爾 斯倫貝謝公司的 Baret 把 水泥漿的失水分為兩個(gè)階段，注水泥過(guò)程中的動(dòng)失水和水泥漿頂替到位候凝時(shí)的靜失水階段。動(dòng)失水和靜失水期間，水泥漿不斷地向地層失水（包括滲透性地層或由于與地層水活度不平衡導(dǎo)致失水），造成水灰比急劇下降， 改變了水泥漿原有的性能，同時(shí)在井壁上形成水泥濾餅，使井徑縮小、甚至完全堵塞環(huán)空，導(dǎo)致水泥漿靜壓傳遞受阻，使水泥漿靜液柱壓力不能有效作用于氣層而發(fā)生氣竄。此外，由于井壁不穩(wěn)定（主要是力學(xué)失穩(wěn)），注水泥時(shí)排量過(guò)大或水泥漿流變性 的原因，對(duì)破碎性井段產(chǎn)生了很強(qiáng)的沖刷導(dǎo)致井壁垮塌，垮塌物和水泥漿一起堵塞環(huán)空。若水泥漿漿體自身在井下條件下不穩(wěn)定，導(dǎo)致頂替過(guò)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。上述三個(gè)方面均會(huì)導(dǎo)致環(huán)空產(chǎn)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(duì)下部地層的有效壓力，從而發(fā)生氣竄。 注水泥頂替過(guò)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(guó)萍 ,郭小陽(yáng) . 控制水泥漿失水性能的新認(rèn)識(shí) .天然氣工業(yè) ,1995,15(5):3641]。如 水泥漿凝固時(shí)，自由水不斷滲入地層 .，水泥餅逐漸變厚，最后將在環(huán)形間隙內(nèi)形成橋堵，橋堵不僅降低了橋塞之上液柱對(duì)地層的壓力，還會(huì)使水泥內(nèi)部水化條件變差，形成微孔道，造成油、氣、水竄問(wèn)題。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(guó)萍 ,郭小陽(yáng) . 控制水泥漿失水性能的新認(rèn)識(shí) .天然氣工業(yè) ,1995,15(5):3641]。 （ 2） ―水泥漿膠凝失重 ‖理論 [4, 13～ 16]。 固井后環(huán)空氣竄的原因可歸結(jié)為靜液柱壓力的損失，水泥漿凝結(jié)過(guò) 程中水泥水化和失水時(shí)體積收縮降低水泥漿傳遞靜液柱壓力的能力，不能對(duì)氣層維持過(guò)平衡壓力，從而引起氣體流動(dòng)。水泥漿驅(qū)替到位后，它最初為液態(tài)，且能將靜水壓力完全傳遞到氣層，這一過(guò)平衡壓力阻止氣體通過(guò)水泥漿竄入環(huán)空。一段時(shí)間后，其靜膠凝強(qiáng)度開(kāi)始發(fā)展。水泥漿的膠凝增強(qiáng)了水泥漿支持自重的能力，同時(shí)降低了漿柱給氣層傳遞靜水壓力的能力。水泥漿膠凝期間，水泥漿向滲透性地層失水