【正文】 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。 （ 2） ―水泥漿膠凝失重 ‖理論 [4, 13～ 16]。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。 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。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。 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。 [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。 [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。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 ]。 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)。 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]。 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。 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。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(lèi)型和嚴(yán)重程度不同的氣竄。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。環(huán)空氣竄既可由其中某些因素單獨(dú)作用形成，也可由其中一些因素綜合作用形成，而且不同的影響因素，其作用時(shí)間、作用方式、作用原理都有所不同[8]。 預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)納入理論部分 常規(guī)固井作業(yè)法八字方針為 ―居中、替凈、壓穩(wěn)、封嚴(yán) ‖，針對(duì)天然氣 井固井，應(yīng)上升為 ―充滿(mǎn)、居中、替凈、壓穩(wěn)、封嚴(yán)、穩(wěn)定 ‖十二字方針，保證水泥環(huán)能夠充滿(mǎn)環(huán)空并實(shí)現(xiàn)有效的層間封隔，且能滿(mǎn)足長(zhǎng)期安全開(kāi)采的需要。以后，經(jīng)過(guò)大處生產(chǎn)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)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(jié)的過(guò)程中 (即使水泥漿完全充滿(mǎn)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(guó)油冒氣。它影響了油井的完成和油、氣田開(kāi)發(fā)，損失 了大量的油、氣資源。本文選擇其中影響水泥漿靜液柱壓力和孔隙壓力降低的關(guān)鍵因素進(jìn)行研究， 即 水泥漿防竄能力 與 水泥漿漿體穩(wěn)定性、失水大小和自由水多少 的 關(guān)系 。 （ 4）考察不同溫度下常規(guī)密度水泥漿漿體穩(wěn)定性對(duì)水泥漿靜膠凝強(qiáng)度 增長(zhǎng)規(guī)律 的影響 采用千德樂(lè)工程公司 5265U 型靜膠凝強(qiáng)度 /超聲波抗壓強(qiáng)度分析儀（ SGSA）， 分別在 50℃ 、 70℃ 以及 90℃ 下考察常規(guī)密度水泥漿漿體穩(wěn)定性對(duì)水泥漿靜膠凝強(qiáng)度 發(fā)展速度和 過(guò)渡時(shí)間的影響規(guī)律 。 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(guān)系，而鉆井液性能調(diào)整和隔離液使用對(duì)提高頂替效率意義重大，因此本文的室內(nèi) 研究主要針對(duì) 不同溫度下水泥漿漿體穩(wěn)定性、失水、析水對(duì)水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展、初終凝時(shí)間 、宏觀體積收縮 和稠化時(shí)間的影響，鉆井液濾餅對(duì)水泥漿失水的影響， 結(jié)合井下水泥環(huán) 力學(xué)分析 ， 并開(kāi)展鉆井液性能調(diào)整和隔離液使用的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用， 以 期 能夠 在 氣竄研究 方面有所進(jìn)展 。 因此本文重點(diǎn) 考察鉆井液濾餅對(duì)水泥漿失水的影響， 系統(tǒng)研究 水泥漿穩(wěn)定性和溫度對(duì)水泥孔隙壓力下降和靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展以及體積收縮的影響，并建立力學(xué)模型分析井下高溫高壓條件下水泥石的力學(xué)性能， 力爭(zhēng) 通過(guò)這幾個(gè)方面的深入研究 最終為天然氣井固井水泥漿體系設(shè)計(jì)及防氣竄工程工藝技術(shù)措施提供科學(xué)合理的參考依據(jù)，據(jù)此提出天然氣井固井防氣竄技術(shù)綜合指導(dǎo)思想。常規(guī)固井作業(yè)法八字方針為 “ 居中、替凈、壓穩(wěn)、封嚴(yán) ” ，針對(duì)天然 氣井固井，應(yīng)上升為 “ 居中、 充滿(mǎn)、 替凈、壓穩(wěn)、封嚴(yán)、穩(wěn)定 ”十二字方針，保證 固井作業(yè)時(shí)水泥漿 能夠充滿(mǎn) 封固段的 環(huán) 形 空 間，水泥漿凝固形成水泥環(huán)后可 實(shí)現(xiàn)有效的層間封隔，且能滿(mǎn)足長(zhǎng)期安全開(kāi)采的需要。 國(guó)內(nèi)外對(duì)氣竄進(jìn)行 了眾多 研究 ，取得了很多成果，氣竄預(yù)測(cè)方法主要有 應(yīng)用較 多 的道威爾 斯倫貝謝的 Rae1989 年提出了 半經(jīng)驗(yàn)綜合因子法（ CCGM） [53]、 Halliburton 的Sutton 等 提出的氣竄潛力系數(shù)法（ GFP） [54]、 Halliburton 的 Sutton 和 Ravi 于 1989 年提出水泥漿性能系數(shù)法 （ SRN） [55]以及用得較少的修正的水泥漿性能系數(shù)法 [56]、膠凝失水系數(shù)法和 水泥漿阻力系數(shù) 法 [57]。 QC600 是一種高分子化合物，作用機(jī)理與 G60 類(lèi)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(guò)渡態(tài) ” 時(shí)，水泥顆粒逐漸形成 “ 網(wǎng)架結(jié)構(gòu) ” ， “ 網(wǎng)架結(jié)構(gòu) ” 中的自由水，由于加入了 QC600，形成高分子自身的另一種 “ 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ” ，從而增加了自由水的流動(dòng)阻力 [52]。 中國(guó)石油天然氣總公司工程技術(shù) 研究院研制和生產(chǎn) 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(zhǎng)慶油田 等油田 廣為 應(yīng)用 ，均收到了良好的效果 [48]。在長(zhǎng)慶油田應(yīng)用了 15 井次，取得了良好的效果，固井合格率由原來(lái)的 %提高到 100%，固井優(yōu)質(zhì)率由原來(lái)的 40%提高到 %。 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]。 生產(chǎn)這類(lèi)防氣竄劑的技術(shù)關(guān)鍵是 鋁粉 的鈍化處理。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(jiǎn)稱(chēng)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(chǔ)集能量，補(bǔ)償部分的液柱壓力降低。 （ 3）防氣竄水泥添加劑 國(guó)內(nèi)有三種類(lèi)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(duì)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(guó)內(nèi)已獲得廣泛應(yīng)用 [30,38～ 40]。 ④ 環(huán)空加回壓：在注水泥作業(yè)結(jié)束后，通過(guò)在環(huán)空加一定的壓力（現(xiàn)場(chǎng)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 。 ② 采用多個(gè)凝結(jié)時(shí)間的水泥漿， 使 水泥漿從下到上逐漸凝固。時(shí)失重速率最大。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]。~60176。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(xiàn)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。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(gè)重要因素。使用防氣竄劑或不滲透水泥能夠彌補(bǔ)水泥 漿 凝固時(shí)液柱壓力的降低，對(duì)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(shí)，橋堵的抗氣侵能力比水泥膠凝 的抗氣侵能力強(qiáng)。在無(wú)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。當(dāng)作用在下部地層的有效靜液柱壓力 （ 或稱(chēng)剩余壓力 ） 低于氣層壓力時(shí)，氣體將竄入環(huán)形空間。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]。這兩家單位對(duì)水泥漿凝結(jié)過(guò)程中的氣竄機(jī)理 開(kāi)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(jià)值的 防氣竄方法 。 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。 1990 年， Moran 和 Linstrom 通過(guò)全尺寸試驗(yàn)的結(jié)果提供了防止加重隔離液在紊流狀態(tài)下沉降的操作指南，建立了預(yù)測(cè)防止固相沉降的流速數(shù)學(xué)關(guān)系式，只要環(huán)空流速保持 ， 就 無(wú)需考慮 井斜 60 度及以下井眼中的隔離液沉降 問(wèn)題 。 沖洗液通常是不加重的，是為了能夠在頂替時(shí)達(dá)到紊流增加頂替效率。 隔離液的設(shè)計(jì)集中在隔離液與管柱或地層的接觸時(shí)間。 1990 年， Smith 建立了固井作業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)影響頂替效率的因素進(jìn)行了研究，包括環(huán)空流體速度、鉆井液性能調(diào)整時(shí)間以及前置液設(shè)計(jì) ， 發(fā)現(xiàn)無(wú)論頂替時(shí)流態(tài)如何，環(huán)空流速大于 提 高至關(guān)重要。 1967 年， Mclean 等的早期研究發(fā)現(xiàn)，頂替流態(tài)為紊流還是層流并不影響鉆井液頂替效率。普遍認(rèn)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(dǎo)致井壁垮塌。 Lee 等 1986 年報(bào)道，扶正器設(shè)計(jì)必須適應(yīng)井眼的幾何形狀 和 尺寸 、套管尺寸和重量、扶正器類(lèi)型和尺寸，套管才能獲得足夠的居中度。 （ 3）套管居中 根據(jù) Halliburton公司的試驗(yàn)結(jié)果，管柱居中是獲得良好頂替效率的另一個(gè)重要因素。泵注水泥漿之前或泵注期間均可旋轉(zhuǎn)管柱。） YP（ Pa）（ 22℃ ） 45 65 80 90 （ 2）活動(dòng)管柱 活動(dòng)管柱是僅次于調(diào)整鉆井液性能提高頂替效率的因素。 Halliburton 公司推薦的固井前鉆井液性能如表 11 和表 12 所示。只要井眼循環(huán)暢通，就具備了固井作業(yè)條件（ Ravi 等， 1993 年； Griffith 和 Ravi， 1995 年）。 1989 年， Sutton 和 Ravi 建立了一種實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)水泥漿在鉆井 液濾餅上 的 失水量的方法。 1967 年， McLean 等以鉆井液動(dòng)切應(yīng)力和井眼幾何參數(shù)為基礎(chǔ)，引入了臨界屈服強(qiáng)度的概念。多數(shù)鉆井液和水泥漿均屬于非牛頓流體，其粘度是剪切應(yīng)力和剪切速率的函數(shù)。頂替效率被定義為注水泥之后水泥漿占據(jù)環(huán)形空間體積的百分比（ Economides 等， 1998 年）。 1985 年， Cheung和 Beirute 提出了另外一種解釋氣體通過(guò)未凝結(jié)水泥漿竄流的機(jī)理，他們認(rèn)為常規(guī)的降失水劑只能作用于井壁表面，不能阻止氣體侵入水泥基體，指出應(yīng)采用聚合物或橋堵材料降低孔隙空間水泥的流動(dòng)性。 1982 年， Sabins 等發(fā)表了另外兩篇當(dāng)時(shí)詳細(xì)描述固井后引起氣竄的最新理論，他們?cè)俅沃赋?，固井后氣竄的主要原因是水泥漿凝結(jié)過(guò)程中的不可壓縮性 [14]。同 時(shí) ， Webster 和 Eikerts 發(fā)表了一篇試圖找出水泥漿中的水分離和水泥漿漿