【正文】 水泥漿膠凝期間，水泥漿向滲透性地層失水。一段時(shí)間后，其靜膠凝強(qiáng)度開(kāi)始發(fā)展。 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)。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]。 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]。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。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。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。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。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。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。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。 （ 1） ―橋堵 ‖理論 [3,4,11,12]。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。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(mǎn)的孔隙出現(xiàn) ―空隙 ‖。 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。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。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。 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。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。 Rae 等將氣竄分成兩種類(lèi)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]。 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。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。 （ 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。 （ 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。 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。 [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。 二是環(huán)空要有氣體竄流的通道。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 。因此，要防止環(huán)空氣竄，必需全面地認(rèn)識(shí)導(dǎo)致固井后環(huán)空氣竄的原因和作用機(jī)理，才能在固井工程設(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。 環(huán)空氣竄發(fā)生的條件 環(huán)空氣竄是由一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)作用所導(dǎo)致，其影響因素多，且各因素之間相互影響、相互制約。固井作業(yè)的主要目的就是支撐套管，壓穩(wěn)地下油、氣、水層，實(shí)現(xiàn)有效的層間封隔，而環(huán)空氣竄直接導(dǎo)致水泥環(huán)層間封隔失敗。 [] 西南石油學(xué)院鉆井教研室 .水泥漿膠凝引起的 “ 失重 ” 和氣侵的研究 [J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào) ,1981,(3):1930. 研究固井的氣竄問(wèn)題必須從本質(zhì)上找出發(fā)生 氣竄的原因，到底是固井作業(yè)期間氣體通過(guò)水泥漿基體發(fā)生滲流而導(dǎo)致固井后環(huán)間、井口帶壓，還是因?yàn)?水泥漿凝結(jié)期間因水化、膠凝、失水、橋堵導(dǎo)致作用于氣層的靜液柱壓力降低，或是因?yàn)?水泥漿凝固后，受后續(xù)作業(yè)工況和地下巖層復(fù)雜作用力的綜合影響：如射孔、試油、壓裂、酸化、開(kāi)采等所產(chǎn)生的沖擊、振動(dòng)以及巖層蠕變載荷作用，水泥環(huán)一方面自身易發(fā)生脆裂，另一方面與套管或井壁的膠結(jié)部分失效，不能在油氣井生產(chǎn)期間維持長(zhǎng)期有效的層間封隔而發(fā)生氣竄。由于井下情況復(fù)雜，至今對(duì)這個(gè)問(wèn)題的原因分析存在著不同的看法和解釋?zhuān)鴮?duì)水泥漿由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，水泥膠凝作用引起的 ―失重 ‖和氣侵沒(méi)有足夠的重視和研究。但在多油、氣層和有高壓氣層的井里，注水泥后，油、氣竄入環(huán)形空間仍很?chē)?yán)重。經(jīng)過(guò)多年的研究，對(duì)這個(gè)問(wèn)題逐步有了認(rèn)識(shí)。 2. 環(huán)空 氣竄發(fā)生 原因及氣竄預(yù)測(cè)方法 注水泥后，環(huán)形空間油、氣、水竄和井口冒油冒氣，至今是國(guó)內(nèi)、外還沒(méi)有解決的固井質(zhì)量的主要問(wèn)題。 本文主要開(kāi)展 水泥漿漿體穩(wěn)定性對(duì)防竄影響的基礎(chǔ)研究，并輔以井下水泥環(huán)受力分析，并結(jié)合提高頂替效率為最終目的的鉆井液性能調(diào)整和隔離液使用的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。 技術(shù)關(guān)鍵 環(huán)空氣竄問(wèn)題自身就很復(fù)雜，而固井作業(yè)涉及多學(xué)科、多方向，很多因素都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生很大影響。 （ 5）現(xiàn)場(chǎng)固井作業(yè)前鉆井液性能調(diào)整和前置液的使用 在現(xiàn)場(chǎng) 采用 鉆井液性能調(diào)整，大幅度降低鉆井液粘度和切力，配合使用隔離液、沖洗液，提高鉆井液頂替效率，保證固井質(zhì)量。 （ 3）考察不同溫度下常規(guī)密度水泥漿漿體穩(wěn)定性對(duì)水泥漿初終凝時(shí)間及體積收縮的影響 采用 高溫高壓油井水泥漿凝結(jié)儀 ， 分別在 50℃ 、 60℃ 、 70℃ 、 80℃ 以及 90℃ 下考察常規(guī)密度水泥漿漿體穩(wěn)定性對(duì)水泥漿初終凝時(shí)間的影響 和水泥孔隙壓力下降的影響 ，并采取增壓泵向水泥漿凝結(jié)儀內(nèi)釜體補(bǔ)壓的方式考察溫度和水泥漿漿體穩(wěn)定性對(duì)水泥漿 宏觀(guān)體積收縮的影響規(guī)律。本文的主要研究?jī)?nèi)容 包括以下幾個(gè)方面 ： （ 1）環(huán)空氣竄機(jī)理 分析 通過(guò)廣泛 深入地 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研， 熟悉氣竄研究歷程， 深刻理解導(dǎo)致環(huán)空氣竄發(fā)生的根本原因和氣竄發(fā)生 的 途徑， 從系統(tǒng)工程 的 角度 出發(fā)， 全面 深入地 對(duì)氣竄機(jī)理和防控方法進(jìn)行論述 。 根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)氣竄的 研究 結(jié)果 可以看出， 水泥漿漿體越穩(wěn)定、失水和析水越小，水泥漿漿體的防氣竄能力越強(qiáng)。 本文的技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖 12。 水泥漿漿體穩(wěn)定性 和失水大小 以及 自由水的析出 對(duì) 水泥漿柱壓力損失 、 水泥漿稠化時(shí)間、靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展均有很大影響， 即對(duì)防氣竄有著重要作用 ， 國(guó)內(nèi)外對(duì)此也開(kāi)展過(guò)很多研究，但尚未系統(tǒng)研究不同溫度下水泥漿漿體穩(wěn)定性對(duì)水泥水化特性的影響規(guī)律。 通過(guò)廣泛的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研，可以得出導(dǎo)致氣竄的因素主要包括：頂替效率 不高（鉆井液或水泥漿竄槽、鉆井液條帶） ； 水泥環(huán) — 套管 — 地層三者協(xié)調(diào)變形能力差形成微環(huán)空； 水泥漿凝結(jié)期間因水化、膠凝和向滲透性地層失水導(dǎo)致環(huán)空水泥漿柱壓力下降 和 水泥孔隙壓力降低；水泥漿凝固形成水泥環(huán)后受溫度、壓力變化 和工藝措施影響以及 地層流體腐蝕導(dǎo)致水泥環(huán)失效。 本文的研究思路與技術(shù)路線(xiàn) 固井作業(yè)的主要目的就是支撐套管，壓穩(wěn)地下油、氣、水層，實(shí)現(xiàn)有效的層間封隔，而環(huán)空氣竄直接導(dǎo)致水泥環(huán)層間封隔失敗。然而，這些氣竄預(yù)測(cè)方法都存在一定的局限性，沒(méi)有考慮到影響 水泥 漿靜液柱壓力降低和氣竄 的所有因素，當(dāng)然也不可能考慮到所有因素，所以未能 被現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際固井作業(yè) 廣泛采用。該劑解決了吐哈油田的環(huán)空竄流及水泥濾 液對(duì)油氣藏的損害問(wèn)題，提高了固井質(zhì)量。隨著水泥的水化，自由水量逐漸降低， QC600 高分子化合物的濃度不斷增大，并繼續(xù)發(fā)生 “ 聚集 ” 、 “ 交聯(lián) ” 反應(yīng)，使分子量繼續(xù)增加，高分子 “ 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ” 進(jìn)一步變密，使流體流動(dòng)阻力急劇增大。這種非滲透水泥漿能在井壁上形成一層堅(jiān)韌、有塑性、有一定強(qiáng)度的薄膜，有效地控制水泥漿的濾失，阻止地層流體浸入井筒， 可 在一定程度上防止漏失 [51]。 G60 是一種高分子化合物，通過(guò)復(fù)合改性加入水泥漿的混合水內(nèi)，改變混合水的性能 ， 在不妨害水泥正常水化的前提下，控制其 “ 聚合 ” 、 “ 交聯(lián) ” 的物化反應(yīng)速度，增大其分子量，增加游離水的粘滯力，堵塞水泥內(nèi)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的空隙，以達(dá)到增強(qiáng)水泥抗氣體侵入的阻力和不滲透性能 ，使水泥漿的總阻力始終大于水泥漿不斷失重引起的地層與環(huán)空 之間的 壓力差 [49,50]。 采取 SEP 油井水泥膨脹劑和 KQ 防氣竄劑聯(lián)合使用的方法，解決了水泥漿失重和微環(huán)隙對(duì)固井質(zhì)量的影響， SEP 能使水泥在硬化期中水化晶體體積膨脹，抵消普通水泥凝結(jié)時(shí)的體積收縮效應(yīng)，從而增強(qiáng)水泥環(huán)與套管和井壁的膠結(jié)強(qiáng)度 提高固井質(zhì)量 [47]。 由化工部成都有機(jī)硅研究中心和地礦部西南石油地質(zhì)局井下作業(yè)大隊(duì)共同研制、郫縣化工廠(chǎng)試生產(chǎn)的 XA1 型固井氣竄抑制劑 [46]，采用非極性有機(jī)化合物對(duì)鋁粉進(jìn)行無(wú)溶劑包封、溫控發(fā) 泡，克服了溶劑浸泡、真空干燥所存在的溶劑回收、環(huán)境污染及設(shè)備投資大一系列問(wèn)題。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，將 CX18 加到水泥漿中不僅能有效地防止油氣井的油、氣、水竄槽，而且它對(duì)水泥漿的物理性能影響小，并能與其它水泥添加劑相配伍。 還可利用磷化法來(lái)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。 其反應(yīng)過(guò)程為：2A1+Ca(OH)2+2H2O→ Ca(AlO2)2+3H2↑。鈍化后鋁銀粉表面上保護(hù)膜的質(zhì)量是決定這類(lèi)防氣竄劑在水泥漿中的發(fā)氣時(shí)間 （ 包括初發(fā)氣時(shí)間和持發(fā)氣時(shí)間 ） 的主要因素。 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(wèn)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(wèn)題，使固井質(zhì)量有明顯提高 [41]。控制其在初凝之前一小時(shí)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。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(huì)產(chǎn)生氫氣。 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(guò)程中由于 “ 失重 ” 造成的壓力損失，并克服水泥漿在