【正文】 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]。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]。 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?shù)貙悠屏褖毫^大且小于漿柱壓力時才可行。 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。 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。 （ 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，可適當減少水泥漿柱的高度，以減少水泥漿失重對氣竄的影響。 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、核輻射密度計和混濁三向流速測試儀，進行了水泥漿頂替過程的動態(tài)模擬實驗研究。采用建立的水泥漿失重模擬實驗裝置進行了多種間隙、井斜角以及偏心度條件下水泥漿的失重實驗，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。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]。 近年來 通過水泥漿失重實驗發(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。），水泥漿在轉(zhuǎn)化期的平均失重速率將達到最大值。從上述兩種失重觀點出發(fā)，并以典型失重模擬實驗為基礎(chǔ)，分析了水泥漿在不同井斜的失重機理和規(guī)律，進一步證實了兩種失重觀點的正確性，得出幾點結(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。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。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。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。證實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。用膠凝失重氣侵數(shù)據(jù)，設(shè)計防止失重的方法，比按橋堵氣侵規(guī)律設(shè)計安全。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。 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)。 西南石油學(xué)院對橋堵的形成及水泥漿失重的原因也進行了研究 [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。 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，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，并用失重模擬實驗進行了檢驗 [23]。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 ” ） 。 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 ” 和氣侵開展了實驗 研究 ， 證實了水泥膠凝引起的 “ 失重 ” 和氣侵是嚴重的，而 膠凝 “ 失重 ” 可通過實驗和數(shù)學(xué)分析后 定量計算 。這些實驗結(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。 氣竄 機理研究 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)實踐和科學(xué)研究的基礎(chǔ)上，提出了許多不同的觀點和理論，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來解釋和解決 “ 失重 ”問題。 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。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。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。 （ 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。 1987 年， Crook 等采用現(xiàn)場和全尺寸試驗確認了斜井頂替鉆井液時可導(dǎo)致低邊固相沉降，但可通過控制鉆井液流變性 防止 ， 采用低粘沖洗液改善了低邊沉降固相的頂替效率。紊流流態(tài)的沖洗液比粘性沖洗液更易于清除斜井段沉降的固相。 1992 年， Tehrani 等指出，斜井減小了重力效應(yīng)，也就減小了頂替效率，良好的隔離液設(shè)計對鉆井液清除是很有必要的。 1992 年， Brady 等推薦直井固井采用紊流頂替時，泵注的隔離液量要能夠充填 ，并有最小 10 分鐘的接觸時間，大斜度井和水平井中，應(yīng)增加隔離液紊流接觸時間。水敏性粘土礦物、破碎性地層和地層的高滲透性 對 隔離液的設(shè)計 存在一定 影響。 （ 5）隔離液和沖洗液 固井作業(yè)時，隔離液和沖洗液隔開了不相容的鉆井液和水泥漿，提高了頂替效率。 2020 年， Frigaard 和Pelipenko 建立了偏心環(huán)空中鉆井液頂替速度的解析式。 1990 年， Lockyear 等說明了紊流頂替會減小流體竄槽幾率，套管居中度大于50%時，雷諾數(shù)大于 1500 將顯著減少竄槽幾率。 1992 年， Ravi等推薦設(shè)計循環(huán)排量和使用隔離液，使環(huán)形空間窄邊的剪切應(yīng)力大于或等于壁面剪切應(yīng)力。表 14 展示了密度 頂替效率。 （ 4）流體排量 鉆井液頂替的一致性隨流體排量的增加而增加，但套管的不居中和流體性質(zhì)增加了鉆井液竄槽的幾率。他們也報道了行業(yè)接受的居中度為 。扶正器能改善套管居中度，當水泥漿流進環(huán)空時流速會 平均分布，否則，水泥漿易于沿阻力最小的方向流動 —環(huán)空的寬邊。套管居中差的井段，水泥漿易在鉆井液中竄槽。 表 13 活動管柱和頂替效率 [16,19] 活動 頂替效率 未活動 20 轉(zhuǎn) /分 65% 97% 水泥漿凝結(jié)期間上提下放或旋轉(zhuǎn)管柱還有助于延遲水泥漿靜液柱壓力損失的時間 ，水泥漿靜膠凝強度達 后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)管柱，并未影響水泥漿靜膠凝強度的發(fā)展（ Sutton 和 Ravi， 1991 年）。此外，如果鉆井液攜砂能力差，活動套管還有助于消除固相沉降所引發(fā)的竄槽。大斜度井和水平井通常推薦旋轉(zhuǎn)管柱，上提下放管柱增加了卡套管的危險，且有可能使扶正器偏離井斜角較大的井段而起不到扶正作用?；顒庸苤袃煞N方式，即固井作業(yè)時 的 旋轉(zhuǎn)或上替下放管柱，每一種方式都能夠顯著提高鉆井液頂替效率（ 1979年， Haut 和 Crook； 1987 年， Crook 等）。s 5 mL/30min 表 12 推薦斜井的鉆井液動切力 [16,19] 井斜角（ 176。 表 11 推薦的鉆井液性能 [16,19] 性能 推薦值 最佳值 動切力（ YP） 塑性粘度（ PV） 濾失量（ FL） 靜切力（ 10s/10min） ≤ Pa ≤20 mPa大斜度井低邊固相發(fā)生沉降后，固井作業(yè)時低邊就會產(chǎn)生竄槽，試驗表明水泥漿中過多的自由水會在高邊形成竄槽通道（ Keller 等， 1983 年）。泵注水泥漿之前，鉆井液體積循環(huán)量至少應(yīng)達到 90%（ Brady 等， 1992 年）。要保證井眼的正確處理，必須仔細監(jiān)測地面壓力、排量、流體性質(zhì)，同時考慮井眼幾何形狀和溫度。 1991 年， Beirute 等討論了鉆井液性能調(diào)整對固井作業(yè)的影響，并推薦在固井作業(yè)中采用縮短停泵時間、沖洗液和活動套管提高頂替效率。 1979 年， Haut 和Crook 的頂替試驗表明，鉆井液的最大膠凝強度可近似為 10 分鐘的靜切力，降低鉆井液的失水量或 10 分鐘的靜切力都能夠增加鉆井液頂替效率。降低鉆井液的動切應(yīng)力，可大幅度提高鉆井液頂替效率。 1979 年， Haut 和 Crook 研究了鉆井液性能調(diào)整、地層滲透率、 套管居中、流變性差異、排量以及密度差對鉆井液竄槽的影響，但忽略了活動管柱。 增加鉆井液和水泥漿之間的粘度比可提高鉆井液頂替效率，頂替時能夠保證流體前緣均勻一致，并能防止粘性指進現(xiàn)象的產(chǎn)生。理想的鉆井液性能包括低動切應(yīng)力、低塑性粘度、低失水和低靜切力。人們對影響鉆井液頂替效率的因素進行了研究，并取得了一定的成果，多數(shù)人認為如下因素影響鉆井液頂替效率的提高：鉆井液性能調(diào)整；活動管柱和套管居中；流體排量；隔離液和沖洗液設(shè)計（包括密度差）。 一次固井作業(yè)時，應(yīng)避免鉆井液或水泥漿 竄槽導(dǎo)致頂替效率不高 ， 大肚子井段窩存鉆井液、鉆井液或水泥漿竄槽均可能導(dǎo)致氣竄。 1989 年， Sutton 和 Ravi 采用數(shù)學(xué)模型說明了鉆井液竄槽是水泥漿靜膠凝強度發(fā)展和井下失水共同作用的結(jié)果，并不是因為氣體侵入了未凝結(jié)水泥漿 [16]。據(jù)此可以看出，只要水泥漿孔隙中充滿自由水，且不流動，地層氣體也就不可能侵入水泥漿基體，從而就產(chǎn)生了 “ 不滲透 ” 水泥漿，這也是不滲透水泥漿的起源。 Cheung 等 [14]采用氣體流動模擬裝置研究了降失水劑、發(fā)氣劑、 自由水控制劑和橋堵材料對水泥漿防氣竄的影響，得出了如下結(jié)論：（ 1）只要水泥孔隙壓力高于氣層壓力，氣體就不會侵入水泥基體；（ 2）如果氣泡聚并形成氣槽，水泥漿中的氣相就不能起到防氣竄的作用。 1980 年 ， Sabins 等 [18]擴展了水泥漿過渡時間的概念，他們將過渡時間定義為水泥漿從真實的水力流體轉(zhuǎn)變到具有一切固體性質(zhì)的高粘稠體的階段。通過實驗室模型，在自由水過多的水泥漿中，他們觀察到了模擬斜井眼中的自由水竄槽，根據(jù)這些研究 ， 據(jù)此提出了水泥漿有效密度的降低至少取決于兩個因素：自由水含量和井斜角。他們報道孔隙壓力的迅速降低是因為水泥基體中液相（水）的低壓縮性，建議可以通過引入諸如夾帶、添加或就地生成高度分散的氣相之類的高可壓縮相來維持這一壓力。同 年， Levine 等 [17]討論了一系列控制氣竄的實際技術(shù)措施，引入了預(yù)測固井后氣竄潛力的圖解法。 如文獻所報道的，另外一種改進氣竄控制的途徑就是采用膨脹水泥提高套管 /水泥環(huán)和水泥環(huán) /地層兩個界面的膠結(jié)質(zhì)量。 1976 年， Garcia 和 Clark 開展了一系列試驗，他們發(fā)現(xiàn)如果水泥漿失水或水泥漿因沉降穩(wěn)定性不好而在井眼環(huán)形空間的上部沉降，那么水泥漿發(fā)生沉降處以上的水泥漿靜液柱壓力和鉆井液液柱壓力就不再能夠向下部傳遞， 同時也發(fā)現(xiàn)，水泥漿處于液態(tài)時，層間氣體竄流 能夠得到控制，但水泥漿凝結(jié)以后不久就發(fā)生了氣竄 [15]。 1980 年， Watters 和 Sabins 展示了 15 個月的可壓縮水泥計劃，控制氣竄的成功率為 %[16]。靜壓的降低可歸結(jié)為水相的低壓縮性。水泥膠凝時，初始靜壓就被圈閉在水泥基體內(nèi)。失水導(dǎo)致水泥漿脫水和井壁垮塌導(dǎo)致橋堵以及 上部 水泥漿的膠凝是導(dǎo)致氣竄的最后兩個因素。水泥漿初凝后，當氣層壓力高于靜液柱壓力時，水泥漿中就會形成小的氣竄通道。 1972 年， Carter 和 Slagle 認識到流體密度是四個導(dǎo)致氣竄的第一因素 [16]。 1980 年， Sabins 等認為可通過測試靜膠凝強度確定過渡時間的開始和結(jié)束，他們的實驗室試驗表明，靜膠凝強度大約為 時就足以限制氣體流動，大約 時就能夠限制所有氣體滲流 [16]。通常認為過平衡壓力損失時，氣竄就會發(fā)生，而過平衡壓力的損失是因為靜膠凝強度發(fā)展和失水共同作用的結(jié)果（ Carter 和 Slagle， 1972 年； Garcia 和 Clark， 1976 年； Levine 等， 1979 年； Cooke等， 1983 年 ） [16]。通過未凝結(jié)水泥漿的氣竄的認識方面已經(jīng)作了大量工作，提出了一些解決方法。人們已經(jīng)證實了水泥添加劑能夠改善水泥膠結(jié)質(zhì)量，并有助于控制氣竄（ Tinsley 等， 1980 年； Jones和 Carpenter， 1991 年； Talabani 等， 1993 年） [16]。 根據(jù)固井作業(yè)規(guī)范，水泥漿中可以加入多達 40 種化學(xué)添加劑達到期望的水泥漿性能。根據(jù)