【正文】 受毛細(xì)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(gè)空穴，這將導(dǎo)致孔隙壓力的下降和“負(fù)壓效應(yīng)”。段塞氣向上運(yùn)移通 道?；|(zhì)竄流是氣體通過水泥基質(zhì)流動(dòng)的一種機(jī)理。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。 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。 對(duì)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(jī)理。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。 CO2 主要影響水泥石的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率和抗折、抗壓強(qiáng)度，破壞水泥結(jié)構(gòu)的完整性。 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。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 )。兩種作用均產(chǎn)生可通過任一種流體的高 傳導(dǎo)通道。 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(zhǎng)一段時(shí)問內(nèi)發(fā)生，有的井檢測(cè)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(jī)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。 3）水泥漿設(shè)計(jì)不合理 水泥漿設(shè)計(jì)不合理主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(jì)水泥漿時(shí)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(zhǎng)期封隔的需要。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(shí)的頂替效率。固井的主要目的就是要對(duì)套管外環(huán)空進(jìn)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。外管柱受壓，會(huì)導(dǎo)致井口竄氣或?qū)娱g竄流，會(huì)對(duì)人身、井口設(shè)備及環(huán)境造成很大的危險(xiǎn)。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(jī)械斷裂都會(huì)產(chǎn)生氣體泄漏。 環(huán)空帶壓或井口竄氣的原因分析 國(guó)外天然氣開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}暴露早，通過對(duì)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(gè)方面：油管和套管泄漏，固井時(shí)頂替效率低，西南石油大學(xué)專科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 水泥漿體系選擇或配方設(shè)計(jì)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(shí)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。 3）氣井開采時(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)期，環(huán)空帶壓與井的壽命緊密相關(guān)，開采時(shí)間越長(zhǎng)越易帶壓。井口釋放氣體的體積少的時(shí)候基本接近零，多的時(shí)候一天接近 1000m3。 2）環(huán)空帶壓的壓力差別大 天然氣井環(huán)空帶壓時(shí)，根據(jù)每口井儲(chǔ)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。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。 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。如果水泥漿的防竄能力差或固井時(shí) 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(shí)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(shí)間的延長(zhǎng)，就會(huì)發(fā)生環(huán)空帶壓、井口竄氣或?qū)娱g竄流問題。補(bǔ)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(bǔ)救方式。環(huán)空帶壓或?qū)訂柛Z流不突出時(shí)，會(huì)增加氣井持續(xù)環(huán)空壓力機(jī)理及安全評(píng)價(jià)研究 11 壓力監(jiān)測(cè)與井口放壓的成本；嚴(yán)重時(shí)需要關(guān)井，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致整口井甚至整個(gè)井組報(bào)廢。 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。有的井，特別是天然氣井，即使注水泥時(shí)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(shí)，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(shí)例給予證實(shí)。為此 , 研究了造成環(huán)空帶壓的原因 , 認(rèn)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。 2. 油管、套管 及其附件 (如封隔器、滑套等 )密封失效。 近年來國(guó)內(nèi)盡管做了許多工作 , 但是固井后環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}仍然較為突出。 “ 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(huì)使流體從油管柱內(nèi)流向“ A”環(huán)空。 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(dòng)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。同時(shí)，關(guān)井前后的壓力差引起環(huán)空管柱的鼓脹效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致環(huán)空帶壓。所有的氣井在最初進(jìn)行開采過程時(shí)都會(huì)發(fā)生溫度效應(yīng)引起的環(huán)空帶壓現(xiàn)象。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。原因是由于生產(chǎn)層的壓力相對(duì)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(dòng)能力。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 。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。 環(huán)空帶壓是指井口環(huán)空壓力表非正常啟壓。 圖 環(huán)空示意圖 氣井持續(xù)環(huán)空壓力機(jī)理及安全評(píng)價(jià)研究 9 持續(xù)環(huán)空壓力，一是由于油氣井組件泄漏，導(dǎo)致流體流經(jīng)油氣井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。根據(jù)環(huán)空所處位置不同 ,可以將環(huán)空依次表示為“ A”環(huán)空、“ B”環(huán)空、“ C”環(huán)空 .....“ A”環(huán)空表示油管和生產(chǎn)套管之間的環(huán)空 , “ B”環(huán)空表示生產(chǎn)套管和與之相鄰的上一層套管之間 的環(huán)空。 技術(shù)路線 綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及現(xiàn)場(chǎng)資料分析產(chǎn)生異常環(huán)空帶壓原因：通過對(duì)塔里木高壓氣井現(xiàn)狀的研究，總結(jié)導(dǎo)致各級(jí)環(huán)空壓力泄漏的可能通道，建立環(huán)空帶壓異常判斷方法，并實(shí) 例加以驗(yàn)證：建立數(shù)學(xué)模型研究熱效應(yīng)環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}：通過規(guī)范氣井動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)空壓力管理、井控管理，研究適宜于塔里木油田那 2氣體、克拉 2氣體的安全生產(chǎn)管理方法。在實(shí)踐中要發(fā)現(xiàn)問題 —— 提出問題 —— 作出假設(shè) —— 解決問題 —— 作出結(jié)論。 針對(duì) 克拉 2 氣田的井口距離長(zhǎng)、井站分散、安全要求高的特點(diǎn)，使用了美國(guó)Honeywell 公司最新一代 DCS 系統(tǒng)（過程知識(shí)系統(tǒng) PKS）、安全管理系統(tǒng)（ FSC）及美國(guó) Bristol Babcock 公司的 Control Wave 系列 RTU，分別實(shí)現(xiàn)過程控制、安全管理和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控功能。根據(jù)克拉 2氣田單井的實(shí)際情況，通過先靜態(tài)后動(dòng)態(tài)的評(píng)估程序完成了克拉 2氣田單井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。針對(duì)環(huán)空壓力異常問題，塔里木油田在國(guó)內(nèi)首次開展了單井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。 中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院完井固井所的齊秦忠等人分析了環(huán)空帶壓的危害，從固井的角度提出若干預(yù)防措施。但是該模型僅僅局限于壓力上升，并沒有考慮氣體在泥漿中的運(yùn)移，在卸壓和早期壓力上升階段，這是控制套管壓力很重要的一個(gè)過程。 Xu 和 Wojtanowicz 通過考慮水泥上方存在泥漿柱的情況改進(jìn)了 SCP 模型。分析引起 SAP 的原因及深入考慮了油氣井設(shè)計(jì)問題、注水泥問題，并對(duì)避免氣體運(yùn)移和形成微環(huán)空提出了相關(guān)建議。該模型成功應(yīng)用識(shí)別井口、油管和生產(chǎn)套管的泄漏，但對(duì)外層管柱壓力測(cè)試數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng) SAP 補(bǔ)救方法還有待于改進(jìn)。文中闡述了 SAP診斷測(cè)試方法是放壓后以 24 小時(shí)為周期記錄放壓和壓力上升速率，觀察相鄰環(huán)空壓力變化并嚴(yán)格檢測(cè)油管壓力反應(yīng)。 F唧 R活性固化水泥應(yīng)用密度范圍為 1． 40～ 1． 929／ cm3，應(yīng)用溫度范圍 20～ 138℃。 FUTUR 活性固化水泥具有自修復(fù)特性，當(dāng)發(fā)生氣竄時(shí)，不需要人工干預(yù)， FUTUR 活性固化水泥會(huì)自動(dòng)活化，將裂縫封堵。 FUTUR 活性固化水泥施工不需要額外的固井設(shè)備，采用常規(guī)固井工藝，將 FUTUR 活性固化水泥作為領(lǐng)漿及尾漿注入即可。針對(duì) ADCO 區(qū)塊建立了計(jì)算單井個(gè)環(huán)空最大許可環(huán)空地面壓力（ MAASP）的計(jì)算方法。在 SAP 造成的影響中著重指出要格外加強(qiáng)對(duì)熱效應(yīng)引起的 SAP 的監(jiān)測(cè)；當(dāng)監(jiān)測(cè)到持續(xù)環(huán)空壓力時(shí)要考慮潛在的風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行重點(diǎn)加密監(jiān)測(cè)。 Hasan AI HosaniD 對(duì) ADCO 區(qū)塊在套管持續(xù)環(huán)空壓力管理方面的創(chuàng)新性進(jìn)行了概述，系統(tǒng)闡述了如何管理帶有持續(xù)環(huán)空壓力的氣井、如何收集基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、如何與生產(chǎn)注入輸出系統(tǒng)（ PIES)聯(lián)合等內(nèi)容。該推者作法涵蓋了環(huán)空壓監(jiān)西南石油大學(xué)?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 測(cè)、環(huán)空壓力診斷測(cè)試、建立單井的最大環(huán)空許可工作壓力（ MAWOP）以及對(duì)環(huán)空壓力的記錄等內(nèi)容。因此，高壓氣井安全評(píng)價(jià)技術(shù)已經(jīng)成為環(huán)空帶壓氣井的環(huán)空壓力技術(shù)管理不可或缺的內(nèi)容，根據(jù)塔里木油田高壓氣井實(shí)際完井狀況和氣井現(xiàn)場(chǎng)管理經(jīng)驗(yàn)，而環(huán)空壓力安全范圍的確定是其中的重要組成部分，本文給出 了氣井環(huán)空壓力許可值的確定方法，以明確高壓氣井環(huán)空壓力的安全范圍，為環(huán)空帶壓井的管理提供依據(jù)。國(guó)際上，挪威 Norsok D010[6]提出了所有易受影響的環(huán)空都應(yīng)該用最小和最大的操作壓力極限范圍來進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保持壓力水平，確保隨時(shí)都可以了解到的井筒完整性。（如圖 ） 圖 該地區(qū)各層套管帶壓的情況統(tǒng)計(jì)圖 在實(shí)際生產(chǎn)中，環(huán)空壓力過高將可能導(dǎo)致潛在的安全生產(chǎn)事故；若環(huán)空壓力過小，則井口處油套壓差過大，安全系數(shù)過低，長(zhǎng)期疲勞生產(chǎn)，也易發(fā)生事故。 美國(guó)礦產(chǎn)部統(tǒng)計(jì)了美國(guó)外大陸架區(qū)域環(huán)空帶壓情況 美國(guó)礦產(chǎn)部統(tǒng)計(jì)了美國(guó)外大陸架區(qū)域環(huán)空帶壓情況，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域有 8000 多口井存在一個(gè)或多個(gè)環(huán)空同時(shí)帶壓，并且約 50％的環(huán)空帶壓發(fā)生在Ａ環(huán)空（油管 — 生產(chǎn)氣井持續(xù)環(huán)空壓力機(jī)理及安全評(píng)價(jià)研究 3 套管環(huán)間）， 10％環(huán)空帶壓發(fā)生在Ｂ環(huán)空（生產(chǎn)套管 — 技術(shù)套管環(huán)間）， 30％環(huán)空帶壓發(fā)生在Ｃ、Ｄ（兩層技術(shù)套管環(huán)間、技術(shù)套管 — 表層套管環(huán)間）環(huán)空；且隨著生產(chǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，環(huán)空帶壓幾率越大。塔里木的克拉氣田有 ll 口井環(huán)空帶壓，克拉 2— 10 井咖 250． 8mm 技術(shù)套管固井施工達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但投產(chǎn)后套壓達(dá)到53． 8MPa(7800psi)。四川龍崗地區(qū)龍 1井、龍 2井、龍 3井的西 177． 8mm技術(shù)套管持續(xù)環(huán)空帶壓。加拿大環(huán)空壓力問題絕大多數(shù)是由于環(huán)空封固質(zhì)量不好，天然氣竄至井口造成的，原油有的時(shí)候也能沿著竄流通道竄出地面。 加拿大天然氣井或油井持續(xù)環(huán)空壓力情況 在加拿大 ，環(huán)空帶壓存在于不同類型的井中。在這些持續(xù)環(huán)空壓力的井中，共有 10153層套管環(huán)空帶壓，其中 ％屬于生產(chǎn)套管帶壓， ％屬于技術(shù)套管帶壓， ％屬于表層套管帶壓， ％屬于導(dǎo)管帶壓。