【正文】 他們兩人的推薦，提出了需要采用提高鉆井液和水泥漿頂替效率的措施以及采用具有良好失水控制和短凝結(jié)時間的水泥漿。 1970 年， Carter 和 Slagle 發(fā)表了第一篇試圖解釋氣體連通問題而不是套管 /水泥環(huán)和水泥環(huán) /地層界面 氣體泄漏 的文章 ，此文正式引入了水泥漿漿柱不能有效傳遞靜水 壓力的概念 [14]。 上 世紀70 年代早期， Evans 和 Carter 就揭示了 管柱表面狀況（粗糙度和潤濕性）對套管 /水泥環(huán)、地層井壁 /水泥環(huán)兩個界面膠結(jié)質(zhì)量的重要性 [14]。 1966 年， Scott 和 Brace 報道了一次固井作業(yè)時，可采用下入帶樹脂涂層的套管來提高固井質(zhì)量 [14]。早在 1948 年， Howard 和 Clark 對提高固井質(zhì)量的技術(shù)措 施進行了廣泛研究 [14]。如果固井作業(yè) 時 無法保證頂替效率，那么談任何防氣竄工作都是毫無意義的。要 提高固井質(zhì)量 必須依賴良好固井實踐， 良好固井實踐主要包括鉆井液性能調(diào)整、固井作業(yè)時活動管柱、套管居中、 流體環(huán)空流速、隔離液和沖洗液設(shè)計以及流體之間的密度差 [14]。而層間封隔與固井質(zhì)量的好壞密切相關(guān)，所以研究氣竄問題，也應從影響固井質(zhì)量的因素出發(fā) ，二者的影響因素是等價的 。 誠然，層間封隔不佳，必然會導致氣竄。既然如此， 固井質(zhì)量的好壞 就 應該根據(jù)層間封隔效果來確定。 國 內(nèi)外 研究現(xiàn)狀 不論是鉆井 作業(yè) 、完井作業(yè)還是后期開發(fā) ，對固井作業(yè)的質(zhì)量要求均可歸結(jié)到良好的層間封隔 。力圖通過本文的研究工作， 在前人研究的基礎(chǔ)上，以物理、 化學和材料科學為基礎(chǔ)， 從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)， 全面弄清 環(huán)空氣竄發(fā)生的諸多原因，從氣竄發(fā)生的 幾個 本質(zhì) 原因 入手，包括水泥漿失水 和水化體積、水泥膠凝 收縮導致 作用于氣層的 環(huán)空水泥漿漿柱靜壓降低、頂替效率不高導致竄槽提供氣竄通道 、 水泥環(huán)先天缺陷成為環(huán)空 氣竄 薄弱點以及水泥環(huán)井下力學行為改變導致水泥環(huán)力學失效引起氣竄 ， 考察鉆井液濾餅對水泥漿失水的影響，并深刻分析不同溫度下水泥漿漿體穩(wěn)定性、失水和析水 綜合因素 對水泥漿 凝固后外觀 體積收縮、孔隙壓力降低 、 靜 膠凝強度發(fā)展 以及初終凝時間 的影響 規(guī)律 。固井作業(yè)的主要目的是在整個油氣井正常生產(chǎn)壽命期間提供良好的層間封隔，因此， 要防止環(huán)空 氣竄 實現(xiàn)層間封隔、 提高固井質(zhì)量， 有必要對環(huán)空氣竄發(fā)生原因及其影響因素進行更深入、 更 系統(tǒng) 和 更廣泛 地研究，以期有助于人們深刻認識和理解 氣竄問題，系統(tǒng)地 開展 防氣竄工作， 以 更好地控制 和 解決 固井氣竄問題 。環(huán)空 氣竄 既可 受 其中某些因素單獨作用，也可由其中某些因素綜合作用 導致 ，且不同的影響因素，其作用時間、作用原理、作用方式都有所不同， 這也 進一步 增加了固井 作業(yè) 防氣 竄的難度 [12]。 正因為 固井作業(yè)面臨問題的 日趨 復雜 ， 所以 到目前為止，環(huán)空 氣竄 問題在國內(nèi)外都還時有發(fā)生，有的地區(qū)甚至大面積 發(fā)生。環(huán)空發(fā)生氣竄后，只能在小范圍內(nèi)通過擠水泥予以補救， 不但 造成大量的人力、物力 和財力的浪費， 而且 影響了后續(xù)作業(yè)的順利進行和實施效果，有時甚至無法彌補 [12,13]。 圖 11 套管帶壓（ SCP） 的井與井齡之間的關(guān)系 [11] 固井 作業(yè)是聯(lián)系鉆 完 井作業(yè)和后期油氣開采的重要環(huán)節(jié)， 承前啟后、 至關(guān) 重要 ，直接影響油氣田安全合理開發(fā)和后續(xù) 各項施工 作業(yè)的正常進行。 國內(nèi)各油田多數(shù)天然氣井固井后數(shù)天、幾 個 月 之 后即發(fā)生套管帶壓、懸掛器喇叭口冒氣 等現(xiàn)象 ，致使生產(chǎn)時井口帶壓， 存在重大安全隱患 ， 嚴重影響油氣井開采壽命，對中國天然氣的 勘探 開發(fā)極為不利。 圖 11 展 示 了 墨西哥灣外大陸架（ Outer continental shelf）地區(qū)的 油氣 井中 ，根據(jù) 井齡劃分出現(xiàn)套管帶壓（ Sustained Casing Pressure）的井所占的比例，這些數(shù)據(jù)中沒有包含聯(lián)邦水域或陸上的井 [11]。 天然氣井固井至今仍是全球性的頭疼問題，全世界約有 25%的完鉆井都不同程度地存在環(huán)空氣竄問題 [10]，一旦發(fā)生氣竄，很容易變成難以 解決的問題，因此必須從根本上解決固井后環(huán)空氣竄的問題。 本文的研究目的及意義 氣竄也稱為氣體連通或氣體泄漏 （ Carter 等 ， 1970 年 ） 、環(huán)空氣體流動 （ Garcia 和Clark， 1976 年 ） 、氣竄 （ Parcevaux 等 ， 1983 年 ） 、固井后流動 （ Webster 和 Eikerts， 1979年 ） 或氣體侵入 （ Bannister 等 ， 1983 年 ） ，是幾乎所有天然氣井固井 都 存在的一個潛在問題，最嚴重的氣竄就是井眼 失控造成井噴，最輕微的后果是井口增加一定的壓力，至于氣體在井下層間相互竄通 （高壓層竄至低壓層） 則很難被檢測出來 [1,6]。 單 位代碼： 10615 西 南 石 油 大 學 博 士 學 位 論 文 論文題目： 注水泥 環(huán)空氣體竄流原因分析及防控技術(shù) 1. 緒論 多年以來，鉆井、固井作業(yè)期間以及固井作業(yè)后，地層流體 （油、氣、水） 侵入環(huán)空已被認為是石油行業(yè)最為棘手的問題之一，其中最 為 關(guān)鍵和最危險的問題之一就是氣竄，這也是經(jīng)常發(fā)生的問題 （ Bearden 等 ， 1964 年 ； Carter 等 ， 1970 年 ； Sutton 等 ， 1984年 ） [1,2,3]。 固井作業(yè)是油氣井建井過程中必不可少的 重要 環(huán) 節(jié)， 一次固井作業(yè)的兩個主要目的就是支撐套管和實現(xiàn)層間封隔， 而 氣竄 導致 層間封隔的目標難以實現(xiàn) ， 所以 石油行業(yè)的挑戰(zhàn)就是實現(xiàn)長期 層間封隔、 防止氣竄發(fā)生 [4,5]。 注水泥作業(yè) 后環(huán)空氣竄是所有天然氣井固井都要面臨的一個潛在的重大固井工程技術(shù)難題，嚴重的環(huán)空氣竄不僅使后續(xù)鉆井作業(yè)、射孔作業(yè) 、修井 以及增產(chǎn)措施無法順利實施，還會影響建井周期、油氣的安全開采以及產(chǎn)能的提高，甚至可能 導致 全井報廢，造成巨大的經(jīng)濟損失 [7,8,9]。 美國礦產(chǎn)管理服務機構(gòu)（ Mineral Management Services）提供的 氣竄 統(tǒng)計數(shù)據(jù) 見圖 11。美國墨西哥灣大約 15500 口井中，有 6692 口井或 43%的井至少其中一個套管層次帶壓，約 10513 個帶壓的套管層次 中，%是生產(chǎn)套管、 %是表層套管、 %是技術(shù)套管、 %是導管。 四川油氣田 龍崗氣田 龍崗 1 井 、 2 井和 3 井測井結(jié)果表明固井 封固良 好，但是固井后一段時間 9?″技術(shù)套管和 7″套管環(huán)間帶壓，大慶油田徐深 901 井等 5 口井套管環(huán)間帶壓，塔里木油田克拉氣田多口井也是 13?″技術(shù)套管和 9?″技術(shù)套管環(huán)間帶壓。固井作業(yè)是一項系統(tǒng)工程，涉及多學科， 也是一項隱蔽性強、不確定因素多、投資大 （ 占 整個鉆井成本 的 15%～30%） 、風險 高 、且具有一次性作業(yè)特點的系統(tǒng)工程， 必須仔細 考慮 每 一個 作業(yè) 環(huán)節(jié) 和每一道施工工序 ， 否則 可能引發(fā)環(huán)空 氣體 竄流 ， 導致 層間封隔失效， 固井質(zhì)量 無法保證 。 隨著國際原油價格的一路飆升和能源供應緊張的加劇，近年來天然氣勘探開發(fā)步伐逐漸加快，所鉆井越來越多、越來越深，固井所面臨的 問題 越來越復雜，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1） 所鉆井越來越深，井身結(jié)構(gòu)趨于復雜，井身結(jié)構(gòu)的局限性導致固井質(zhì)量難以提高 ； （ 2）井底溫度、壓力越來越高，水泥漿性能難以得到有效保證（高溫高壓下失水過大、稠化時間調(diào)控困難），環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計難度加大，無形之中加大了防氣竄難度； （ 3）為了 縮短 建井周期大規(guī)模采 用空氣鉆井、欠平衡鉆井等新工藝，導致鉆井作業(yè)時井眼質(zhì)量無法得到有效保證，不利于注水泥作業(yè)提高頂替效率； （ 4） 井下情況復雜多變，如 地層壓力層系多、氣顯示段多、漏層多， 平衡注水泥困難， 且 難以在候凝過程中壓穩(wěn)地層流體； （ 5） 腐蝕性地層流體的存在（鹽水、 地層水、 H2S 和 CO2）、 開發(fā)力度 的 加大 以及增產(chǎn)措施等后續(xù)作業(yè)對水泥環(huán)的長期密封性 能 提出了更高的要求。 已有的研究結(jié)果表明，環(huán)空 氣竄 是一個非常復雜的物理 、化學作用過程，影響因素多 、 雜，且各因素之間相互影響、相互制約 [12]。國內(nèi)外各油田公司、服務公司和科研院所對固井后環(huán)空氣竄機理、氣竄預測方法以及防氣竄工程工藝措施均 開展 了大量系統(tǒng)深入地研究， 在固井 實踐 中 也 進行了 廣泛 應用 ， 收到 了較好的應用效果， 從實踐和研究工作中 形成 和產(chǎn)生 了一些有價值的防 氣 竄理論 ，得到了諸多 防 氣 竄技術(shù)措施， 但 是還不完善和 系統(tǒng)， 未能從根本上解決固井后環(huán)空氣竄的問題。 眾所周知，既然 固井工程自身就是一項系統(tǒng)工程， 那么 其中的氣竄問題也應屬于大系統(tǒng)工程中的小系統(tǒng)工程 ，必須對其展開系統(tǒng)研究才可能取得一定進展 。期待通過 全面 探討氣體 竄流 發(fā)生 的 條件、 原因以及 通道，結(jié)合室內(nèi)基礎(chǔ)實驗研究 工作 ， 為天然氣井固井水泥漿體系 防氣竄 設(shè)計及防氣竄工程工藝技術(shù)措施 的制定 提供 些許 科學合理的參考依據(jù) ，據(jù)此提出天然氣井固井防氣竄技術(shù)綜合指導思想 。 一旦環(huán)空發(fā)生氣竄，就無法有效保證 層間封隔 效果 。 固井作業(yè)后要達到良好的 層間 封隔，要求水泥環(huán) /套管界面、水泥環(huán) /地層界面緊密結(jié)合封固良好，同時還要求水泥環(huán)自身無缺陷 和套管 水泥 環(huán) 地層三者具有良好的協(xié)調(diào)變形能力 ， 這樣 地下 氣體就不可能在固井 作業(yè)水泥封固段 的 兩個界面和水泥環(huán)本體處發(fā)生竄流 ，井口、套管環(huán)間的帶壓現(xiàn)象才能得以消除 ?；诖耍覀冄芯繗飧Z問題也應從影響層間封隔的因素入手，凡是影響層間封隔的因素必然影響氣竄。 從上世紀 50 年代開始，人們就致力于提高固井質(zhì)量的研究，研究成果在現(xiàn)場也 得到 了廣泛的應用， 在現(xiàn)場和 實 驗室得出了很多具有很強指導意 義的技術(shù)措施。 良好固井實踐主要集中在提高鉆井液頂替效率方面，頂替效率的提高對提高固井質(zhì)量和層間封隔效果尤為重要。 國外研究狀況 整個石油行業(yè)已經(jīng)認識到了需要采用恰當?shù)乃酀{頂替措施來實現(xiàn)良好的一次固井作業(yè)。1964 年， Bearden 等引入了安放在套管上以控制層間互竄的特殊工具 ——管外封隔器，該裝置由一個可變形的橡膠密封圈和澆鑄橡膠密封圈的兩個鋼法蘭組成，其中一個鋼法蘭可以自由移動 [14]。 20 世紀 60 年代初，美國的氣井出現(xiàn)了嚴重的氣體連通問題時， 氣體竄流 現(xiàn)象才得以被人們所認識 （ Stone 和 Christian， 1974 年 ） [1]。 為了探索引起環(huán)空氣竄的原因， Exxon公司和 Dowell 公司 1968 年對水泥漿液柱的壓力行為進行了研究，后來 Exxon 公司和Halliburton 公司在此基礎(chǔ)上更好的模擬井下條件繼續(xù)展開研究， 發(fā)現(xiàn)了 水泥漿凝結(jié)過程中漿柱壓力損失這一水泥的獨特現(xiàn)象 [15]。 1974 年， Stone 和 Christian[14]采用實驗室大尺寸模型說明了在水泥漿初凝以前，當?shù)貙託怏w壓力高于水泥漿液柱壓力時，水泥漿內(nèi)部就會產(chǎn)生氣竄通道，甚至在氣體壓力降低以后，氣竄仍會繼續(xù)發(fā)生。 1976 年， Exxon 公司的 Garcia 和 Clark 采用氣體流動模擬裝置進行室內(nèi)模擬試驗探索氣竄原因 ，室內(nèi)實驗 和現(xiàn)場采用噪聲測井試驗均表明，水泥漿處于液態(tài)時，氣竄不會發(fā)生，氣竄在水 泥漿凝結(jié)后發(fā)生，得出了水泥漿失水越小越好和混合水比例越小越好的結(jié)論 [15]。水泥添加劑可分為 ① 密度控制； ② 凝結(jié)時間控制； ③ 防漏； ④ 失水控制； ⑤ 粘度控制； ⑥ 處理復雜問題的特殊添加劑（ 1986 年， Burgoyne 等） 幾種類型 [16]。 凝結(jié)水泥漿從液相轉(zhuǎn)變?yōu)?膠凝相直至硬化時，氣竄可在未凝結(jié)水泥漿中發(fā)生。 2020 年，Zhou 和 Wojtanowicz 建立了一個數(shù)學模型，該模型考慮了 水泥漿的 膠凝、體積收縮以及可壓縮性 三個方面 ，對凝結(jié)水泥漿漿柱的靜壓損失進行了描述 [16]。水泥漿向滲透性地層失水或水泥水化導致自由水體積減少，而水泥水化膠凝抑制了壓力通過凝結(jié)水泥漿漿柱傳遞彌補自由水的體積減少 ， 此時氣體就可侵入凝結(jié)的水泥漿并滲透到地表形成永久性氣竄通道。 1986 年，Stewart 和 Schouten 提出了水泥降壓作用假說，即水泥初凝時，放熱水化開始，孔隙水參加水化導致孔隙壓 力降至靜水壓力梯度以下 ，其 研究結(jié)果表明，水泥漿的靜膠凝強度約為 時就足以使小氣泡停止移動 [16]。氣層壓力高于水泥漿 漿 柱靜液柱壓力時，氣體才會通過水泥漿柱流動。此外，因熱流體循環(huán)， 上部 水泥漿凝結(jié)過早也會阻止靜壓傳遞，引發(fā)地層氣體竄流。 為了在水泥漿過渡時間內(nèi) 減緩靜壓降低， Tinsley 等 1980 年提出了夾氣水泥漿 [16]。因水化或失水引起的任何體積減少，均會引起水泥基體內(nèi)自由水孔隙壓力的降低。氣相的引入增加了水泥漿的可壓縮性，因此維持了孔隙壓力。 在前人研究的基礎(chǔ)上， 1975 年 Christian 等寫了一篇關(guān)于采用失水控制良好的水泥漿來防止氣竄，他們的研究表明，由于缺乏失水控制導 致水泥漿過早脫水也許是導致氣竄的首要原因，水泥水化需要采用降失水劑來束縛水泥漿中的自由水，且能降低流體通過水泥孔隙流動的能力 [14]。 1977 年， Cook 和 Cunningham 認為 加強水泥漿的失水控制可以減 緩氣侵和降低水泥 漿滲透率， 推薦封固多個