注水泥环空气体窜流原因分析及防控技术.doc

单位代码：单位代码：10615西西 南南 石石 油油 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文论文题目：论文题目： 注水泥环空气体窜流原因分析及防控技术注水泥环空气体窜流原因分析及防控技术1. 绪论绪论多年以来，钻井、固井作业期间以及固井作业后，地层流体（油、气、水）侵入环空已被认为是石油行业最为棘手的问题之一，其中最为关键和最危险的问题之一就是气窜，这也是经常发生的问题（Bearden 等，1964 年；Carter 等，1970 年；Sutton 等，1984 年）[1,2,3]固井作业是油气井建井过程中必不可少的重要环节，一次固井作业的两个主要目的就是支撑套管和实现层间封隔，而气窜导致层间封隔的目标难以实现，所以石油行业的挑战就是实现长期层间封隔、防止气窜发生[4,5]1.1 本文的研究目的及意义本文的研究目的及意义气窜也称为气体连通或气体泄漏（Carter 等，1970 年） 、环空气体流动（Garcia 和Clark，1976 年） 、气窜（Parcevaux 等，1983 年） 、固井后流动（Webster 和Eikerts，1979 年）或气体侵入（Bannister 等，1983 年） ，是几乎所有天然气井固井都存在的一个潜在问题，最严重的气窜就是井眼失控造成井喷，最轻微的后果是井口增加一定的压力，至于气体在井下层间相互窜通（高压层窜至低压层）则很难被检测出来[1,6]。

注水泥作业后环空气窜是所有天然气井固井都要面临的一个潜在的重大固井工程技术难题，严重的环空气窜不仅使后续钻井作业、射孔作业、修井以及增产措施无法顺利实施，还会影响建井周期、油气的安全开采以及产能的提高，甚至可能导致全井报废，造成巨大的经济损失[7,8,9]天然气井固井至今仍是全球性的头疼问题，全世界约有 25%的完钻井都不同程度地存在环空气窜问题[10]，一旦发生气窜，很容易变成难以解决的问题，因此必须从根本上解决固井后环空气窜的问题美国矿产管理服务机构（Mineral Management Services）提供的气窜统计数据见图 1-1图 1-1 展示了墨西哥湾外大陆架（Outer continental shelf）地区的油气井中，根据井龄划分出现套管带压（Sustained Casing Pressure）的井所占的比例，这些数据中没有包含联邦水域或陆上的井[11]美国墨西哥湾大约 15500 口井中，有 6692 口井或 43%的井至少其中一个套管层次带压，约 10513个带压的套管层次中，47.1%是生产套管、26.2%是表层套管、16.3%是技术套管、10.4%是导管国内各油田多数天然气井固井后数天、几个月之后即发生套管带压、悬挂器喇叭口冒气等现象，致使生产时井口带压，存在重大安全隐患，严重影响油气井开采寿命，对中国天然气的勘探开发极为不利。

四川油气田龙岗气田龙岗 1 井、2 井和 3 井测井结果表明固井封固良好，但是固井后一段时间 9⅝″技术套管和 7″套管环间带压，大庆油田徐深 10、901 井等 5 口井套管环间带压，塔里木油田克拉气田多口井也是 13⅜″技术套管和 9⅞″技术套管环间带压图图 1-1 套管带压（套管带压（SCP）的井与井龄之间的关系）的井与井龄之间的关系[11]固井作业是联系钻完井作业和后期油气开采的重要环节，承前启后、至关重要，直接影响油气田安全合理开发和后续各项施工作业的正常进行固井作业是一项系统工程，涉及多学科，也是一项隐蔽性强、不确定因素多、投资大（占整个钻井成本的15%～30%） 、风险高、且具有一次性作业特点的系统工程，必须仔细考虑每一个作业环节和每一道施工工序，否则可能引发环空气体窜流，导致层间封隔失效，固井质量无法保证环空发生气窜后，只能在小范围内通过挤水泥予以补救，不但造成大量的人力、物力和财力的浪费，而且影响了后续作业的顺利进行和实施效果，有时甚至无法弥补[12,13]随着国际原油价格的一路飙升和能源供应紧张的加剧，近年来天然气勘探开发步伐逐渐加快，所钻井越来越多、越来越深，固井所面临的问题越来越复杂，主要表现在以下几个方面：（1）所钻井越来越深，井身结构趋于复杂，井身结构的局限性导致固井质量难以提高；（2）井底温度、压力越来越高，水泥浆性能难以得到有效保证（高温高压下失水过大、稠化时间调控困难） ，环空浆柱结构设计难度加大，无形之中加大了防气窜难度；（3）为了缩短建井周期大规模采用空气钻井、欠平衡钻井等新工艺，导致钻井作业时井眼质量无法得到有效保证，不利于注水泥作业提高顶替效率；（4）井下情况复杂多变，如地层压力层系多、气显示段多、漏层多，平衡注水泥困难，且难以在候凝过程中压稳地层流体； （5）腐蚀性地层流体的存在（盐水、地层水、H2S 和 CO2） 、开发力度的加大以及增产措施等后续作业对水泥环的长期密封性能提出了更高的要求。

正因为固井作业面临问题的日趋复杂，所以到目前为止，环空气窜问题在国内外都还时有发生，有的地区甚至大面积发生已有的研究结果表明，环空气窜是一个非常复杂的物理、化学作用过程，影响因素多、杂，且各因素之间相互影响、相互制约[12]环空气窜既可受其中某些因素单独作用，也可由其中某些因素综合作用导致，且不同的影响因素，其作用时间、作用原理、作用方式都有所不同，这也进一步增加了固井作业防气窜的难度[12]国内外各油田公司、服务公司和科研院所对固井后环空气窜机理、气窜预测方法以及防气窜工程工艺措施均开展了大量系统深入地研究，在固井实践中也进行了广泛应用，收到了较好的应用效果，从实践和研究工作中形成和产生了一些有价值的防气窜理论，得到了诸多防气窜技术措施，但是还不完善和系统，未能从根本上解决固井后环空气窜的问题固井作业的主要目的是在整个油气井正常生产寿命期间提供良好的层间封隔，因此，要防止环空气窜实现层间封隔、提高固井质量，有必要对环空气窜发生原因及其影响因素进行更深入、更系统和更广泛地研究，以期有助于人们深刻认识和理解气窜问题，系统地开展防气窜工作，以更好地控制和解决固井气窜问题众所周知，既然固井工程自身就是一项系统工程，那么其中的气窜问题也应属于大系统工程中的小系统工程，必须对其展开系统研究才可能取得一定进展。

力图通过本文的研究工作，在前人研究的基础上，以物理、化学和材料科学为基础，从系统工程的角度出发，全面弄清环空气窜发生的诸多原因，从气窜发生的几个本质原因入手，包括水泥浆失水和水化体积、水泥胶凝收缩导致作用于气层的环空水泥浆浆柱静压降低、顶替效率不高导致窜槽提供气窜通道、水泥环先天缺陷成为环空气窜薄弱点以及水泥环井下力学行为改变导致水泥环力学失效引起气窜，考察钻井液滤饼对水泥浆失水的影响，并深刻分析不同温度下水泥浆浆体稳定性、失水和析水综合因素对水泥浆凝固后外观体积收缩、孔隙压力降低、静胶凝强度发展以及初终凝时间的影响规律期待通过全面探讨气体窜流发生的条件、原因以及通道，结合室内基础实验研究工作，为天然气井固井水泥浆体系防气窜设计及防气窜工程工艺技术措施的制定提供些许科学合理的参考依据，据此提出天然气井固井防气窜技术综合指导思想1.2 国内外研究现状国内外研究现状不论是钻井作业、完井作业还是后期开发，对固井作业的质量要求均可归结到良好的层间封隔一旦环空发生气窜，就无法有效保证层间封隔效果既然如此，固井质量的好坏就应该根据层间封隔效果来确定固井作业后要达到良好的层间封隔，要求水泥环/套管界面、水泥环/地层界面紧密结合封固良好，同时还要求水泥环自身无缺陷和套管-水泥环-地层三者具有良好的协调变形能力，这样地下气体就不可能在固井作业水泥封固段的两个界面和水泥环本体处发生窜流，井口、套管环间的带压现象才能得以消除。

诚然，层间封隔不佳，必然会导致气窜基于此，我们研究气窜问题也应从影响层间封隔的因素入手，凡是影响层间封隔的因素必然影响气窜而层间封隔与固井质量的好坏密切相关，所以研究气窜问题，也应从影响固井质量的因素出发，二者的影响因素是等价的从上世纪 50 年代开始，人们就致力于提高固井质量的研究，研究成果在现场也得到了广泛的应用，在现场和实验室得出了很多具有很强指导意义的技术措施要提高固井质量必须依赖良好固井实践，良好固井实践主要包括钻井液性能调整、固井作业时活动管柱、套管居中、流体环空流速、隔离液和冲洗液设计以及流体之间的密度差[14]良好固井实践主要集中在提高钻井液顶替效率方面，顶替效率的提高对提高固井质量和层间封隔效果尤为重要如果固井作业时无法保证顶替效率，那么谈任何防气窜工作都是毫无意义的1.2.1 国外研究状况国外研究状况整个石油行业已经认识到了需要采用恰当的水泥浆顶替措施来实现良好的一次固井作业早在 1948 年，Howard 和 Clark 对提高固井质量的技术措施进行了广泛研究[14]1964 年，Bearden 等引入了安放在套管上以控制层间互窜的特殊工具——管外封隔器，该装置由一个可变形的橡胶密封圈和浇铸橡胶密封圈的两个钢法兰组成，其中一个钢法兰可以自由移动[14]。

1966 年，Scott 和 Brace 报道了一次固井作业时，可采用下入带树脂涂层的套管来提高固井质量[14]20 世纪 60 年代初，美国的气井出现了严重的气体连通问题时，气体窜流现象才得以被人们所认识（Stone 和 Christian，1974 年）[1]上世纪 70 年代早期，Evans 和 Carter 就揭示了管柱表面状况（粗糙度和润湿性）对套管/水泥环、地层井壁/水泥环两个界面胶结质量的重要性[14]为了探索引起环空气窜的原因，Exxon 公司和 Dowell 公司 1968 年对水泥浆液柱的压力行为进行了研究，后来Exxon 公司和 Halliburton 公司在此基础上更好的模拟井下条件继续展开研究，发现了水泥浆凝结过程中浆柱压力损失这一水泥的独特现象[15]1970 年，Carter 和 Slagle 发表了第一篇试图解释气体连通问题而不是套管/水泥环和水泥环/地层界面气体泄漏的文章，此文正式引入了水泥浆浆柱不能有效传递静水压力的概念[14]1974 年，Stone 和Christian[14]采用实验室大尺寸模型说明了在水泥浆初凝以前，当地层气体压力高于水泥浆液柱压力时，水泥浆内部就会产生气窜通道，甚至在气体压力降低以后，气窜仍会继续发生。

根据他们两人的推荐，提出了需要采用提高钻井液和水泥浆顶替效率的措施以及采用具有良好失水控制和短凝结时间的水泥浆1976 年，Exxon 公司的 Garcia和 Clark 采用气体流动模拟装置进行室内模拟试验探索气窜原因，室内实验和现场采用噪声测井试验均表明，水泥浆处于液态时，气窜不会发生，气窜在水泥浆凝结后发生，得出了水泥浆失水越小越好和混合水比例越小越好的结论[15]根据固井作业规范，水泥浆中可以加入多达 40 种化学添加剂达到期望的水泥浆性能水泥添加剂可分为①密度控制；②凝结时间控制；③防漏；④失水控制；⑤粘度控制；⑥处理复杂问题的特殊添加剂（1986 年，Burgoyne 等）几种类型[16]人们已经证实了水泥添加剂能够改善水泥胶结质量，并有助于控制气窜（Tinsley 等，1980 年；Jones 和 Carpenter，1991 年；Talabani 等，1993 年）[16]凝结水泥浆从液相转变为胶凝相直至硬化时，气窜可在未凝结水泥浆中发生通过未凝结水泥浆的气窜的认识方面已经作了大量工作，提出了一些解决方法2001 年，Zhou 和 Wojtanowicz 建立了一个数学模型，该模型考虑了水泥浆的胶凝、体积收缩以及可压缩性三个方面，对凝结水泥浆浆柱的静压损失进行了描述[16]。

通常认为过平衡压力损失时，气窜就会发生，而过平衡压力的损失是因为静胶凝强度发展和失水共同作用的结果（Carter 和 Slagle，1972 年；Garcia 和 Clark，1976 年；Levine 等，1979 年；Cooke 等，19。