注水泥环空气体窜流原因分析及防控技术(编辑修改稿)

注水泥环空气体窜流原因分析及防控技术(编辑修改稿)内容摘要：

需考虑 井斜 60 度及以下井眼中的隔离液沉降 问题。 （ 6）密度差 为了减少窜槽和促使顶替时平滑流体界面的形成，水泥浆的密度应该显著高于所顶替钻井液的密度。 1967 年， McLean 等发现钻井液密度低于顶替液密度时，重力或浮力有助于破坏胶凝钻井液的结构。 钻井液密度大于顶替液密度时，重力 作用就会引起顶替不均。 1977 年， Beirute 和 Flumerfelt 以槽流为基础，建立了描述层流条件下水泥浆和钻井液混相驱替的数学模型。 减小屈服应力差、增加密度差、低顶替排量以及钻井液和水泥浆的流变性对顶替效率影响很大。 1978 年， Martin 等假设钻井液和水泥浆均不混相，建立了一个数学模型，表明提高套管居中度、降低钻井液触变性以及增加钻井液和水泥浆的密度粘度差 均 可获得很好的钻井液顶替效率。 国内研究状况 国内气窜研究起步较晚， 七十年代 中期 才开始对气窜展开研究， 尤以西南石油学院和中国石油天然 气总公司工程技术研究院为主。 这两家单位对水泥浆凝结过程中的气窜机理 开展了 大量 的 研究工作， 基本 弄清了 导致 水泥浆 “ 失重 ” 的原因、规律和影响因素 ，得出了很多 具有实际应用价值的 防气窜方法。 气窜 机理研究 长期以来为防止水泥浆 顶替到位 静止后出现 “ 失重 ” ，在总结了大量生产实践和科学研究的基础上，提出了许多不同的观点和理论，如水泥胶凝、桥堵 （ 水泥饼、钻屑和水泥颗粒下沉以及温度的作用 ） 和水泥浆凝结过程中的收缩等观点来解释和解决 “ 失重 ”问题。 西南石油学院与大港油田完井大队于 1976 年 3～ 7 月和 1977 年 6～ 9 月初步进行了75℃ 下 油井水泥失重、气侵、双凝注水泥及井口憋回压等静态固井模拟试验工作 [20]，先后在四套试验装置上进行了 80 次地面气侵模拟试验，对水泥浆失重和气侵问题得出 了几种 基本看法： ① 水泥浆注入井眼环形空间静止后立即发生 失重 ，环形空间大者失重慢，小者失重快； ② 同一性能的水泥浆温度高时失重快； ③ 水泥浆在凝固时内部过剩自由水的运移会形成纵向水槽和横向水带，这些水槽很可能成为气侵通道； ④ 随水泥浆凝固的进行，它的传压率逐渐下降，在同一时间内，大管径内的传压率的下降值比小管径内少。 这些实验结果证明了水泥浆失重并 不一定必然导致气侵，发生环空气窜的必要充分条件是：水泥孔隙压力 +孔隙流动阻力 气层压力，由此可以得出防止水泥 浆发生 气侵的重要原则应该是在水泥浆凝固过程中始终保持水泥孔隙压力 和 孔隙流动阻力 之和大于 气层压力。 采用充气水泥浆可以达到这一目的，既能保持水泥的高孔隙压力，又能提高水泥的孔隙运移阻力 [21]。 西南石油学院 随后在高温高压条件 [22]，对水泥浆柱 因水泥胶凝引起 “ 失重 ” 和气侵开展了实验 研究 ， 证实了水泥胶凝引起的 “ 失重 ” 和气侵是严重的，而 胶凝 “ 失重 ” 可通过实验和数学分析后 定量计算。 胶凝 “ 失重 ” 主要与温度有关， 与压力无明显关系。 水泥浆 在静止后的凝结过程中，由于水泥的胶凝作用，在水化的水泥颗粒之间 以及 水泥颗粒与井壁和套管之间 形成 了空间 网架结构，使水泥浆柱的一部分重量悬挂在井壁和套管上，从而降低了水泥浆柱作用在下部地层的有效静液柱压力 （ 即 “ 失重 ” ）。 当作用在下部地层的有效静液柱压力 （ 或称剩余压力 ） 低于气层压力时，气体将窜入环形空间。 后来有学者提出无滤失条件下水泥浆的水化体积收缩 胶凝失重 （ 简称 “ HG 失重 ”）观点，即水泥浆失重是由水化体积收缩和胶凝共同作用产生的，并用失重模拟实验进行了检验 [23]。 结果表明： ① 如果胶 凝使水泥浆的水化孔隙体积损失得不到完全补偿，水泥浆孔隙压力就会降低，由此导致 HG 失重； ② HG 失重主要发生在转化期以后，可使水泥浆孔隙压力大大降低， 这 是早期气窜的直接诱因。 西南石油学院对桥堵的形成及水泥浆失重的原因也进行了研究 [24]，得出了一些结论： ① 不同条件，影响水泥浆桥堵失重的因素是不相同的。 在无泥饼的情况下，失水量、压差是主要因素，温度是次要因素；在有泥饼的情况下，温度却是主要因素，失水量、压差为次要因素。 ② 控制水泥浆的失水量在 250 mL 左右，对防止桥堵引起的水泥浆失重和气侵是有好处的，但失水量过 低也是不必要的； ③ 桥堵引起的水泥浆失重，在井下并不普遍存在，只有在易渗透地层和环空间隙较小的井眼内才会出现。 水泥浆胶凝引起的失重，无论什么条件都存在； ④ 桥堵本身能阻止气体窜至井口，但桥堵段下部地层液柱压力的降低，却使其下部压力体系不相同的油、气、水层相互窜流。 加封隔器注水泥是人为的桥堵，它会带来同样的危害； ⑤ 采用环空憋压等一般措施， 难以防止桥堵所引起的失重。 使用防气窜剂或不渗透水泥能够弥补水泥 浆 凝固时液柱压力的降低，对胶凝失重和桥堵失重都是有效的； ⑥ 当水泥浆液柱压力降至水柱压力时，桥堵的抗气侵能力比水泥胶凝 的抗气侵能力强。 用胶凝失重气侵数据，设计防止失重的方法，比按桥堵气侵规律设计安全。 自 1992 年以来，西南石油学院承担了 “ 八五 ” 国家重点科技攻关项目 “ 新疆克拉玛依油 田 石炭、二叠系火山裂缝性油藏水平井完井技术 ” 中的子课题 “ 零析水水泥浆技术研究 ” ， 在国外对大斜度及水平井内水泥浆的 “ 失重 ” 和气侵研究的基础上开展了大量工作 [25]。 证实了大斜度及水平井中，水泥浆的失重和气侵规律与直井不完全相同，主要表现在水泥浆的析水量、井斜角、井径及井身结构等因素的影响。 零析水水泥浆的失重与气侵主要是胶凝悬挂引起的，而非零析水水 泥浆的失重与气侵，除了胶凝悬挂外，井壁上侧形成的自由水槽却是另一个重要因素。 研究还表明，在倾斜井筒中，按 API常规方法测量的析水是不合理的，而必须将水泥浆装入测量筒 倾斜 45176。 进行测量。 井筒倾角增加，水泥浆作用在管壁的摩擦阻力增加，且浆柱对井底的有效压力也随之减小。 另外，倾斜角增加，水泥浆中微粒下沉不是处在水泥浆的轴线方向，而是沿井筒垂直剖面的竖直方向上，这样井筒上侧逐渐形成连通的稀释性浑混液体或游离水，有利于液体压力传递，使浆柱压力的降低变缓。 两种相反作用造成了井斜角对水泥浆压降的影响，并不是单调的减慢。 有学者通过研究指出 [26]，候凝过程中水泥浆要经历从沉降不稳定体系到稳定体系的转化期，提出了无滤失情况下转化期水泥浆中的固相沉积到井 壁导致沉降失重的观点和固相结构在沉降中随着静切力的增长悬挂于井 壁导致沉降 —胶凝失重的观点。 从上述两种失重观点出发，并以典型失重模拟实验为基础，分析了水泥浆在不同井斜的失重机理和规律，进一步证实了两种失重观点的正确性，得出几点结论： ① 井斜愈大，候凝过程中水泥浆要经历从沉降不稳定体系到稳定体系的转化期愈短； ② 随着井斜角的增大，沉降失重对水泥浆转化期失重的影响增大，沉降 —胶凝失重的影 响减小；对 直 井 和小井斜角井眼来说，一般水泥浆在转化期以沉降 — 胶凝失重为主，对大斜度井和水平井而言，则以沉降失重为主； ③ 在中等井斜角范围（ 40176。 ~60176。 ），水泥浆在转化期的平均失重速率将达到最大值。 此时水泥浆有最大析水率，气窜也最容易发生。 近年来 通过水泥浆失重实验发现并研究了水泥浆体系稳定性，即水泥浆失水、析水对水泥浆失重的重要影响。 水泥浆浆体的防气窜能力主要表现在稳定性和低析水，失水大的水泥浆， 自 由水容易聚集并形成微细通道，使水泥浆稳定性变差，微细通道使自由水窜至顶部，形成分离的析水，这显然是油、气、水窜 的薄弱通道 [27]。 研究结果表明，降低水泥浆体系的失水、析水，提高水泥浆体系的稳定性，有助于使水泥浆在凝结过程中维持更高的有效浆柱压力而压稳地层流体防窜 [28]。 有学者 [29]从水泥浆失重现象的力学本质出发，对环空中的水泥浆进行了受力分析，建立了水泥浆失重的力学模型，得出水泥浆的失重速率主要与水泥浆接触的环空壁面面积以及水泥浆胶凝速度有关。 采用建立的水泥浆失重模拟实验装置进行了多种间隙、井斜角以及偏心度条件下水泥浆的失重实验，得到的环空间隙、井斜角以及偏心度对水泥浆失重速率的影响规律与模型中得到的规律相同 ，即当水泥浆完全充满环空时，水泥浆的失重速率随着环空壁面接触面积的增大而增大，随着偏心度的增大而增大，随着井斜角的增大，先增大后减小，在井斜角为 45176。 时失重速率最大。 防气窜方法研究 和添加剂 （ 1） 提高钻井液顶替效率方面 [30]：西南石油学院利用研制的激光测速仪、核辐射密度计和混浊三向流速测试仪，进行了水泥浆顶替过程的动态模拟实验研究。 研究表明，提高套管居中度、活动套管、使用旋流扶正器、调节水泥浆和钻井液的流变性、紊流顶替、合理使用隔离液和冲洗液、控制紊流接触时间不小于 8～ 10min 等是提高 注水泥顶替效率的主要措施。 （ 2） 减少 水泥浆液柱压力损失和孔隙压力下降方面 [30～ 36]： ① 限制水泥浆返高：在水泥浆封隔高度无特殊要求的情况下，可适当减少水泥浆柱的高度，以减少水泥浆失重对气窜的影响。 ② 采用多个凝结时间的水泥浆， 使 水泥浆从下到上逐渐凝固。 下部 速凝 段 水泥浆凝结 “ 失重 ” 后，上部水泥浆还处于液体状态，能够向下部地层有效传递静液柱 压力 防止地层气体上窜。 待下部水泥浆凝固并具有足够的强度时，上部水泥浆才开始初凝，可有效解决水泥浆 “ 失重 ” 导致的气窜问题。 ③ 多级固井，尾管悬挂固井：减少水泥浆柱长度限制 水泥浆返高 以降低水泥浆柱压力损失。 ④ 环空加回压：在注水泥作业结束后，通过在环空加一定的压力（现场加压值一般为 1～ 2MPa），保证环空中的液柱压力大于气层压力，达到防气窜的目的。 ⑤ 增加水泥浆密度和钻井液密度，以提高水泥浆顶替到位后水泥浆和钻井液液柱作用于气层的压力，从而起到防窜的作用， 这一措施仅当地层破裂压力较大且小于浆柱压力时才可行。 ⑥ 采用可压缩水泥浆：可压缩水泥浆即是充气水泥浆，是依靠增加水泥浆孔隙压力和弥补水泥水化体积收缩来达到防气窜的目的。 充气水泥是借助水泥浆胶凝失重与界壁之间形成的阻力和孔隙阻 力或桥堵造成的阻力而产生一定的孔隙膨胀压力，并利用气体的可压缩性及膨胀性来延缓孔隙压力下降，而维持较高的孔隙压力 [37]。 （ 3）防气窜水泥添加剂 国内有三种类型的防气窜剂，一种是发气型防气窜剂，如西南石油学院研制的 KQ系列，大庆油田的 DG29，胜利油田和郑州大学研制的 ZG2，清华大学研制的 GJ625等产品；另一种是不渗透型防气窜剂，如工程技术研究院研制的 G60、 G69；第三种是膨胀型防气窜剂，如西南石油学院研制的 SEP1，发气剂和非渗透剂对弥补水泥浆液柱压力损失和增加水泥孔隙压力非常有效，具有较强 的防气窜效果，在国内已获得广泛应用 [30,38～ 40]。 掺加发气剂的水泥浆注入井内后与水泥浆中的氢氧化钙反应逐渐产生互不连通、均匀分布的微小气泡（氢气），受压缩的微小气泡产生膨胀压力和 使 水泥浆体积膨胀，补偿水泥浆在凝固过程中由于 “ 失重 ” 造成的压力损失，并克服水泥浆在凝固过程中由于体积收缩而产生的界面微环空 ， 抵消了 部分 水泥浆失水和水泥水化引起的体积收缩，使水泥浆在水化和凝固过程中内部压力大于地层压力，凝固后的水泥石与套管、井壁之间胶结良好，因而可避免气窜的发生 [40～ 43]。 KQA 气窜控制剂主要由金属铝 粉、缓蚀剂、增强剂等经适当加工后制成，能人为控制温度、压力、初发时间、发气量等发气条件。 作为发气材料的金属铝（ Al）的化学性能很活泼，与酸、碱作用都会产生氢气。 水泥浆的 pH 值 12～ 13，在井下温度和压力下，加速了化学反应，产生的氢气均匀地分布在水泥浆中 （ 简称充气水泥浆 ） ，借助水泥浆水化胶凝，界壁形成的阻力和水泥浆内的孔隙阻力或桥堵造成的阻力压缩气体储集能量，补偿部分的液柱压力降低。 控制其在初凝之前一小时左右孔隙逐渐膨胀，释放能量，充分弥补水泥 浆 失重后的液 柱 压力降低。 缓蚀剂具有控制发气时间和发气速度的作用，增 强剂则是用来提高水泥石强度 [41]。 新型的 KQA 充气水泥固井方法为解决水泥 浆“ 失重 ” 引起的气窜问题提供了一条新的途径，经四川石油管理局川南矿区峡 1傲 包 6巴 1潼南 鹿 1隆 401 等 7 口气井固井实践证实，此法可以防止高压气井和多产层气井的井口冒气或井内流体层间互窜问题，使固井质量有明显提高 [41]。 生产这类防气窜剂的技术关键是 铝粉 的钝化处理。 钝化后铝银粉表面上保护膜的质量是决定这类防气窜剂在水泥浆中的发气时间 （ 包括初发气时间和持发气时间 ） 的主要因素。 在固较深的油气井时，要求防气窜剂的发 气时间为 1～ 3h。 其反应过程为：2A1+Ca(OH)2+2H2O→ Ca(AlO2)2+3H2↑。 通常钝化铝银粉的方法是利用氧化剂 （ 如高锰酸钾 ） 与铝银粉发生氧化还原反应，在铝银粉的表面上生成一层氧化铝保护膜 [44]。 还可利用磷化法来磷化 （ 钝化 ） 处理铝银粉 （ 铝粉 ） [45]，在铝银粉的表面上生成一层薄而致密的磷化物保护膜。 CX18 防气窜剂的主要成分是磷化处理后的铝银粉，它在水泥浆中不仅发气量较大，加量为水泥的 %时，水泥浆的最大膨胀率为 8%，且发气时间较长，在 50～ 70℃ 时，初发气时间为 45～ 27min，持发气时间为 115～ 169min，可满足中深井固井施工要求。 室内试验和现场应用表明，将 CX18 加到水泥浆中不仅。