时间：2022-10-23 04:05:06
摘要：文章给出了江苏油田及国内外其它油田气井带压现状，找出了气井带压的特征规律，从管柱泄露、顶替效率、水泥浆设计及固井后水泥环受力状态对环空带压的产生原因进行了初步分析，总结了目前国内外预防及补救环空带压问题的措施，为今后类似井固井提供了借鉴。
关键词：天然气 固井 气窜 顶替效率 固井质量 环空带压
一、前言
在石油和天然气井所钻地层和套管的环空注水泥，其作用主要是防止在所钻各地层之间出现流体窜流而保证长期层间封隔，必须在整个油气井寿命期间及报废之后都能实现有效的层间封隔。有的井特别是天然气井，即使注水泥时钻井液顶替良好并且水泥石在初期也起到了封隔作用，但井内条件变化产生足够的应力而破坏水泥环的完整性，其结果将导致层间封隔失效，这可由后期天然气窜流、环空带压或更坏的套管挤毁实例给予证实。国外一般简称环空带压为SCP（sustained casing pressure），有时也简称为SAP（sustained annular pressure）。随着国内外天然气用量的迅速增加，井下的地质环境也越来越复杂，固井后的环空带压问题也越来越突出，人们也越来越意识到气井水泥环短期和长期封隔的重要性。
二、气井固井后环空带压的规律
1.准确的气源位置确定难度大
尽管在地面很容易发现气井环空压力异常，但是导致环空带压的气源却不易确定。环空气的气源可能来自产层，也有可能来自非目的层。非目的层气层可能是导管、表层套管、技术套管后的过路气层，由于气源确定难度大，采取有针对性的补救措施难度也大。
2.环空带压的压力差别大
天然气井环空带压时，根据每口井储层压力与气体窜流通道的不同，环空带压值也有很大差别。带压程度轻时环空压力接近大气压，高的时候接近储层的压力。井口释放气体的体积少的时候基本接近于零，多的时候接近1000方/天。通过井口压力释放，环空压力能降至零，可是当重新关闭环空时，随着时间的延长，压力又会升至原来的值。
3.气井开采时间越长，环空带压的几率也越大
环空带压存在于固井后的任何时期，环空带压与井的寿命紧密相关，开采时间越长越易带压。据墨西哥湾OCS地区的统计，开采15年的井地面能测量出环空带压（一层或几层套管带压）的几率占到总井数的50%左右。
三、国内气井固井环空带压典型示例
1.江苏油田yc1-3井
Yc1-3井于2008年1月25日挂Ф114mm尾管固井，喇叭口位置3419.69m，套管下深3807.02。水泥浆配方：1.8%TW200S+1.0%SZA-2+0.92%GH-Ⅱ，固井质量优等。固井后10天左
2.国内天然气井环空带压的情况
气窜是一个世界性难题，近年来国内尽管做了许多工作，但是目前国内深层气井固井质量普遍较差，固井施工中问题突出，固井后环空带压问题突出，给以后的安全生产带来了巨大隐患。大庆庆深气田相继出现升深8、徐深10、徐深901、徐深606、达深斜5井环空带压；四川龙岗地区龙1、龙2、龙3井的Ф244.5mm与Ф177.8mm技术套管环空带压。龙岗3井试油时发现Ф244.5mm与Ф177.8mm环空间压力达到18MPa，经接管线出井场，卸压点火燃烧。塔里木的克拉气田有11口井环空带压，克拉2-10井Ф250.8mm技术套管固井施工达到设计要求，但投产后套压达到53.8MPa（7800psi）。
四、环空带压或井口窜气的原因分析
国外天然气开发时间长，环空带压问题暴露早，通过对不同地区及不同井的综合分析，认为环空带压的原因主要有以下四个方面：①油管和套管泄漏；②固井时顶替效率低；③水泥浆体系选择、配方或浆柱结构设计不合理；④固井后由于地层应力、温度和压力变化以及一些随时间推移引起的其他原因导致水泥环封隔失效。
1.油管和套管泄漏
生产油管的泄漏会导致严重的环空带压问题。封隔器密封失效或油管柱螺纹连接差、管体腐蚀、热应力破裂或机械断裂都会产生气体泄漏。生产套管是用来防止油管气体泄漏的，如果由于泄漏气体产生的压力使生产套管密封失效，会造成很大风险。外管柱受压，将会导致井口窜气或层间窜流，会对人身、井口设备及环境造成很大的危险。
2.顶替效率差
提高顶替效率是保证层间封隔和防止环空带压问题的一项重要措施。固井的主要目的就是要对套管外环空进行永久性封隔，为满足这一要求，就必须彻底驱替环空内的钻井液，使环空充满水泥浆。如果驱替钻井液不彻底，就会在产层间形成连续的窜槽，从而使层与层之间窜通。水泥胶结和密封的持久性也与顶替效率有关，防止环空带压的第一步就是要提高固井时的顶替效率。国外研究表明，顶替效率达到90%时固井质量良好；顶替效率达到95%时，固井质量优质。
3.水泥浆设计不合理
水泥浆设计不合理主要表现在以下几个方面：水泥浆滤失量高；浆体稳定性差，自由液大；水泥石体积收缩大；设计水泥浆时只考虑其性能满足施工要求，未考虑水泥石（如杨氏模量、泊松比等）的力学性能，在井下温度、压力、应力变化时能否满足长期封隔的需要。一般来说，如果水泥石的杨氏模量大于岩石的杨氏模量，套管内温度及压力发生较大变化时，水泥环很可能会发生拉伸断裂。
五、目前国内外主要预防及解决环空带压问题的措施
1.预防环空带压的技术措施
1.1切实提高固井时的顶替效率
不管水泥浆体系的可靠性怎样强，要想实现可靠的层间封隔，必须要提高固井时的顶替效率。为提高顶替效率，首先要保证钻井时钻出的井眼条件好；钻井液性能优异，尽量实现低粘、低切、低滤失、低含砂；完钻后要认真通井、洗井，充分调整钻井液性能；保证较高的套管居中度，固井施工中尽量活动套管；筛选综合性能好且与钻井液、水泥浆配伍性好的前置液体系；设计合适的固井施工排量，强化配套技术措施如纤维拖拽。
1.2切实做到“三压稳”
气井固井施工中必须保证“三压稳”，即固井前、固井过程中和候凝过程中水泥浆“失重”时的压稳。固井前和固井过程中的压稳比较容易实现，水泥浆凝固“失重”条件下的压稳一般容易被忽略，这也是影响天然气井固井质量的一个主要原因。两凝水泥浆浆柱结构可起到一定的作用。
1.3设计满足封固要求的水泥浆体系
根据封固地层的特性及井下条件设计出满足封固质量要求的水泥浆体系。水泥浆性能要求防窜性好，能适应注替过程、凝固过程及长期封隔等各方面的需要。水泥浆有较低的滤失量（小于50ml），较低的基质渗透性，短的过渡时间和快的强度发展，同时浆体稳定性好，水泥石体积不收缩或微膨胀。
1.4水泥石力学性能能承受井下温度、压力、应化的变化
以前水泥石的抗压强度作为评价水泥浆性能的一项标准，但是该指标并不能作为是否成为有效层间封隔的指标，还需要其他的指标准来进行综合评价，如杨氏模量、泊松比、抗拉强度、剪切强度、胶结强度。认真评价这些性能，有助于水泥浆设计及降低环空带压发生的几率。
2.解决环空带压的技术措施
2.1利用修井作业来解决环空带压问题
针对套管外环空带压问题，常规的补救方法是采用钻机进行修井作业。采用修井作业需要起出油管，注入或挤入水泥，来封闭水泥环中的裂缝和窜流通道。根据裂缝、通道的位置、孔隙度、渗透率的不同，挤水泥作业有可能也有可能封闭不了气窜的通道。人们通过对修井作业安全及成本方面的综合考虑，一般不愿治理环空带压问题。采用钻机进行修井作业施工危险性大，易造成人身伤害，也易对设备造成损害甚至报废。井喷或溢流也会对环境造成危害。采用常规修井作业的成本及风险有的时候超过了环空带压的成本及风险。
2.2FUTUR 活性固化水泥技术
2007 年斯伦贝谢（Schlumberger）公司将研究出了FUTUR 活性固化水泥技术来解决环空带压问题。FUTUR 活性固化水泥施工不需要额外的固井设备，采用常规固井工艺，将FUTUR 活性固化水泥作为领浆及尾浆注入即可。为保证封固质量，领浆及尾浆的长度应至少达到150m。FUTUR 活性固化水泥具有自修复特性，当发生气窜时，不需要人工干预，FUTUR 活性固化水泥会自动活化，将裂缝封堵。该技术已成功应用在加拿大阿尔伯特油田的环空带压井及德国、意大利地下储气库井。FUTUR活性固化水泥应用密度范围1.40~1.92g/cm3，应用温度范围20~138℃
2.3LifeCem或LifeSeal自动密封水泥
与斯伦贝谢公司的FUTUR 活性固化水泥技术类似，哈里伯顿公司也推出了LifeCem或LifeSeal水泥。与FUTUR 活性固化水泥机理类似，环空存在油气窜流时，在没有地面人工干预的情况下，水泥环能进行膨胀，会封闭窜流通道。水泥环的这种自密封特性，是通过在水泥浆中加入特种外加剂来实现的，采用常规注水泥设备就可以进行施工。LifeCem或LifeSeal自密封水泥已成功在70多口陆地和海上的井中进行了成功应用，应用区域包括中东、亚洲、里海地区、欧洲、拉丁美洲、美国。
六、结束语
1.低滤失、0自由液、短稠化过渡时间、微膨胀、纤维拖拽等是提高气井封隔质量的基本要素。
2. 遇油气膨胀封隔器是成本低且易于实现的防窜手段，目前国内研究已有突破。
.气井固井所用水泥浆固化体力学性能有待于进一步开展研究。
参考文献：
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