環(huán)空氣竄及其預(yù)測

1、環(huán)空氣竄及其預(yù)測 班級：油氣井工程07-1 姓名：曹成章 學(xué)號：S07020200 目的意義 竄流的成因分析 氣竄的方式和條件 環(huán)空氣竄的預(yù)測 研究方向一、目的意義固井后環(huán)空氣竄是所有氣井固井過程中都要面臨的一個潛在固井技術(shù)難題， 也是相當(dāng)一段時間來國內(nèi)外固井界面臨的一個最為棘手的技術(shù)難題。發(fā)生環(huán)空氣竄的主要危害是:直接影響水泥石膠結(jié)強(qiáng)度；導(dǎo)致層間竄流，直接影響油氣層的測試評價，污染油氣層，降低油氣采收率；對油田開發(fā)后續(xù)作業(yè)如注水、酸化壓裂和分層開采等造成不利影響；嚴(yán)重時可在井口冒油、冒氣，甚至造成固井后井噴事故，即使采用擠水泥等補(bǔ)救工藝也很難奏效。如何準(zhǔn)確預(yù)測環(huán)空氣竄，并為固井施工設(shè)計提出防

2、止氣竄的方法，已成為國內(nèi)外多年來主要研究的一項技術(shù)。對固井后發(fā)生氣竄可能性進(jìn)行預(yù)測， 目的是以氣竄可能性大小為依據(jù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效地解決氣竄問題的設(shè)計。二、竄流的成因分析 1、界面膠結(jié)論 這一理論認(rèn)為竄流是由于界面膠結(jié)不良造成的。主要原因是由于泥餅的存在，導(dǎo)致界面與地層膠結(jié)不良，從而引起竄流。這一理論使人們對頂替機(jī)理及工藝做了大量的研究工作，并提出了紊流頂替，套管居中，使用刮泥器、沖洗液等工藝措施，在固井外加劑方面使得減阻劑、膨脹劑得到了廣泛應(yīng)用。0 二、竄流的成因分析 2、失重理論 失重理論認(rèn)為竄流發(fā)生是由于水泥水化過程中的“失重”引起的，它包括三方面： （1）水泥漿被泵入環(huán)空后，作為一種真實流

3、體對地層產(chǎn)生靜液柱壓力。當(dāng)水泥漿在滲透地層失水引起橋堵時，液柱壓力傳遞受阻，導(dǎo)致環(huán)空壓不住地層而發(fā)生竄流稱為“橋堵失重”。 （2）隨著水泥水化的進(jìn)一步進(jìn)行，水泥漿進(jìn)入初凝狀態(tài)，并產(chǎn)生抵消自重的膠凝強(qiáng)度，降低了液柱對地層的靜壓，稱為“膠凝失重”。 （3）當(dāng)水泥漿進(jìn)入過度狀態(tài)時，水泥中孔隙水進(jìn)一步被消耗，而使水泥石空隙壓力進(jìn)一步降低，甚至在終凝后產(chǎn)生負(fù)壓，稱為“空隙壓力降低說。二、竄流的成因分析 3 、微裂縫微環(huán)隙理論 20世紀(jì)90年代由Talabani等提出。微環(huán)隙是由于水泥環(huán)不能很好的與套管膠結(jié)造成的，而微裂縫則是在水泥環(huán)與地層之間或水泥環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的微小通道。該理論認(rèn)為界面膠結(jié)不良的本質(zhì)是由于水

4、泥水化產(chǎn)生的微裂縫及微環(huán)隙。微環(huán)隙微裂縫主要有一下幾個主要原因造成。 （1）水泥柱的體積收縮。 （2）泥餅的存在。 （3）毛細(xì)管作用。 （4）水泥漿的初凝階段。 （5）井下熱應(yīng)力及靜液壓力引起的微環(huán)隙微裂縫。三、氣竄的方式和條件 根據(jù)國內(nèi)外研究的結(jié)果，氣體竄流的方式有以下三種： 1. 水泥漿竄槽和泥餅干裂引起的油、氣、水竄 由于水泥漿頂替效率差，滯留鉆井液 在環(huán)形空間形成竄槽的薄弱環(huán)節(jié)；另外， 水泥漿凝固時可能吸收滯留泥餅的水分， 造成泥餅干裂，這些都可能造成油、氣、 水竄的通道。三、氣竄的方式和條件 2、界面微間隙引起的油、氣、水竄 當(dāng)水泥憋壓候凝釋放套管內(nèi)的壓力時套管產(chǎn)生徑向收縮，使水泥環(huán)

5、與套管和井壁的連接力減小或產(chǎn)生微間隙。另外，如果減小套管內(nèi)鉆井液密度也可能出現(xiàn)微間隙問題，油、氣、水就可能沿此界面竄流?，F(xiàn)場證實，微間隙在20um以內(nèi)，不會產(chǎn)生氣竄問題，而微間隙增至200um時，出現(xiàn)了氣竄問題。三、氣竄的方式和條件 3、水泥漿失重引起的油、氣、水竄 這種油、氣、水竄流發(fā)生在水泥基體內(nèi)部。其原因是因為水泥的膠凝和體積收縮。 既然水泥漿凝固過程的傳壓方式是通過毛細(xì)孔隙進(jìn)行的，氣體侵入孔隙就必須克服水泥孔隙中靜壓力pp和液體（包括油氣和孔隙中的水）在孔隙流動時的阻力pRf。水泥漿的孔隙壓力pp和孔隙阻力pRf隨水泥漿的凝固過程而逐漸減小和增大。當(dāng)pp降至地層壓力pf時，由于pRf有

6、一定數(shù)值，此時井內(nèi)不會發(fā)生氣侵。如果在水泥凝固過程中，氣層壓力p始終小于pppRf，氣體竄流就不會發(fā)生，也是防止氣竄的基本條件。四、環(huán)空氣竄的預(yù)測FLsgsRNNNShxsgsxphxsgsRNDdtdlNDDdtdNS)()(41.)(22 國內(nèi)外有許多評價和預(yù)測水泥漿防氣竄性能的模式與方法， 比較典型的Halliburton 公司的水泥漿性能系數(shù)法(SRN ) 以及Dowell 公司的綜合因子法(CCGM )。 1、 水泥漿性能系數(shù)法 水泥漿性能系數(shù)的計算公式為: Nsgs為水泥漿靜膠凝強(qiáng)度（從48Pa增加到240Pa），速率變化最大值(dNsgs/dt)x與水泥漿在該時刻靜膠凝強(qiáng)度Nsg

7、sx之比（min-1)；NFL 為x 時刻水泥漿在井內(nèi)的濾失量與環(huán)空體積(V ) 之比(m in-1)。最后得出的表達(dá)式為: 四、環(huán)空氣竄的預(yù)測 由上式可知：水泥漿靜膠凝強(qiáng)度速率變化愈大， 靜膠凝強(qiáng)度及濾失速度愈小， SRN 值愈大，防氣竄效果愈好； 環(huán)空間隙愈大，水泥漿失重愈小，SRN 值愈大，防氣竄效果愈好。 這種方法雖然考慮了水泥漿靜膠凝強(qiáng)度與濾失特性對防止氣竄的影響， 但卻未考慮氣竄壓力平衡的有關(guān)關(guān)系， 特別是在高溫高壓下， 較長時間測定各時刻的水泥漿靜膠凝強(qiáng)度及濾失， 就目前的技術(shù)水平來說是較難以實現(xiàn)的。四、環(huán)空氣竄的預(yù)測)6(S 3 5) - (F43 6) - (F43 5) -

8、 (F 435.21 ) 6S -7F 3F - 7F (-5.2115 CCGMPNMHFPNMHF 2、綜合因子法(CCGM ) CCGM 法是Dowell 公司通過分析世界各地64 口氣井的資料, 統(tǒng)計出影響氣竄的四個因素, 并編成計算尺使用。四個因素分別是地層因素(FF )、液體靜壓系數(shù)(FH )、水泥漿性能系數(shù)(SPN ) 和動態(tài)的泥漿清除系數(shù)(FM )。CCGM 的定量表達(dá)式為:四、環(huán)空氣竄的預(yù)測 CCGM 法的評價標(biāo)準(zhǔn): 0CCGM 10, 防氣竄效果很好;10 CCGM 15, 防氣竄效果中等; CCGM 15, 防氣竄效果差。CCGM 法使用起來比較困難, 有些因素很難量化,

9、 如水泥漿的頂替效率、油氣層的滲透率及厚度事先很難確定。國內(nèi)比較普遍采用其中的水泥漿性能系數(shù)SPN 來預(yù)測氣竄, 因為(SPN )值更易于求得。SPN 值反映了水泥漿濾失量及水泥漿凝固過程阻力變化系數(shù)對防氣竄的影響。A.FL SI PA PN)tt6( 182 0.30BC100BCASPN 值評價標(biāo)準(zhǔn): 0SPN 3, 防氣竄效果好; 3 6, 防氣竄效果差。四、環(huán)空氣竄的預(yù)測 水泥漿失水量的主要作用在于保持水泥漿體的穩(wěn)定性,對防氣竄也有一定作用。上式過份強(qiáng)調(diào)了水泥漿失水量的作用,把其防氣竄能力與水泥漿阻力變化值的影響,視為同一級別。 合理的水泥漿失水量,對防氣竄有一定效果,但失水量 150 mL 范圍內(nèi)的水泥漿,其防氣竄能力無明顯變化。 A 值反映了水泥漿在瞬時內(nèi)阻力的增加速度,水泥漿阻力及其變化大小對氣侵的影響大于水泥漿失水量的影響。五、研究方向1、水泥漿阻力及其變化大小以及水泥漿的失水量對氣侵的影響仍需要進(jìn)一步的研究。2、目前CCGM方法，是應(yīng)用四個因素和現(xiàn)場統(tǒng)計編制的計算尺，使用起來有一定困難，有些因素也難以量化。鑒