环空气窜及其预测

1、环空气窜及其预测 班级：油气井工程07-1 姓名：曹成章 学号：S07020200 目的意义 窜流的成因分析 气窜的方式和条件 环空气窜的预测 研究方向一、目的意义固井后环空气窜是所有气井固井过程中都要面临的一个潜在固井技术难题， 也是相当一段时间来国内外固井界面临的一个最为棘手的技术难题。发生环空气窜的主要危害是:直接影响水泥石胶结强度；导致层间窜流，直接影响油气层的测试评价，污染油气层，降低油气采收率；对油田开发后续作业如注水、酸化压裂和分层开采等造成不利影响；严重时可在井口冒油、冒气，甚至造成固井后井喷事故，即使采用挤水泥等补救工艺也很难奏效。如何准确预测环空气窜，并为固井施工设计提出防

2、止气窜的方法，已成为国内外多年来主要研究的一项技术。对固井后发生气窜可能性进行预测， 目的是以气窜可能性大小为依据进行经济有效地解决气窜问题的设计。二、窜流的成因分析 1、界面胶结论 这一理论认为窜流是由于界面胶结不良造成的。主要原因是由于泥饼的存在，导致界面与地层胶结不良，从而引起窜流。这一理论使人们对顶替机理及工艺做了大量的研究工作，并提出了紊流顶替，套管居中，使用刮泥器、冲洗液等工艺措施，在固井外加剂方面使得减阻剂、膨胀剂得到了广泛应用。0 二、窜流的成因分析 2、失重理论 失重理论认为窜流发生是由于水泥水化过程中的“失重”引起的，它包括三方面： （1）水泥浆被泵入环空后，作为一种真实流

3、体对地层产生静液柱压力。当水泥浆在渗透地层失水引起桥堵时，液柱压力传递受阻，导致环空压不住地层而发生窜流称为“桥堵失重”。 （2）随着水泥水化的进一步进行，水泥浆进入初凝状态，并产生抵消自重的胶凝强度，降低了液柱对地层的静压，称为“胶凝失重”。 （3）当水泥浆进入过度状态时，水泥中孔隙水进一步被消耗，而使水泥石空隙压力进一步降低，甚至在终凝后产生负压，称为“空隙压力降低说。二、窜流的成因分析 3 、微裂缝微环隙理论 20世纪90年代由Talabani等提出。微环隙是由于水泥环不能很好的与套管胶结造成的，而微裂缝则是在水泥环与地层之间或水泥环内产生的微小通道。该理论认为界面胶结不良的本质是由于水

4、泥水化产生的微裂缝及微环隙。微环隙微裂缝主要有一下几个主要原因造成。 （1）水泥柱的体积收缩。 （2）泥饼的存在。 （3）毛细管作用。 （4）水泥浆的初凝阶段。 （5）井下热应力及静液压力引起的微环隙微裂缝。三、气窜的方式和条件 根据国内外研究的结果，气体窜流的方式有以下三种： 1. 水泥浆窜槽和泥饼干裂引起的油、气、水窜 由于水泥浆顶替效率差，滞留钻井液 在环形空间形成窜槽的薄弱环节；另外， 水泥浆凝固时可能吸收滞留泥饼的水分， 造成泥饼干裂，这些都可能造成油、气、 水窜的通道。三、气窜的方式和条件 2、界面微间隙引起的油、气、水窜 当水泥憋压候凝释放套管内的压力时套管产生径向收缩，使水泥环

5、与套管和井壁的连接力减小或产生微间隙。另外，如果减小套管内钻井液密度也可能出现微间隙问题，油、气、水就可能沿此界面窜流。现场证实，微间隙在20um以内，不会产生气窜问题，而微间隙增至200um时，出现了气窜问题。三、气窜的方式和条件 3、水泥浆失重引起的油、气、水窜 这种油、气、水窜流发生在水泥基体内部。其原因是因为水泥的胶凝和体积收缩。 既然水泥浆凝固过程的传压方式是通过毛细孔隙进行的，气体侵入孔隙就必须克服水泥孔隙中静压力pp和液体（包括油气和孔隙中的水）在孔隙流动时的阻力pRf。水泥浆的孔隙压力pp和孔隙阻力pRf随水泥浆的凝固过程而逐渐减小和增大。当pp降至地层压力pf时，由于pRf有

6、一定数值，此时井内不会发生气侵。如果在水泥凝固过程中，气层压力p始终小于pppRf，气体窜流就不会发生，也是防止气窜的基本条件。四、环空气窜的预测FLsgsRNNNShxsgsxphxsgsRNDdtdlNDDdtdNS)()(41.)(22 国内外有许多评价和预测水泥浆防气窜性能的模式与方法， 比较典型的Halliburton 公司的水泥浆性能系数法(SRN ) 以及Dowell 公司的综合因子法(CCGM )。 1、 水泥浆性能系数法 水泥浆性能系数的计算公式为: Nsgs为水泥浆静胶凝强度（从48Pa增加到240Pa），速率变化最大值(dNsgs/dt)x与水泥浆在该时刻静胶凝强度Nsg

7、sx之比（min-1)；NFL 为x 时刻水泥浆在井内的滤失量与环空体积(V ) 之比(m in-1)。最后得出的表达式为: 四、环空气窜的预测 由上式可知：水泥浆静胶凝强度速率变化愈大， 静胶凝强度及滤失速度愈小， SRN 值愈大，防气窜效果愈好； 环空间隙愈大，水泥浆失重愈小，SRN 值愈大，防气窜效果愈好。 这种方法虽然考虑了水泥浆静胶凝强度与滤失特性对防止气窜的影响， 但却未考虑气窜压力平衡的有关关系， 特别是在高温高压下， 较长时间测定各时刻的水泥浆静胶凝强度及滤失， 就目前的技术水平来说是较难以实现的。四、环空气窜的预测)6(S 3 5) - (F43 6) - (F43 5) -

8、 (F 435.21 ) 6S -7F 3F - 7F (-5.2115 CCGMPNMHFPNMHF 2、综合因子法(CCGM ) CCGM 法是Dowell 公司通过分析世界各地64 口气井的资料, 统计出影响气窜的四个因素, 并编成计算尺使用。四个因素分别是地层因素(FF )、液体静压系数(FH )、水泥浆性能系数(SPN ) 和动态的泥浆清除系数(FM )。CCGM 的定量表达式为:四、环空气窜的预测 CCGM 法的评价标准: 0CCGM 10, 防气窜效果很好;10 CCGM 15, 防气窜效果中等; CCGM 15, 防气窜效果差。CCGM 法使用起来比较困难, 有些因素很难量化,

9、 如水泥浆的顶替效率、油气层的渗透率及厚度事先很难确定。国内比较普遍采用其中的水泥浆性能系数SPN 来预测气窜, 因为(SPN )值更易于求得。SPN 值反映了水泥浆滤失量及水泥浆凝固过程阻力变化系数对防气窜的影响。A.FL SI PA PN)tt6( 182 0.30BC100BCASPN 值评价标准: 0SPN 3, 防气窜效果好; 3 6, 防气窜效果差。四、环空气窜的预测 水泥浆失水量的主要作用在于保持水泥浆体的稳定性,对防气窜也有一定作用。上式过份强调了水泥浆失水量的作用,把其防气窜能力与水泥浆阻力变化值的影响,视为同一级别。 合理的水泥浆失水量,对防气窜有一定效果,但失水量 150 mL 范围内的水泥浆,其防气窜能力无明显变化。 A 值反映了水泥浆在瞬时内阻力的增加速度,水泥浆阻力及其变化大小对气侵的影响大于水泥浆失水量的影响。五、研究方向1、水泥浆阻力及其变化大小以及水泥浆的失水量对气侵的影响仍需要进一步的研究。2、目前CCGM方法，是应用四个因素和现场统计编制的计算尺，使用起来有一定困难，有些因素也难以量化。鉴