高温高压天然气井固井水泥浆防气窜技术研究新进展-郭小阳

高温高压天然气井固井水泥浆防气窜技术研究新进展-郭小阳第一页，共49页。高温高压天然气井固井水泥浆防气窜技术研究新进展目录1我国天然气资源概况2高温高压天然气井防窜难点分析5固井水泥浆防气窜技术未来研究方向及建议4郭小阳教授团队近年研究新进展3水泥浆防气窜技术研究现状第二页，共49页。Part1我国天然气资源概况第三页，共49页。我国天然气资源概况世界能源格局无论是过去、现在、还是未来，天然气资源在世界能源格局中始终占据着举足轻重的地位！/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）3据国际能源机构预测，随着世界经济的持续增长，未来20年世界石油和天然气的需求持续增长，2030年油气比重将占一次能源需求29.8%和21.2%，仍占半壁江山。世界能源消费构成其他核能水电煤天然气石油世界能源需求预测资料来源：国际能源机构《世界能源展望2009》第四页，共49页。据全国油气资源第三轮评估：中国陆地和近海海域115个含油气盆地常规天然气远景资源量56万亿立方米，可采资源量22万亿立方米，主要分布在塔里木、鄂尔多斯、四川、东海等9个含油气盆地，9个盆地天然气可采资源量18.43万亿立方米，占全国总量的83.7%。我国天然气资源概况我国天然气资源丰富中国天然气资源分布图盆地名称远景资源量地质资源量可采资源量主要盆地塔里木11.348.865.86鄂尔多斯10.704.672.90四川7.195.373.42东海5.103.642.48柴达木2.631.600.86松辽1.801.400.76莺歌海2.281.310.81琼东南1.891.110.72渤海湾2.161.090.62合计45.0929.0518.43其他盆地（合计）10.805.983.60全国55.8935.0322.03中国天然气资源分布/单位：万亿立方米数据来源：国土资源部/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）4第五页，共49页。我国天然气资源概况中国非常规天然气资源丰富近年来，包括页岩气、煤层气在内的非常规天然气资源，作为一种低碳、绿色、低污染的清洁环保能源，已成为当今能源发展的重要方向。在全球范围内，非常规天然气资源丰富，开发利用技术日趋成熟，是常规天然气最现实的接替资源，在世界能源结构中扮演着重要的角色。中国非常规天然气资源十分丰富，有着巨大的发展潜力。数据来源：中国石油天然气集团公司全球非常规天然气与常规油气资源比例中国非常规天然气资源量与常规天然气资源量对比单位：1012m3/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）5第六页，共49页。我国天然气资源概况中国非常规天然气资源丰富我国非常规天然气资源中，近来以页岩气勘探与开发最为火热。中石油、中石化已在四川长宁-威远区块、重庆涪陵等地形成了多个页岩气勘探与开发示范基地。除页岩气外，非常规天然气资源还包括煤层气、天然气水合物、致密气、水溶气、浅层生物气等多种能源形式。中国主要盆地页岩气资源分布/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）6图片来源：互联网第七页，共49页。Part2高温高压天然气井固井防气窜难点分析第八页，共49页。高温高压天然气井防气窜难点分析中国天然气资源以深层天然气分布为主按深度范围，天然气可分为浅层、中深层、深层至超深层天然气，随着勘探开发范围的扩大和技术的进步，埋深超过3500m的深层天然气或深层页岩气已经逐渐成为天然气勘探开发的重要目标之一，其资源量为21.66×1012m3，占全国天然气总资源量57.3%。中国陆上天然气资源与埋深关系表/单位：1012m3地区埋深小于2000m埋深2000~3500m埋深3500~4500m埋深大于4500m资源量百分比资源量百分比资源量百分比资源量百分比东部区1.1226.1%2.3655.0%0.7417.3%0.071.6%中部区5.2345.3%5.0343.6%1.2811.1%西北区0.65.6%2.0318.8%3.0328.2%5.1147.4%南方区0.8927.1%0.5516.7%0.927.3%0.9528.9%合计2.618.7%10.1734.0%9.732.5%7.4124.8%中国深层天然气资源分布以松辽盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地、塔里木盆地、吐哈盆地、柴达木盆地、南方地区及近海海域等为主！数据来源：中国石油天然气集团公司/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）8第九页，共49页。高温高压天然气井防气窜难点分析HTHP天然气井固井防气窜难点剖析以塔里木盆地、川渝盆地、松辽盆地及南海莺-琼等典型深井、超深井区块为例分析国内高温高压天然气井固井工艺技术难点。分析可知，环空气窜是国内几乎所有高温高压天然气井固井均存在的潜在风险，无论是陆上还是海上，防止深井复杂工况下的气窜是一个永恒的研究课题。南海莺-琼塔里木盆地松辽盆地川渝盆地固井工艺技术难点-高温高压工况、多套压力系统

共存、环空气窜风险高-封固段长，顶底部温差大-地层层压能力低、易发生井漏-环空间隙小，套管居中困难，顶替效率低-裸眼封固段长、温差大-小间隙工况突出，套管居中困难-高含CO2、H2S等酸性腐蚀气体-低压易漏、裂缝性漏失，压稳与防漏突出-井底高温高压，环空气窜风险大井底高温高压，防气窜难度高-高密度固井、平衡压力固井困难-高温对体系及外加剂耐温性要求高-压力窗口窄、固井容易井漏-地温梯度高，浆体性能要求高、易气窜-地层气体含有酸性腐蚀气体（CO2）-多压力层系、裂缝发育、易发生井漏-井深、封固段长、上下温差大-/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）9第十页，共49页。Part3国内外水泥浆防气窜技术研究现状第十一页，共49页。国内外研究现状气窜现象及危害环空气窜是几乎所有天然气井固井都存在的一个潜在问题，轻则导致井口环空带压，重则发生不可控井喷事故，严重影响油气井的固井质量和安全。60年代早期，首次在美国储气库中发现气窜现象（StoneandChristian1974）。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），是由于固井后环形空间有效液柱压力低于气层压力，造成气体侵入并沿环空向井口运移的现象。环空气窜危害严重/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）11图片来源：斯伦贝谢第十二页，共49页。国内外研究现状气窜现象及危害/2015年井下作业公司固井技术交流（河南·郑州）1华北分公司工程技术研究院Engineering&TechnologyResearchInstituteofHuabeiBranch第十三页，共49页。国内外研究现状气窜现象及危害构造井号井别井口带压情况罗家寨罗家17开发井244.5mm与339.7mm套管环间压力0.26MPa滚子坪罗家5-X1开发井177.8mm与244.5mm套管环间压力15MPa罗家9-X1开发井177.8mm与244.5mm套管环间压力12MPa七里北七北101评价井244.5mm与339.7mm套管环间压力1.2MPa铁山坡坡1预探井244.5mm与339.7mm套管环间压力2.2MPa。坡1-X1开发井177.8mm与244.5mm套管环间压力4.5MPa坡1-X2开发井177.8mm与244.5mm套管环间压力20MPa坡2-X1开发井244.5mm与339.7mm套管环间压力2.2MPa渡口河渡2预探井177.8mm与244.5mm套管环间压力2.0MPa渡3预探井244.5mm与339.7mm套管环间压力1MPa高峰场峰4预探井封隔器窜漏，环空压力32.973MPa双家坝七里51开发井177.8mm与244.5mm套管环间压力3.2MPa高桥七里14预探井油、套环空压力2.4MPa

国内各油田也存在天然气井固井后数天、几个月之后即发生悬挂器喇叭口冒气、套管带压等现象，这种重大安全隐患，严重影响油气井开采寿命，对我国天然气的勘探开发极为不利。川渝地区多口井电测结果表明固井质量良好，但是固井后一段时间9⅝″技术套管和7″套管环间带压，如右表。其中以四川龙岗、龙王庙等地区最为突出，表现为深井、高温高压工况、高含酸性腐蚀气体。/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）13数据来源：中国石油天然气集团公司第十四页，共49页。国内外研究现状气窜现象及危害塔里木克拉、迪拉、牙哈、英买力等气田多口天然气井均在固井后出现了技术套管和生产套管环间带压，克拉、迪拉部分井生产套管带压高达30MPa以上。克拉2-10井Φ250.8mm技术套管固井设计达到要求，但投产后套压达到了53.8MPa；迪那2气田属于高温超高压气田，2008年迪那2-8井出现环空异常高压，此后迪那2-6井和迪那2-4井也相继出现了同一现象，2009年底统计有8口井先后出现了不同程度的环空带压问题，对气井安全生产造成隐患。塔木里部分气田技术套管及生产套管带压情况/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）14数据来源：中石油塔里木油田公司第十五页，共49页。国内外研究现状气窜现象及危害

由国内外环空带压资料的统计可知：国外以美国墨西哥湾、加拿大阿尔伯塔为例；国内以川渝地区、塔里木油田深井、超深井、高含酸性腐蚀气体的高温高压天然气井为例，固井环空气窜现象普遍存在，并且危害十分严重！海上油气井若发生环空气窜，所带来的危害更大。“油腻”的海洋冰火两重天环境污染？施工安全？能源浪费？油井寿命？/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）15图片来源：互联网第十六页，共49页。国内外研究现状环空气窜途径为防止气窜与井口带压（SCP）现象发生，提高固井质量，国内外学者针对气窜现象产生机理、评价方法、防窜水泥浆体系开发等开展了大量基础与应用研究。国外以哈里伯顿、斯伦贝谢服务公司Sutton、Sabins、Ravi、Cater等学者为代表，国内以刘崇建、郭小阳、石国栋、黄柏宗、朱海金、丁仕东、周仕明、罗宇维、徐壁华等学者为代表。总结这些研究，形成环空气窜的途径主要有：水泥石粉化与解体界面微环隙通道水泥环本体变形与开裂形成通道弱凝结水泥体水泥石结构缺陷胶凝态水泥浆胶凝态水泥浆本体防气水置换能力差载荷变化使金属与非金属材料变形不协调体系聚结稳定性不良与顶替窜槽混浆凝固水泥石宏观体积收缩与泥饼脱水水泥环抗腐蚀性能差气窜途径实质原因气窜分类固井初期气窜（初凝前的气窜）固井后期气窜（凝结成水泥石后的失效气窜）水泥凝结过程中的气窜（水泥凝结、硬化阶段的气窜）水泥石组分体积收缩率差异与永久性通道/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）16第十七页，共49页。国内外研究现状环空气窜机理“胶凝失重”理论“界面胶结”理论“桥堵”理论水泥浆进入环空后，由于不断地向地层失水，水灰比急剧下降，改变了水泥浆原有性能，同时在井壁上形成泥饼，使井径缩小直至环空完全堵塞，导致水泥浆有效静液压力传递受阻，使作用于地层流体的有效液柱压力小于地层孔隙压力而发生气窜。进入环空静止后，水泥浆内部开始形成胶凝结构，随着静胶凝强度发展，环空静液柱压力逐渐降低，水泥颗粒水化形成网架结构并圈闭自由水，气体运动的流动阻力相应增大，如果此时环空静液柱压力与气窜阻力叠加之和大于地层压力，则不会发生气窜，否则将发生气窜。指凝固水泥环与相邻界面物质耦合失效而发生的气窜。主要由泥饼的存在和套管表面润湿特性不良所造成；由于泥饼在水泥凝固后因脱水而形成界面脱离，套管表面涂层亲油都会导致水泥石界面与地层和套管表面胶结不良。微裂缝-微环隙理论微环隙与微裂纹，是指水泥环与地层之间因体积收缩或水泥石内部结构缺陷产生的微尺寸通道。而微裂缝—微环隙中毛细管作用、水泥浆初凝阶段的凝聚放热、井内热应力及静液柱压力变化等也与此有关。该理论认为环空存在微裂缝—微环隙是引起油气井生产期环空气窜的根本原因。公认气窜机理/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）17第十八页，共49页。国内外研究现状环空气窜机理水泥浆被顶替到预定环空位置后，从停止流动到凝固成固体可分为四个阶段：液态水泥浆胶凝网形成(固相基质水化联结和孔隙内流体被圈闭)结晶转化(溶质过饱和析晶和结晶连生固体化)固体硬化非均匀连通多孔介质水泥浆失重机理/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）18第十九页，共49页。国内外研究现状环空气窜机理水泥浆失重与气窜关系？水泥浆失重的研究国内外学者已作了大量研究探索工作，但到目前为止，关于气体通过水泥浆窜流的机理，仍存在一些疑问：水泥浆胶凝悬挂失重一定会气窜吗？怎样解释作用与反作用原理？

水泥浆在高渗透层失水桥堵，失重引起桥堵段以下气窜；井口为何带压？水泥浆沉降失重后，质量力仍然存在，一定会气窜吗？水泥浆水化体积收缩失重恒存在，凝结前与凝结后哪个是主控因素？桥堵失重体积收缩失重沉降失重胶凝悬挂失重/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）19图片来源：互联网失重只是一种实验现象，失重后是否一定会气窜？第二十页，共49页。国内外研究现状预防环空窜流的技术措施1.限制水泥返高；2.在水泥浆柱内采取多种凝结时间（或稠化时间）；3.环形空间憋压候凝；4.注水泥前增加混合水或提高环空泥浆密度；5.利用常规多级注水泥技术；6.使用管外封隔器；7.使用充气水泥或非渗透水泥等特种水泥体系。从环空气窜现象发现至今，目前在国外已形成了关于预防水泥浆在凝结过程中因失重引起的环空窜流的七大技术措施：近年来针对水泥凝固后的窜流，还提出了使用弹性或自修复新型水泥材料/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）20第二十一页，共49页。国内外研究现状环空气窜预测方法

就设计理论而言，国内外评价和预测水泥浆防气窜性能的方法，比较典型的有Rae提出的综合因子法CCGM法、Sutton等提出的“气窜潜力系数(FPF)”法、Sutton和Ravi提出的水泥浆性能系数法(SRN)等。萌芽期（1984）根据失重原理分析气窜危险程度，但不能评价水泥浆防窜能力气窜潜力系数法初级阶段（1990-1999）基于对水泥浆关键性能参数和压力平衡原理，从性能设计和工程角度评价防窜能力水泥浆响应性能系数法修正水泥浆性能系数法胶凝失水系数法压力平衡法阻力系数法OWC-0480气窜仪发展阶段（1989-2012）静胶凝强度SGS增长定量的过渡时间理论从材料特性评价防窜能力水泥浆性能系数法阻力系数法5625静胶凝强度仪FM7150气窜仪/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）21第二十二页，共49页。国内外研究现状环空气窜预测方法地层因素(FF)静压系数(HF)钻井液清除系数(MF)水泥浆性能系数(SPN)综合因子法（CCGM）0≤CCGM≤10，防气窜效果极好；10﹤CCGM﹤20，防气窜效果中等；20≤CCGM≤30，防气窜效果差。依提高顶替效率的措施而定/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）22第二十三页，共49页。国内外研究现状环空气窜预测方法气窜潜力系数法（FPF）FPF=MPR/OBP=（1.67×L/D）/OBP

FPF气窜潜力系数准则

式中：MPR--水泥浆静胶凝强度发展引起的压力损失，MPa；OBP--初始过平衡压力，MPa。12345678910?气窜潜力小气窜潜力中等气窜危险性大失水控制；良好的钻井液顶替技术应改变固井作业参数，包括钻井液密度、水泥浆密度、水泥浆柱长度以及回压，可将FPF值降低到可接受水平。增加水泥浆的可压缩性或触变性，降低失水。/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）23第二十四页，共49页。国内外研究现状环空气窜预测方法水泥浆性能系数法（SRN）SRN实际上评价水泥浆综合防气窜性能，FPF反映了气层潜在气窜的危险程度，为此，在现场应用时应根据FPF值的大小，选择适当的防气窜水泥浆体系及其性能。一般而言，FPF值分别为0~3，3~8，≥8时，对应的SRN值分别为70~170，170~230，≥230。当SRN/FPF≤20左右时，防气窜效果不理想；SRN/FPF﹥25时，防气窜效果较好，且随二者比值的增加，防气窜效果增强。24/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第二十五页，共49页。水泥浆防窜能力评价方法防窜性能参数缺点气侵潜力系数法1984年，sutton（哈里伯顿）静胶凝强度与对应几何条件下的压降数值描述宏观压降比值平衡关系，不涉及浆体防窜性能胶凝失水系数法2003年API滤失，静胶凝强度发展时间API失水反应水泥浆材料组分对自由水的束缚控制能力，实质为滤失速率，非绝对量，因此将其作为防窜指标建立评价方法缺乏科学性

水泥浆性能响应系数法1989年，sabins水泥浆性能系数法1989年，Rae（斯伦贝谢）API滤失稠化过渡时间同上；稠化过渡时间是动态特性，与水泥石静止状态下结构形成快慢没有直接关系A值法1997，刘崇建稠化过渡时间气侵动力法2002，刘崇建气侵阻力提出了压力平衡关系，未能形成气侵阻力量化指标国内外现有评价技术及缺陷分析33环空气窜预测方法国内外研究现状/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第二十六页，共49页。原理增大水泥胶凝期地层流体通过孔隙运移的阻力（提粘、降濾、成膜、充填）降低环空有效静液压力损失速率（矿物组分水化一致性、分段凝结、加重）减小微环隙效应（降缩、膨胀、一体化胶结）同时具备这些作用体系触变水泥、充气水泥、膨胀水泥、延缓胶凝水泥、非渗透水泥、胶乳水泥、MTC国内外研究现状防气窜水泥浆体系25/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第二十七页，共49页。国内外研究现状防气窜水泥浆体系触变水泥

触变水泥在静止时能够很快形成较高的胶凝强度，而搅动时又能变稀，恢复其流动性，即所谓的剪切稀释特性。触变水泥的作用机理为：水泥浆顶替到位后，能够迅速形成大于240Pa的静胶凝强度，有效缩短气体通过水泥浆运移的过渡时间，减少发生环空气窜的几率。如:Th30mixCement触变水泥:主要由硅酸钠、氯化钠和氢氧化钠组成的低密度水泥浆。用CMC加氢氧化锆也可组成触变水泥，另外，在水泥浆中加入半水石膏也可配制成触变水泥可压缩（充气）水泥

普通水泥浆压缩系数很小，所以少量的体积损失就有可能造成较大的压力损失。当水泥浆发生水化收缩时，充气水泥浆可以补偿体积收缩，弥补和减缓压力损失，保持水泥浆凝固时有效液柱压力大于环空气层压力，达到防气窜的目的。第一类:是水泥浆中加入阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂或两性表面活性剂.在水泥浆替至环空后，

如有气体进入，就会生成相互独立的气泡均匀地分布在水泥浆中防止气窜发生。第二类:是在地面通过特殊的制氮设备向水泥浆中注入氮气。第三类:是以钝化的铝（锌）粉作为发气剂加入水泥，混合成桨体后化学反应生成气体激发剂与生气剂在井下混合，化学反应生成氢气26/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第二十八页，共49页。国内外研究现状防气窜水泥浆体系延缓胶凝水泥浆延缓胶凝水泥浆是指在水泥浆顶替到环空初期能够较长时间地保持液态性质，传递液柱压力，维持对气层的压力，当水泥浆水化过渡态结束后能迅速形成较高的胶凝强度，尽可能减少水泥浆由液态转化为固态的过渡时间，从而降低发生环空气窜或气侵的几率，这就是通常所说的“直角稠化时间”水泥浆体系设计理念的基础。防窜水泥浆体系设计原理

在大量室内实验研究基础上，认为水泥浆水化过程中自身失重特性是引发气窜的根本原因，并且得出“P地≥P环+P阻”是形成气窜的前提条件，即一旦气层压力大于环空静液柱压力与气层流体孔隙压力之和，就会形成环空气窜的潜在危险。为此，围绕如何提高气体在环空中的迁移阻力研究开发了低失水、非渗透与可压缩、触变、膨胀、直角稠化等防气窜水泥浆体系。

材料:各种高分子或胶乳聚合物、阳离子表面活性剂、生气剂、无机矿物及微细材料等。非渗透胶乳水泥浆胶乳是某种高分子聚合物通用名称。固井用胶乳通常是含有表面活性剂与聚合物微粒的乳状悬浮液，斯伦贝谢公司的SBR（丁苯胶乳），一般固相含量35%左右。20世纪中期既有用胶乳改善水泥石弹性应用于现场固井的案例，80年代发现橡胶乳液孔隙成膜特性有助于封闭水泥孔隙27/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第二十九页，共49页。小结缺乏对科学现象的探索忽略了科学问题的本质无法通过实验的手段测量胶凝态渗透率、气窜渗流阻力等防窜关键性能不能从根本上解决环空气窜问题

28国外气窜研究认识历程模糊认识以压力平衡为主要研究出发点提出气窜渗流及过渡态渗透率概念

密度控制顶替效率低界面窜流水泥石基体破裂窜流套管膨胀泥浆清除水泥环本体开裂水泥环完整性受损后期水泥环腐蚀存在问题及不足/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第三十页，共49页。Part4郭小阳教授团队近年研究新进展第三十一页，共49页。结合实际科学实验理论郭小阳教授团队近年研究新进展国内研究概况1979年，在《西南石油学院学报》上首次发表了由西南石油学院和大港油田联合研究的“水泥浆失重与气侵》的研究成果，此后刘崇建、郭小阳在《天然气工业》等杂志先后发表了《水泥浆桥堵引起的失重与气侵研究》等系列文章，从多角度探讨了水泥浆失重与环空气窜的严重性及危害性。随后，国内众多学者、油田普遍意识到解决环空窜流的迫切性，并跟踪国外展开了系列研究，取得了可观的进展；在一定程度上提高了固井质量。但针对高温高压天然气井固井和克服SCP现象及提高油气井井筒完整性而言，固井防气窜将是一个不变的主题，亟需解决！研究思路客观现象科学本质实验模拟研究结合工程应用工程技术措施郭小阳教授团队一直遵循上述的科学研究思路，对高温高压天然气井固井防气窜技术方面做了不懈的努力，并在气窜机理、气窜预测评价、水平井防窜、防气窜专用特种设备等方面形成了系列的专有技术及专利。形成解决30/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第三十二页，共49页。环空气窜机理新认识郭小阳教授团队近年研究新进展水泥浆本体气窜通道：凝结过程中塑性态水泥所具备的孔隙-骨架结构及渗透性气窜动力来源：水泥浆失重引起的渗流压差液态早期胶凝水化物质搭接形成结构水泥浆凝固孔隙收缩水泥水化胶凝（微观）失重与气窜的关系（宏观）31早在20世纪70年代，西南石油大学固井实验室便提出了“气侵阻力”概念。并提出环空气窜压力平衡临界条件：井底有效液柱压力+气侵阻力≥气层压力如何进行有效地量化测定？/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第三十三页，共49页。环空气窜机理新认识郭小阳教授团队近年研究新进展水泥骨架颗粒饱和介质（水）窜流介质（气）CASINGLAYERLAYERCEMENTSHEATH

环空气窜实质新认识：塑性态水泥浆孔隙渗透性提供窜移通道、浆柱失重产生压差提供动力的条件下，气体在塑性态水泥浆孔隙内驱替、置换原有饱和介质水的两相渗流物理过程。环空气窜渗流物理过程示意动画32/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第三十四页，共49页。防气窜性能量化评价关键性能指标的提出静胶凝强度过渡时间水硬性胶凝材料的固有特性实质是时变流体网架结构强度发展与进入结晶状态的变化速率特性，与时变渗透率有关固井过程中，地层高压气体能否进入环空？并沿环空浆柱本体向井口窜移？直接决定着固井后井口环空是否带压，严重影响着固井质量的好坏及油气井长期服役寿命。气侵危险时间内渗透率水泥浆液塑态渗透率变化对应孔隙结构强度与连通状态的变化，表现为允许气体通过水泥本体上窜的能力为满足有效的层间封固，要求气体窜移高度越低越好，因此：静胶凝强度过渡时间越短、气窜距离越小；气侵危险时间内渗透率越低、气窜距离越小。现阶段有关认识---定性认识、无法量化水泥浆防气窜能力量化评价新方法郭小阳教授团队近年研究新进展34/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第三十五页，共49页。水泥浆防气窜能力量化评价新方法郭小阳教授团队近年研究新进展从塑性态水泥浆体积收缩影响孔隙压力下降及后期水泥石体积收缩导致固井界面微环隙的产生层面，综合提出关键性能指标：水泥浆体积收缩率。水泥浆体积收缩率水泥材料固有属性导致水泥环本体开裂为气窜提供通道早期收缩（初凝前）会降低浆柱孔隙压力，造成纵向浆柱静液压力降低后期收缩（初凝后）产生界面微环隙，降低胶结强度、为气窜提供通道现阶段有关认识

体积收缩率越小越好，若能膨胀最好，但无法量化临界水泥浆体积收

缩率，仅停留在定性认识阶段。综上，提出的防窜关键性能指标为：静胶凝强度过渡时间、气侵危险时间内的渗透率、水泥浆体积收缩率防气窜性能量化评价关键性能指标的提出35/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第三十六页，共49页。环空气窜渗流物理模型在理想气体气窜渗流物理模型的基础上，考虑实际气体相态、粘度的变化，理论上建立了更为精准的实际气窜渗流物理模型（包括层间互窜模型和气体窜至井口的气窜模型），并结合初始条件、边界条件，采用离散、差分的方法进行了求解。层间窜流气体渗流微分方程气窜临界距离

气窜至井口的渗流模型

实际气体气窜渗流物理模型郭小阳教授团队近年研究新进展36/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第三十七页，共49页。水泥浆塑性体积收缩与失重关系新认识水化反应（生成物体积小于反应物体积）体积收缩主要发生在终凝后（水化反应程度越大、越剧烈，体积收缩越快、越大）调研显示：水泥浆最大体积收缩可达5~6%，其中90%以上的收缩发生在终凝后这段时间内初凝前体积收缩虽然很小，但就固井早期防气窜而言，不可忽视！表征的是水泥浆失重终凝后体积收缩才能导致二界面微环隙的形成若已知水泥浆塑性体积收缩曲线，将实际井下工况参数代入，便可获得初凝前水泥浆孔隙压力下降规律郭小阳教授团队近年研究新进展塑性体积收缩与失重关系示意图37/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第三十八页，共49页。水平井、大斜度井固井防气窜理论与技术刘崇建、郭小阳、邓建民教授于1993年在国内首次针对水平井、大斜度井的水泥浆失重与气侵问题进行了研究与探索。研究认为：除胶凝悬挂失重外，水平井水平封固段的气窜发生主要在于自由水槽的形成，而自由水槽的形成取决于水泥浆的析水控制和沉降稳定性等性能，从而提出了水平井固井采用零自由水水泥浆的观点。并认为SGS过渡时间虽然仍会影响水平井的气窜，但是远低于对直井的影响。因此，防止浆体沉降、析水形成自由水槽和纵向密度差是解决非常规井固井气窜难题的关键所在，水平井、大斜度井固井防气窜技术对水泥浆的析水、稳定性要求更高。对于非常规井固井水泥浆的析水性能测量不能简单地采用API实验方法，应将测试量筒倾斜45°角再测。在45-60°角时，水泥浆析水量最大，甚至大于水平放置的情况。郭小阳教授团队近年研究新进展38/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第三十九页，共49页。防气窜专用特种设备西南石油大学固井研究室通过长期以来的研究与努力，通过自主创新、研发，形成了一系列用于水泥浆防气窜性能研究的专用特种设备及专利技术：固井水泥浆气窜模拟分析仪

静胶凝强度测试仪及方法

高温高压水泥浆体积收缩/膨胀测试仪

胶凝态水泥浆渗透率测试仪固井环空水泥浆失重测量装置及测量方法固井水泥浆气窜模拟分析仪（ZL201310432978.0）郭小阳教授团队近年研究新进展39/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第四十页，共49页。静胶凝强度测试仪及方法（CNO2275616）团队基于井下水泥浆静态凝结特点，研制了满足水泥浆结构一次性破坏测量要求、可模拟水泥浆静态凝结过程、能连续测量水泥浆在凝结过程中得胶凝强度、量程可测至水泥浆初凝的胶凝强度测试仪，为后期机械式静胶凝强度仪的研究与发展奠定了基础。防气窜专用特种设备郭小阳教授团队近年研究新进展40/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第四十一页，共49页。防气窜专用特种设备高温高压水泥浆体积收缩/膨胀测试仪（ZL201310138365）该装置可精确模拟井下温度、压力工况，实现水泥浆凝结全过程体积收缩率连续测量，并可以测量水泥浆体积收缩导致的孔隙压降，在国内处于领先水平。最高温度150℃、最高压力100MPa。HTHP水泥浆体积收缩/膨胀测试仪体积收缩实验测试结果示意图郭小阳教授团队近年研究新进展41/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）第四十二页，共49页。防气窜专用特种设备胶凝态水泥浆渗透率测试仪（ZL2013205