固井水泥浆防气窜性能评价方法研究.doc

摘 要 固井后水泥浆环空发生气窜是当前固井工艺技术存在的三大技术问题之一。至今仍是国内外固井界未能很好解决的问题。据估计，大约25%的完井过程中存在着气窜。固井后环空发生气窜将损坏储层，影响油井自然产能，对油气田开发后续作业造成不利影响，即使采用挤水泥等补救工艺也很难奏效，严重时将导致油气井报废，浪费资源。自上世纪60年代以来，国内外对固井后环空气窜机理、预测方法及防气窜技术方法进行了大量的系统研究，设想客观、准确评价水泥浆的防气窜能力，但还未能从根本上解决固井后环空气窜技术问题，因此气窜的有关成因及防窜措施值得进一步研究和探索。 本文试图分析油井水泥浆发生气窜的原因，进一步主要了解国内外固井水泥浆防气窜性能评价方法以及它的计算式，深入了解美国千德乐公司开发的5265型静胶凝强度分析仪的工作原理，通过此仪器的一个常规水泥浆试验案例来了解一般水泥浆体系的静胶凝强度发展规律，结果表明，温度、压力、稠化时间在水泥浆静胶凝强度的发展过程中的影响比较明显，而水泥浆的失水量和密度对于水泥浆静胶凝强度的发展的影响作用并不是非常的明显。之后在实例数据的基础之上，利用数理统计的方法，建立了水泥浆静胶凝强度的计算模型，为了方便计算水泥浆静胶凝强度，并将其应用于气窜的预测，最后本文结合了水泥浆有效液柱压力计算方法和水泥浆气侵阻力计算方法，从决定气窜发生与否的压力平衡关系出发，设计了水泥浆静胶凝强度预测以及防气窜评价程序，为以后油气井防气窜工作提供科学的依据，从而提高油气田开发的经济效益。 关键词：气窜，静胶凝强度，水泥浆失重，评价方法，固井质量abstractafter cementing cement annulus gas channeling is one of the three major technical problems of current cementing technology,and this problem is still not well resolved at home and abroad .according to estimates, there are gas channeling in the completion process of about 25%. the annular gas channeling after cementing will damage the reservoir, influence natural productivity of oil wells; and adverse impact on oil and gas field development and subsequent operations; even if the use of cement squeeze, remedial process is also very difficult, which will lead to waste of resources ,even if abandon of oil well.since 60s n last century, domestic and foreign do a lot of system study to the annular channeling of cementing mechanism, forecasting and preventing gas channeling techniques , how to evaluate the gas-channeling prevention performance of cement slurry objectively and accurately,it is still a question can not resolved perfectly for the cement industry at home and abroad , therefore the causes and channeling prevention measures is worthy of further study and exploration. this paper tries to analyze the reason of oil well cement slurry gas channeling, to further understand the cement slurry anti-gas channeling performance evaluation methods and its calculation method.mainly from the conventional cement slurry static analysis method of gel experiment，the results show that the influence of temperature, pressure, the development process, the thickening time of static gel strength in cement slurry are obviously.the effect of cement slurry filtration rate and density effects on the development of static gel strength of cement slurry is not very obvious,then on the basis of the experimental data, using the methods of mathematical statistics, established the calculation model of static gel strength of cement paste.in order to facilitate the calculation of cement slurry gel strength, it was applied to predict the gas channeling.this paper combines the cement slurry effective fluid column pressure calculation method and cement slurry gas cutting resistance, from the gas migration balance relationship of cement slurry, the static gel strength prediction and gas channeling evaluation procedure for oil and gas wells, gas channeling prevention work provided scientific basis, so as to improve the development of oil and gas fields economic benefit.key words：gas channeling，slurry weight loss，static gel strength，evaluation method，cementing quality 目录1 前言11.1 研究气窜的目的及意义11.2 气窜研究历程以及国内外研究进展11.3 国内固井水泥浆防气窜技术与国外的差距31.4 本文的主要工作41.5 本文的主要思想52 水泥浆防气窜性能评价方法62.1 气窜的途径62.2 气窜的机理分析62.3 防气窜性能评价方法92.3.1 平衡压力法92.3.2 气窜潜力系数法(gfp)102.3.3 水泥浆性能系数法（spn）112.3.4 修正的水泥浆性能系数法(spnx)122.3.5 水泥浆性能响应系数法（srn）132.3.6 胶凝失水系数法（gelfl）142.3.7 综合因子法(ccgm)142.3.8 阻力系数法162.4 防气窜评价方法存在的问题172.5 本章小结183 水泥浆防气窜性能评价实验模型193.1 水泥浆静胶凝强度的概念193.2 水泥浆静胶凝强度理论203.3 静胶凝强度测量装置及原理203.3.1 静凝胶强度测量装置203.3.2 静凝胶强度测量装置工作原理223.4 实验模型案例223.4.1 常规水泥浆的配方233.4.2 温度对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响233.4.3 压力对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响243.4.4 稠化时间对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响263.4.5 失水量对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响273.4.6 密度对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响293.5 本章小结314 水泥浆防气窜性能评价数值模型324.1 多元线性回归模型324.2 影响因素相关性评判方法334.3 影响因素综合分析案例354.3.1 常规水泥浆直线段的数据回归354.3.2 常规水泥浆曲线段的数据回归374.3.3 建立的静凝胶强度的的数值模型404.4 数值模型的验证414.5 本章小结425 设计气窜评价软件模型435.1 设计模型的功能简介435.2 设计模型的数值计算式435.2.1 评价气窜的力学平衡方程式及其导出式435.2.2 常规水泥浆静胶凝强度的数学模型455.3 设计模型的思路465.4 设计模型的使用说明465.4.1 输出结果分析465.4.2 气窜评价模型流程图475.4.3 界面设计485.5 本章小结506 结论及建议51参考文献54561 前言1.1 研究气窜的目的及意义 固井后环空气窜是指在注水泥结束后,在水泥浆由液态转化为固态过程中,水泥浆难以保持对气层的压力或由于水泥浆窜槽等原因造成胶结质量不好,气层气体窜入水泥石基体,或进入水泥与套管或水泥与井壁之间的间隙中造成层间互窜甚至窜入井口。固井后水泥浆环空发生气窜是当前固井工艺技术存在的三大技术问题之一。 发生环空气窜的主要危害是1: （1）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。 （2）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。 （3）环空气窜严重时将导致油气井报废, 浪费资源。 （4）窜流使套管遭受流体的侵蚀和腐蚀，降低了套管的强度和使用寿命。 因此, 国内外对固井后环空气窜机理、预测方法及防气窜技术方法进行了大量的系统研究,但还未能从根本上解决固井后环空气窜技术问题,鉴于环空气窜井生产带来很大麻烦，并降低了气井的经济效益，因此气窜的有关成因及防窜措施值得进一步研究和探索。1.2 气窜研究历程以及国内外研究进展 自上世纪 60 年代以来, 国内外对固井后环空气窜机理、预测方法及防气窜技术方法进行了大量的系统研究关于窜流问题的研究,不同的学者分别对评价和解决该问题作了大量工作。其中部分介绍如下2。 1970年, carter和slagle认识到许多因素能够导致气窜。他们指出控制失水量对气窜问题很重要。 1982年, sabins、tinsley和sutton进行了气窜潜能分析,其中包括用静胶凝强度计算潜压力损失极限。 complak和wbeecroft研究了alberta地区东南部油田及slave湖地区的生产井初次注水泥气窜问题。 sabins等人研究了工作参数对水泥浆过渡时间的影响,如泵送时间、顶替时间、浆体组分、循环温度及压力等。讨论了利用过渡时间及静胶凝强度来预测环空气窜和评价防气窜剂的方法。 1984年, sutton、sabins和paul发表论文讨论了窜流潜能因子,对vermillion 50区海湾沿岸的tenneco中心海湾区域的15口井的现场实验数据与研究结果进行了对比。 1989年, beirute和cheung提出一种方法,按比例缩小油井参数,在试验室内模拟实际情况来做气窜问题试验。这种方法建立在一套模拟静胶凝导致压降的设备基础上。之后，国外在统计规律的基础上，对影响防窜能力的各项因素进行分析，提出了不同的防窜能力评价方法：gfp，srn，ccem，gfp*srn以及srn/gfp，在机理方面研究逐渐减少。 1994年，西南石油大学刘崇建教授等提出，水泥浆在有泥饼以及内泥饼条件下的滤失量比api滤失量小得多，两者可以相差几倍，甚至几十倍。对水泥浆滤失量的控制，更多的是为了保证水泥浆体系的稳定性。 1996年，江汉石油学院孙展利提出，水泥浆体系是沉降不稳定的多相粗分散体系，沉降失重是水泥浆失重的主要原因，并用不带胶凝的石英砂浆进行了论证。 1999年, moon和wang展示了一种声波测定水泥浆静胶凝强度的仪器。随着水泥浆静胶凝强度的发展,高频声波信号穿过水泥浆后的衰减率降低,其幅度的变化也与水泥浆的静胶凝强度有关。 2002年, nishikawa和wojtanowicz尝试模拟和分析水泥浆体积收缩的首要原因井下液漏失造成的瞬时压力下降。 同年，丁士东、张卫东分析了固井后环空气窜的原因、途径及其危害，阐述了国内外固井环空气窜预测、水泥浆防气窜性能评价和室内模拟实验方法，综述了近几年来国内外防气窜水泥浆体系和工艺技术，提出了今后防气窜固井技术研究的建议。 2004年, tiraputra等人通过实例介绍一种溶解导向法解决气窜问题,这种方法使得钻井方案和固井施工都要变化。 2005年，为解决水泥浆流变性能与水泥石力学性能之间的矛盾，斯伦贝谢公司研究开发了cemcrete技术3。 2006年，murray、dillenbeck和ramy建立了过渡时间的概念,讨论了仅仅利用胶凝强度的发展来控制气窜的错误概念。试验数据表明,长过渡时间与短过渡时间的气锁水泥浆都能导致气侵。 2007年，步玉环等人从水泥浆失重的力学本质出发，利用受力分析的手段对水泥浆失重规律进行了分析并建立了模型。 我们都知道高温深井最容易产严重的环空气窜，它可能导致很高的井口压力和气体流动,不仅使后续钻井工程和开采工程无法进行,还可能造成全井报废的恶果。为解决深井气井气窜问题,需要采用防气窜水泥浆技术。 目前国内外用到的防气窜剂,有以下几种4:触变类外加剂(半水石膏、交联或复合聚合物材料等);延迟胶凝材料;铝粉混合物;基质流动阻力剂或阻塞剂(胶乳、硅灰等)。由于深井气井固井施工安全系数要求大、水泥浆密度控制要求严格等特点,一般使用胶乳水泥浆。 从防窜研究发展的方向看，国外的研究方向逐渐向统计规律发展统计规律，得出关于水泥浆性能等多方面影响因素的经验关系式，利用用于评价水泥浆体系的防窜能力；国内则逐渐从窜流发生机理入手进行研究，希望从窜流机理找到解决问题的办法。1.3 国内固井水泥浆防气窜技术与国外的差距 近几年来对于国内对于防气窜水泥浆的方法研究取得了较快的发展。通过研究与现场实践,国内形成了多套防窜水泥浆体系,如胶乳型防窜体系、发气型防窜体系、膨胀体系、直角凝固型防窜水泥浆体系等。但是和国外相比,还有较大差距,主要表现为: (1)基础研究落后,研究的深度和广度也不够。 (2)实验手段缺乏,缺少专门评价水泥浆性能的仪器。 (3)固井工艺细节设计不完善,固井设计时对地质因素考虑少。 (4)外加剂品种和性能与国外相差较远,配套性差,某些外加剂的副作用强。国外的油井水泥、外掺料及外加剂,自上世纪八十年代初开始以较快的速度发展,逐步形成系列化的产品;九十年代以来,在品种和数量方面的增长速度趋缓,但是加强了对水泥浆性能要求和不同外加剂基本性质和作用机理等方面的研究,在防气窜剂、高温缓凝剂、降失水剂、水泥石强度提高和抗衰减剂等外加剂方面进展很大,合成聚合物类产品成为主流,外加剂的另一个特点是一剂多效,外加剂性能的改进对于保证常规水泥浆的固井质量起到了积极的促进作用。 (5)计算机辅助注水泥设计及评价方面几乎还是空白。 (6)固井施工的自动化程度低。因此无论在固井防气窜水泥浆技术方面，还是固井设备方面国内和国外依然存在着差距，随着我国油气勘探开发的深入,复杂地质条件下油气藏勘探开发领域的扩大,东部老油田综合含水率的不断上升,西部深井复杂井的钻探,以及提高油气勘探整体效益为目标的新要求,固井技术面临着全新的挑战5。1.4 本文的主要工作 尽管窜流事故时有发生，但现场实践表明，并非所有的井都发生窜流，发生窜流的井窜流的程度也不尽相同，对于油田来说，总是希望在投入最少的情况下能获得最大的收益，如果对不需要采取防窜措施的井实行防窜措施，势必造成不必要的浪费，增加油气开发成本而降低效益。但要作到这一点，就需要能够预先根据井下条件以及所采用的水泥浆体系性能，进行防窜能力评价，合理判断窜流发生的可能性，然后再根据窜流发生可能性的大小，调整相应的水泥浆性能，采取相应的防窜措施，直到能满足防窜要求为止，以防止窜流的发生。 本文将系统分析固井过程中气窜的产生的途径，分析气窜的产生的机理，预测气窜的危害。深入了解国内外固井防气窜水泥浆研究现状（具体的水泥浆体系）。目前国内常采取的防气窜性能评价方法以及这些方法存在的问题。具体了解水泥浆静凝胶强度试验测试方法，由于水泥浆静胶凝强度的测量对于防止固井过程中的气窜及提高固井质量非常关键，所以我将着手从静凝胶强度分析出发，针对水泥浆静胶凝强度的非线性建模问题，在水泥浆静胶凝强度影响因素的室内实验研究的基础上，利用非线性回归估计方法和影响因素的综合评判方法，建立起水泥浆静胶凝强度预测模型，结合水泥浆有效浆柱压力的变化、气侵阻力的变化等，来指导评价气窜发生的可能性。最后基于在水泥浆失重模型以及静胶凝强度预测模型的基础之上，编制相应的程序，通过程序来实现水泥浆气窜发生可能性的评价，为以后油气井防气窜工作提供科学的依据。1.5 本文的主要思想鉴于国外防窜的研究方向逐渐向统计规律发展，得出了关于水泥浆性能等多方面影响因素的经验关系式，用于评价水泥浆体系的防窜能力，国内则逐渐从窜流发生机理入手进行研究，希望从窜流机理找到解决问题的办法。本论文则把两者结合起来，采取案例研究和理论分析的方法来具体对防气窜问题进行研究。（1）理论分析维持压力平衡是控制和预测气窜的基本原理，以“水泥浆静胶凝强度变化规律”为理论依据，针对影响其有关因素如温度、压力、稠化时间等；结合水泥浆有效液柱压力计算方法和水泥浆气侵阻力计算方法，从决定气窜发生与否的压力平衡关系出发，设计了水泥浆静胶凝强度预测以及防气窜评价程序，改进水泥浆防气窜性能评价方法。（2）案例研究 在水泥浆静胶凝强度影响因素的室内实验研究的基础上，利用非线性回归估计方法和影响因素的综合评判方法，建立起水泥浆静胶凝强度预测模型，结合水泥浆有效浆柱压力的变化、气侵阻力的变化等，来指导评价气窜发生的可能性。2 水泥浆防气窜性能评价方法 固井后环空气窜是指在注水泥结束后,在水泥浆由液态转化为固态过程中,水泥浆难以保持对气层的压力或由于水泥浆窜槽等原因造成胶结质量不好,气层气体窜入水泥石基体或进入水泥与套管或水泥与井壁之间的间隙中造成层间互窜甚至窜入井口。而固井后环空发生气窜将损坏储层, 影响自然产能，对油气田开发后续作业造成不利影响，即使采用挤水泥等补救工艺也很难奏效,严重时将导致油气井报废, 浪费资源。2.1 气窜的途径 目前普遍认为环空气窜有以下3个途径6： (1）第一种途径是因为顶替效率不高而造成水泥浆窜槽。随着泥浆胶凝、脱水和收缩，进而形成气窜通道。 (2)第二种途径水泥石与套管及水泥石与地层之间的微环隙。微环隙的形成原因是由于水泥凝固时化学收缩或由于水泥浆自由水析出以及由于温度压力变化形成的，室内实验表明水泥石的体积收缩率可达到6%。 (3)第三种途径是水泥浆失重引起环空气窜。自20世纪70年代末期以来，随着国内外对水泥浆进入环空后失重现象认识和深入研究，普遍认为水泥浆失重是引起环空气窜的主要原因。 发生环空气窜的主要危害主要是：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，严重时在井口发生冒油、冒气，甚至固井后出现井喷事故，即使采用挤水泥等补救工艺也很难奏效。2.2 气窜的机理分析 有关环空气窜机理主要有以下几种理论7: (1)“桥堵”理论。水泥浆进入环空后, 由于其不断地向地层失水, 造成其水灰比急剧下降, 改变了水泥浆的原有性能, 同时在井壁上形成泥饼, 使井径缩小、直至井径完全堵塞, 导致水泥浆静压传递受阻,使作用在地层有效的液柱压力小于地层孔隙压压力而发生气窜。 (2)“水泥浆胶凝失重”理论。水泥浆进入环空静止后,水泥浆内部开始形成静胶凝强度, 随着胶凝结构逐渐形成, 环空静液柱压力逐渐降低, 水泥颗粒逐渐形成网架结构, 水泥浆稠度增加, 气窜阻力( 包括水泥浆结构自身阻力及聚合物提供的附加阻力)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, 否则必将发生气窜。环空水泥浆进入过渡状态后期至终凝, 由于环空水泥浆柱继续失重, 直至环空静液柱压力为零甚至为负值。同时高分子量聚合物由于自由水的减少逐渐析出,也就逐渐失去提供附加气窜阻力的能力, 环空水泥浆只有依赖自身的胶凝结构阻止气窜，此时是环空气窜易发生时期。 (3)“界面胶结”理论。这是由于界面胶接不好而发生的气窜, 主要原因是由于泥饼的存在和顶替效率低, 导致水泥石界面与地层胶结不好而引起的。 (4)“微裂缝- 微环隙”理论8。微裂缝是在水泥环与地层之间或水泥环内产生的微小通道, 而微环隙是由于水泥环不能很好地与套管胶结造成的。该理论认为环空存在微裂缝微环隙是引起气窜的根本原因, 而微裂缝微环隙形成的主要原因是水泥柱的体积收缩、泥饼的存在、毛细管作用、水泥浆初凝阶段水的凝聚、井内热应力及静液柱压力等。 水泥浆是一种凝胶物质，与水混合后会逐渐转变为固态。在水泥浆为液态时，它具有静液柱压力。水泥浆属于高密度、颗粒处于悬浮状态、能够完全传递静液压力的液相。在固井条件下，环空的液柱压力是大于地层压力的。在水泥浆转变成固态之后，它与套管、与岩石之间有相当高的胶结强度，该强度可以防止地层压力突破其胶结面而上窜。但在水泥浆由液态向固态转变的过程中，其静液柱压力会逐渐降低，重力由沾附在两个交界面上的颗粒承担。随着水泥的固化，水泥浆的重力逐渐传递到套管和岩石上，水泥浆的静液柱压力也逐渐降低，对地层的压力也逐渐变小。当水泥的重力完全挂在两个界面上，就丧失了静液柱压力对地层的平衡作用。 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(见图2-1)，即水泥浆相、水泥浆胶凝(固相基质和空隙内流体形成两相物)、水泥凝固(水泥颗粒凝固终止，形成固体)、水泥硬化。图 2-1 水泥浆凝固的各个阶段 气侵主要发生在水泥浆胶凝期(见图2-2)。开始水泥浆属于高密度、颗粒处于悬浮状态、能够完全传递静液压力的液相，即oa段。随后水泥浆胶凝、失水和体积收缩产生新的水泥浆特性，使水泥颗粒及残留在基质中的液体形成孔隙结构，能支撑传到水泥柱上的大部分载荷，但水泥浆柱压力已不能控制水泥结构内的孔隙压力。如果进一步脱水，孔隙压力降低从而引起环空总的液柱压力下降由a到b点。当其静态凝胶强度持续增加时，孔隙下降使液柱压力由b到c点降至气层压力以下，发生气侵。水泥浆从水化作用到胶凝、凝固直至硬化的特性，决定了在b点附近的压降是客观事实，水泥浆失重不可能避免。图 2-2 水泥浆水化时压力产生递减造成气侵2.3 防气窜性能评价方法 因为对于油田来说，总是希望在投入最少的情况下能获得最大的收益，如果对不需要采取防窜措施的井实行防窜措施，势必造成不必要的浪费，增加油气开发成本而降低效益。但要作到这一点，就需要能够预先根据井下条件以及所采用的水泥浆体系性能，进行防窜能力评价，合理判断窜流发生的可能性，然后再根据窜流发生可能性的大小，调整相应的水泥浆性能，采取相应的防窜措施，直到能满足防窜要求为止，以防止窜流的发生。为了实现这个目标，在进行了多年的防窜研究基础上，针对上述窜流形成的原因及影响因素，形成了一系列不同的防气窜评价方法9。2.3.1 平衡压力法 （1）气侵危险区的确定，气侵危险区发生在水泥浆候凝1h左右,水泥浆柱压力降至气层压力(pf),和降至水柱压力(pw)范围内。 水泥浆柱降至水柱压力时间tw=a.tes ,tes为水泥浆初凝时间, min , a =0.6； min，a =0.7。 根据室内几次失重实验统计,水泥浆失重曲线,可近似用图2-3的斜直线表示。图2-3 水泥浆近似失重曲线 水泥浆柱压力降至气层压力的时间可用以下式子表示: （2-1） 式中-分别表示水泥浆开始时浆柱压力、气层压力、水柱压力； a-水泥浆柱降至水柱压力时间与水泥浆初凝时间的比； -水泥浆初凝时间。 （2）测出危险时刻的气层压力和水泥浆阻力 如时，水泥浆凝固过程不会出现气侵情况。 如时，则应改变水泥浆体系,增加或在水泥浆凝固初期,按水泥浆失重值,在环空加压,以达到防止气窜的目的。用双凝水泥浆同样会有明显效果,两种水泥浆的初凝时间差(2-2.5h),速凝封隔段不宜过长。2.3.2 气窜潜力系数法(gfp)该方法是由哈里伯登公司(hs)sutton,在1984年提出的。他采用了水泥浆柱压力最大降低值与井内浆柱的过平衡压力来描述气窜的危险性,但却未考虑水泥浆特性对防止气窜的影响,是一种定性估计。 gfp的计算 （2-2） 由前所述，当水泥浆静胶凝强度达到240pa时，水泥浆就有足够的强度阻止气窜，为此，可能引起水泥浆气窜的最大压力损失为： （2-3） （2-4） 如隔离液密度,则可简化为: （2-5） 即gfp可用下式表示: （2-6） 式中 为水泥浆胶凝强度，。当为240pa时,水泥浆柱压力的降低值，为地层过平衡压力。很显然,愈大,愈小,gfp愈小,气窜危险性愈小。gfp与气窜的可能性及防止气窜的方法如表2-1。123456789 10 气窜可能越小高密度水泥浆低失水水泥浆气窜可能性中等胶凝延迟水泥浆触变性水泥浆不渗透水泥浆气窜危险性大可压缩水泥浆表2-1 气窜潜力系数的预测与应用2.3.3 水泥浆性能系数法（spn） 水泥浆防气窜性能如何主要取决于水泥浆在顶替到位后，水泥浆由液态转化为固态过渡时间的长短以及水泥浆孔隙压力下降速率的大小10。其中，水泥浆由液态转化为固态过渡过程一方面可以用水泥浆静胶凝强度发展速率来描述，还可以用稠化过渡时间（稠度变化速率）来描述。水泥浆孔隙压力下降的主要原因是水泥浆向地层失水，为此，水泥浆孔隙压力下降速率的大小可用水泥浆失水速率来描述。因此，将水泥浆稠化过渡时间与水泥浆失水速率综合考虑为水泥浆性能系数（），具体表达式为： （2-7） 式中：水泥浆性能系数，无因次； 水泥浆 api 失水，ml； 分别为水泥浆稠度为 100bc 和 30bc 的时间，min。 式（7）中是评价水泥浆防气窜性能的参数，反映了水泥浆失水量及水泥浆凝固过程阻力变化系数对防气窜的影响，值评价标准：（防气窜效果好）；（防气窜效果中等）；（防气窜效果差）。2.3.4 修正的水泥浆性能系数法(spnx) 由于水泥浆性能系数spn只是反映水泥浆的防气窜性能，而没有考虑水泥浆密度、井径、返深等因素。为此，引入了压稳系数fb： （2-8） 式中 分别是水泥浆柱和泥浆柱长度（单位 m）； 分别是水泥浆和泥浆密度（单位g/cm）； 分别代表井径和套管外径（单位 m）； 水泥浆静胶凝强度（单位 pa）。 fb的意义就是一个压稳系数，也就是水泥浆进入环空间隙后最初液柱压力与某一时刻水泥液柱压力损失之差与地层压力之比。地层压力可以以泥浆柱压力代替。某一时刻的环空水泥柱压力损失可以有水泥浆静胶凝强度求取，见式（2-9）： （2-9） 如前所述，当水泥浆静胶凝强度增长到大于240pa时就可以有足够的阻力抵御气体的运移，也就是说水泥浆柱在静胶凝强度到240pa时的压力损失是可能发生气窜期间的最大压力损失。则式(9)中的sgsx可以取值240，则fb代表最危险情况的压稳系数，即临界压稳系数，式(8)可变为： （2-10） 压稳系数不仅考虑到水泥浆和泥浆密度对防气窜的作用，也考虑了静胶凝强度增长引起的压力损失以及水泥浆液柱和泥浆液柱对防气窜的影响，包含的现场实际因素比较全。通过研究分析我们给出了修正spn系数的表达式，式（2-11） （2-11） 利用spnx我们可以针对具体的某一口井进行气窜的预测，通过预测结果可以对某些参数进行调整，可以有效地指导防气窜固井设计。 spnx的评价标准为： 如果fb1，则spnx0。说明环空水泥液柱净压力在静胶凝强度达到240pa时已,不能压住地层压力，则极易发生气窜。 如果fb1，则spnx0，并且随着spn的增大而增大，说明气窜危险加大。另一方面随着fb的增大而增加，说明压稳系数越高，气窜危险性越小。反之亦然。如fb=1，说明环空水泥浆静胶凝强度达到240pa时，环空液柱压力刚好与气层压力相平衡，水泥浆防气窜能力主要取决于水泥浆性能系数。2.3.5 水泥浆性能响应系数法（srn） 水泥浆防气窜性能不仅与水泥浆静胶凝强度、失水性能有关，而且与井眼尺寸有关，水泥浆性能响应系数法综合以上这些因素，其表达式为：srn=静胶凝强度增长速率/水泥浆失水速率 (2-12)式中 静胶凝强度最大增长速率； 静胶凝强度增长速率最大时的静胶凝强度； 时的失水速率； v单位长度的环空体积； a单位长度的井壁面积。 由上式可以看出： (1)在水泥浆静胶强度速率变化最大之处，所需要的时间越短，静胶凝强度变化越大，静胶强度及失水速度越低，srn值越大，防气窜效果越好。 (2)环空间隙越大水泥浆失重越小，水泥浆失水量越小，srn值越大，防气窜效果越。2.3.6 胶凝失水系数法（gelfl） 胶凝失水系数法的意义就是一个压稳系数，水泥浆进入环空间隙后的初始液柱压力与水泥浆体积收缩造成的液柱压力损失之差与地层压力之比。gelfl1时，气窜的危险程度减小。gelfl越大，说明发生气窜的可能性越小。 (2-13) 式中 水泥浆长度、钻井液长度、隔离液长度和气层深度，m； 水泥浆、钻井液、隔离液和气层当量的密度，g/cm； 井眼在水泥浆段的裸眼面积,cm2； 水泥浆体积压缩系数，2.610-2m3/mpa； 水泥浆静胶凝强度达到48 pa和240 pa时间，min； 水泥浆在过渡阶段单位面积上的失水速率，ml/(cm2min)。2.3.7 综合因子法(ccgm) 道维尔公司rae等人在1989年提出的。它通过分析美国、欧洲、非洲、中东和远东地区64口气井资料，统计出影响气窜的四个因素，并编成计算尺使用。四个因素包括动态和静态条件的影响，分别为地层因素 ，液体静压系数，水泥浆性能系数和动态的钻井液清除系数。其具体表达式如下: 1)地层因素(）：地层流通能力与气层顶部过平衡压力换算成水泥浆体积之比。 (2-14)式中地层系数； 产液（气）能力，m2.m 水泥浆密度，kg/l； 气层顶部的过平衡压力，mpa； 井径，mm； 套管外径，mm。 当地层因素()1，注水泥气窜危险大，=0.571注水泥气窜危险中等，0.57注水泥气窜危险小。 2）液体静压系数 ：是水泥浆降到水柱压力时，气层压力与环空液柱压力比值。 (2-15) 如果：1，注水泥后气窜危险程度大；1，注水泥后气窜危险程度小，一般，=0.871，水泥浆在凝固过程中不会发生气窜。 3）水泥浆性能系数（）同本章2.3.3节 4）钻井液清除系数（）较难确定，但可以综合以下几个方面进行评定：套管居中度大于67%；循环钻井液1周以上，无气侵显示；使用隔离液及冲洗液；液体在主要封隔段紊流接触时间在5min以上；调整水泥浆及钻井液性能，使cm；进行注水泥流变学设计；减小u型管效应；使用双胶塞注替钻井液和水泥浆；活动套管。 上述9项措施，如能全部使用，水泥浆顶替效率将达到优良水平；如采用前5项措施和后面任意两项措施，顶替效率将达到良好水平，mf均为2级。 ccgm的解析法如下： (2-16) ccgm的防气窜性能评价标准如下表2-2：表2-2 综合因子防气窜评价标准ccgm0-1010-15防气窜性能很好中等差 ccgm计算方法综合考虑了四个影响气窜的因素,即地层系数(ff)、静液压力系数(hf)、泥浆清除系数(mf)和水泥浆性能系数(spn)。ds公司通过对美国、欧洲、非洲、中东和远东地区大量气井资料的统计分析,计算出这四个系数之间的半经验公式,然后通过这4个参数计算出一个系数ccgm(或称ef系数),由该系数来判定可能发生气窜的危险程度。 由于这一方法是在大量统计资料上得出的,因此,有一定的可信度和适用性。但ds是以一个速查计算尺的方式给国外油气田提供这项技术的,对其具体的半经验公式还未看到介绍。虽然使用计算尺能进行气窜预测,但这项技术要直接应用在我国便受到一定限制,一是单位的换算,二是计算尺本身的使用也较复杂,三是不能将其结合到固井的整体设计中,并使用计算机技术进行计算设计。2.3.8 阻力系数法 综合因子法考虑了注水泥过程中的动态和静态因素,其中注水泥的顶替因素和地层产能因素是很难确定的,应用于现场有一定困难。水泥浆凝固过程的气窜问题,实际上是一个压力平衡问题,无直接关系,因此,可将与取一合理级别,简化综合因子法。按低气窜范围考虑为8.5级左右,而水泥浆顶替情况按优良范围为2级左右。简化综合因子法可用流体静压力系数hf和泥浆性能系数spn表示。 (2-17) (2-18) (2-19) 式(2-17)仅考虑了水泥浆凝固过程,其密度降至水的密度,而未考虑水泥浆的阻力增加,因此,计算的hf值偏大,即使计算值稍大于1,也不会发生气窜,考虑到液柱压力与地层压力的安全平衡关系,取hf=0.871 (级别为4),水泥浆凝固过程不会出现气窜情况。 最后可将水泥浆凝固过程的气窜问题归结到式(2-18)，(2-19)的内容,一是水泥浆的api失水,另一个是水泥浆阻力变化系数a。一般认为,水泥浆失水愈小,a值愈小,即spn愈小,防气窜能力愈强。实际上,失水对防气窜的影响是有限的，前面已给出了水泥浆失水,对防气窜的较好范围为150 ml，这样防气窜的spn值可用水泥浆阻力变化系数a值表示，a值反映了水泥浆阻力变化速度。水泥浆稠度为100 bc的稠化时间(min)与稠度为30bc的稠化时间(min)愈接近,a值愈小,阻力变化速度愈快,防气窜能力愈强,a值愈大,阻力变化速度愈慢,防气窜能力愈弱。根据国内外资料和室内实验表明,水泥浆的a值小于0.15,都具有不同程度的防气窜能力。2.4 防气窜评价方法存在的问题 目前，水泥浆防窜性能的评价方法也无确定的标准，在实际应用中使用较多的方法有：平衡压力法、气窜潜力系数法(gfp)、水泥浆性能系数法(spn)、综合因子法(ccgm)、阻力系数法等，这些方法均具有一定的局限性，只适用于评价某一类问题。 表2-3给出了目前常用的气窜评价方法存在的问题。虽然目前环空气窜预测方法很多，但大部分都是从某一或某几方面来考虑的，由于气窜的影响因素很多，因此，上述几种方法并不能很完整的表达出水泥浆的防气窜性能，有必要做尽可能全面的分析来研究气窜的影响因素，做尽可能正确的预测方法，以便准确的评价水泥浆的防气窜性能。目前常用的气窜评价方法的优缺点总结如下表： 表2-3 目前常用防气窜评价方法存在的优缺点 防窜能力评价方法优点缺点平衡压力法考虑了压力平衡关系水泥浆性能考虑较单一气窜因子法（gfp）考虑到地层及水泥浆两方面的因素，有一定的道理未考虑水泥浆特性对防止气窜的影响，是一种定性估计水泥浆性能响应系数（srn）考虑了水泥浆特性对气窜的影响未考虑气窜压力平衡的有关关系胶凝失水系数法（gelfl）考虑了压力平衡关系没有考虑到气窜阻力的影响综合因子法(ccgm)比较全面地考虑了注水泥过程中的动态和静态因素使用起来有一定困难，有些因素很难量化水泥浆性能系数法（spn）反映了水泥浆的防气窜性能 过分强调了水泥浆失水量修正的水泥浆性能系（spnx）既反映水泥浆的防气窜性能，又考虑水泥浆密度、井径、返深等因素 压稳系数取值偏小阻力系数法考虑到水泥浆阻力变化a值取值范围较小，相对误差过大，判断防气窜能力偏差较大2.5 本章小结 本章对水泥浆在环空中存在的气窜这个概念作初步总结，主要内容包括了水泥浆气窜途径以及危害，水泥浆气窜机理分析，影响气窜的因素，气窜预测进行介绍，最主要的内容是对当下防气窜性能评价方法，防气窜评价方法存在的问题。3 水泥浆防气窜性能评价实验模型 基于气窜各方面的研究，提出了一系列的气窜评价方法，这些方法都各有所长，但是没有给出考虑各种因素的全面的评价方法，最完善的思路，应该是从地层本身情况结合水泥浆性能进行综合评价，得出水泥浆体系针对所面临具体地层条件的防窜能力。在水泥浆性能方面，考虑最多的是浆体的滤失性能和胶凝强度的发展状况，说明了这两项性能在防窜方面的重要性，因此这一章我们将建立水泥浆气窜评价的实验模型即应用水泥浆静胶凝强度的5265u型静胶凝强度/超声波抗压强度分析仪来测试水泥浆的性能，具体我们要了解此仪器的工作原理，适合测试的水泥浆类型，实验条件，以及操作方法等。最后研究相关资料举出相关的测试实例，主要以测定水泥浆静胶凝强度为主，研究其他因素如压力温度等对它的影响，通过水泥浆静胶凝强度的实验案例来分析气窜的影响因素。 3.1 水泥浆静胶凝强度的概念 当水泥浆从浆体变为固态的过程中，水泥浆体逐渐形成一种既非固体又非液体的结构胶凝状态的特征。从某些方面看，在胶凝阶段，水泥类被认为是一种近似于聚合物的材料，表现出了非牛顿流变性和屈服值，即静胶凝强度（采用单位剪应力，pa)，所以静胶凝强度可以理解为环空水泥浆在井口压力作用下存在于壁面边界的剪切力9。浆体结构发展，其展现的行为既非固态亦非液态，这个过程发生在强度产生之前。这种胶凝特性决定了气体或者液体窜入浆体的能力，也决定了固井过程中顶替中断后再重新开始时，薄弱地层要面临的压力大小11。 在水泥浆泵入井下后水泥浆就开始发展静胶凝强度，静胶凝强度发展的过程，就是水泥浆从能传递液柱压力的液态流体向具有可测量抗压强度的固硬性材料转变的过程，这一变化阶段称为过渡期。在过渡期水泥浆持续增加胶凝强度，这时水泥浆基体具有非牛顿流体的流变行为，并具备屈服值，也被称为静胶凝强度sgs。静胶凝强度定义是: 在某一时刻，破坏一段胶凝流体的胶凝结构所需的最小剪切应力。3.2 水泥浆静胶凝强度理论 在水泥浆由液态向固态转变的过程之中，水泥浆体逐渐形成一种既非固体又非液体的结构胶凝状态的特征。从某些方面看，在胶凝阶段，水泥类被认为是一种近似于聚合物的材料，表现出了非牛顿流变性和屈服值，即静胶凝强度（采用单位剪应力，pa)，所以静胶凝强度可以理解为环空水泥浆在井口压力作用下存在于壁面边界的剪切力。 在水泥浆就位之初，体系还未来得及在其内部形成充满整个水泥浆的空间网架絮凝结构，水泥浆的静胶凝强度尚未形成，只是体系的新粒子通过其外层水膜的良好滑动、变形能力，紧密堆积、密实充填，形成和常规液柱一样的水泥浆柱，因此，其初始静液压力仍可用常规流体的静液压力计算公式进行