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隨著油氣井的開發(fā)，環(huán)空帶壓問題越來越突出，油氣井環(huán)空帶壓對生產(chǎn)安全十分不利，是石油工業(yè)面臨的共同安全生產(chǎn)難題。造成環(huán)空帶壓的原因較多，有溫度效應(yīng)誘發(fā)、井下管串密封失效誘發(fā)、固井時頂替效率不佳、鉆井液體系及配方設(shè)計不合理、水泥環(huán)完整性破壞以及氣體運移等誘發(fā)因素。地質(zhì)因素、工程技術(shù)因素、油氣井開發(fā)方式以及套管本身的質(zhì)量也有可能造成套管的損壞。
 
應(yīng)用套管 - 水泥環(huán) - 地層一體化技術(shù)可預(yù)防油氣井環(huán)空帶壓問題，研究人員通過研究得出了井口允許最大帶壓值的計算公式及預(yù)防環(huán)空帶壓的技術(shù)措施。研究油氣井環(huán)空帶壓意義重大油氣井環(huán)空帶壓導(dǎo)致水泥環(huán)失效，發(fā)生氣體泄漏，影響安全生產(chǎn)作業(yè)、危害環(huán)境，甚至導(dǎo)致整口井報廢。美國墨西哥灣（圖1）加拿大油田環(huán)空帶壓問題同樣嚴(yán)重，每年發(fā)生大量修井費用。
 
國內(nèi)川渝地區(qū)、西氣東輸源頭塔里木油田（圖 2）山前構(gòu)造環(huán)空帶壓問題嚴(yán)重。水泥環(huán)因套損及壓力變化而損壞套管的損壞基本上由地質(zhì)因素、工程技術(shù)因素、油氣井開發(fā)方式以及套管本身的質(zhì)量造成 （圖3） 。 套管損壞的方式主要有磨損、變形、破裂、錯斷、擠毀、腐蝕、脫扣、漏失等，其中由地質(zhì)因素造成的套管損壞有變形、錯斷、擠毀、腐蝕等，由工程技術(shù)因素造成的套管損壞有磨損、破裂、脫扣等，由油氣田開發(fā)方式造成的套管損壞有變形、腐蝕、漏失。
 
例如，江漢固井所 2016 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，固井中共有 99 口井環(huán)空帶壓，其中表層帶壓 79 口、技套帶壓 81 口、技套和表層同時帶壓 61 口。井內(nèi)鉆井液密度變化、 試壓、酸壓、采氣引起井內(nèi)壓力變化，水泥環(huán)在高應(yīng)力作用下可能發(fā)生塑性變形。當(dāng)井內(nèi)壓力降低時，水泥石與套管壁變形不協(xié)調(diào)，形成微環(huán)隙；當(dāng)井內(nèi)持續(xù)高壓時，水泥石塑性變形超過極限變形，破壞了水泥石力學(xué)完整性。圖 2 塔木里部分氣田生產(chǎn)套管帶壓圖 1 墨西哥灣 OCS 地區(qū)不同套管層次帶壓圖 3 水泥環(huán)完整性破壞因素52套管 - 水泥環(huán)- 地層一體化技術(shù)套管 - 水泥環(huán) - 地層彈性組合模型包括固井液體、 井筒管柱、地層。
 
該模型可進(jìn)行套管與水泥環(huán)界面膠結(jié)失效的理論分析，還可以分析不同因素對環(huán)空帶壓的建立時間與穩(wěn)定值的影響。環(huán)空帶壓一體化技術(shù)模型見圖 4。一體化技術(shù)方案（圖 5）包括勘探開發(fā)、鉆井工程及水泥環(huán)的完整性。水泥漿凝固后，套管、水泥環(huán)和地層可視為一個復(fù)合圓柱體。由于套管、水泥環(huán)和地層的物性參數(shù)差異較大，當(dāng)套管內(nèi)壓、地層壓力作用和復(fù)合圓柱體溫度變化時，套管與水泥環(huán)之間的膠結(jié)面及水泥環(huán)和地層之間的膠結(jié)面會產(chǎn)生接觸壓力或拉應(yīng)力?？紤]兩界面完全膠結(jié)，根據(jù)界面處的位移連續(xù)條件計算水泥環(huán)界面接觸壓力，最終計算出水泥環(huán)徑向和切向的應(yīng)力場。
 
水泥環(huán)力學(xué)模型基本假設(shè)：套管無幾何缺陷，水泥環(huán)結(jié)構(gòu)完整，水泥環(huán)第一、第二膠結(jié)面膠結(jié)良好，三者均視為厚壁圓柱體；套管、水泥環(huán)、地層巖石都為均質(zhì)各向同性材料，且水泥環(huán)無殘余內(nèi)應(yīng)力；將復(fù)合圓柱體受力簡化。 以上假設(shè)便于理論分析計算，確定影響氣體漏失的主要影響因素。同時理論與現(xiàn)場施工結(jié)合，才能更好地解決環(huán)空帶壓問題。固井的界面問題（圖 6）是固井質(zhì)量的關(guān)鍵， 對鉆井液改性，加入潛在活性成分，使泥餅在激活劑作用下實現(xiàn)固化膠結(jié)。
 
加入激活劑及潛在活性成分，對固化工作液體系改性，使水化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水溶性離子的種類和數(shù)量滿足泥餅固化作用。在壓差作用下激發(fā)水化反應(yīng)的可溶性離子，擴(kuò)散滲透進(jìn)入泥餅，激活其中活性成分，使泥餅固化。采取技術(shù)應(yīng)用 Technology & Equipment·Technology Application 技術(shù)·裝備圖 4 環(huán)空帶壓一體化技術(shù)模型圖 6 固井二界面問題的危害圖 5 一體化技術(shù)方案53技術(shù)應(yīng)用 Technology & Equipment·Technology Application 技術(shù)·裝備界面整體固化膠結(jié)技術(shù)，使工作液與泥餅形成有效膠結(jié)，無明顯界面。
 
膠結(jié)區(qū)域形成大量的凝膠，泥餅基本被固化，膠結(jié)區(qū)域致密性好。環(huán)空壓力允許值及測量井 口 允 許 最 大 帶 壓 值（MAWOP）計算。井口允許最大帶壓值（MAWOP）是針對某一特定環(huán)空的最大允許工作壓力值，反映環(huán)空能夠承受的壓力級別。Pscp =min{0.5P bcur，0.8Pcout，0.75Pcin }式中：P scp 為井口允許最大帶壓值，MPa；P bcur 為待評價環(huán)空套管考慮腐蝕、磨損后的抗內(nèi)壓強度，MPa；P cout 為上一層（外面）套管考慮腐蝕、磨損后的抗擠強度，MPa；P cin 為下一層（里面）套管考慮腐蝕、磨損后的抗擠強度。
 
對于高壓氣井生產(chǎn)套管，一般取其抗內(nèi)壓強度的 50%；對于高壓氣井的技術(shù)套管，取其套管抗內(nèi)壓強度的 80%。環(huán)空帶壓的監(jiān)測和診斷包括泄壓測試、壓力恢復(fù)測試、環(huán)空帶壓監(jiān)測、環(huán)空帶壓診斷。盡管某些高壓高產(chǎn)氣井有環(huán)空帶壓現(xiàn)象，但當(dāng)帶壓值在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，可以正常開采，這種情況必須加強環(huán)空帶壓的日常監(jiān)測和診斷，以便找到環(huán)空帶壓的真正原因并制定相應(yīng)的解決措施。
 
降低溫度效應(yīng)引起環(huán)空帶壓的措施：固井水泥頂液面低于上層套管鞋環(huán)空，并且完全充滿水泥；設(shè)計排泄口；提高套管強度；環(huán)空內(nèi)添加可破裂泡沫球，注入可壓縮液體密封環(huán)空。預(yù)防流體竄流引起環(huán)空帶壓的措施：提高固井時的頂替效率；保證固井前、固井中和候凝過程中水泥漿失重時的壓穩(wěn)；設(shè)計滿足封固要求的水泥漿體系；水泥石力學(xué)性能可承受井下溫度、壓力的變化。油氣井環(huán)空帶壓造成油井套管變形損壞的因素十分復(fù)雜。由于地應(yīng)力及地下巖層各種物理化學(xué)作用的綜合效應(yīng)，最終導(dǎo)致油井套管的變形和損壞。
 
所以只有在深入分析各種影響套管變形因素的基礎(chǔ)上，綜合考慮各種因素的效應(yīng)，才能有效地防止套管損壞，延長套管壽命。表層、技套固井保證反擠水泥漿與正注水泥漿的對接質(zhì)量，防止淺層氣溢出；提高固井頂替效率、切實做到“三壓穩(wěn)”，固井前壓穩(wěn)、固井過程中壓穩(wěn)和候凝過程中壓穩(wěn)；在表層、技套固井中領(lǐng)漿采用微膨脹彈韌性水泥漿、自愈合水泥漿體系解決環(huán)空帶壓問題。