固井水泥浆不同凝固状态时的气体窜流实验

针对气体窜流问题,设计和开展了水泥浆不同凝固状态的气体窜流实验,观察了气体窜流现象,测量了气体窜流压力,分析了气体窜流形态及窜流路径,研究了气体窜流规律。研究表明,当水泥浆凝固时间较短(120 min和180 min)时,气体窜流压力较小(低于0.05 MPa),气体主要从水泥浆内部缓慢窜出,窜流通道尺寸总体较小但由下而上逐渐变大;当凝固时间增至200 min和220 min后,气体窜流压力增大至0.15 MPa和0.20 MPa,气体主要从内部突然大量猛烈窜出,窜流通道呈"糖葫芦"形和"裂缝"形且尺寸较大;凝固时间增至240 min后,窜流压力进一步增大至0.22 MPa,此时气体不能从水泥浆内部窜流,只能从水泥浆和井壁之间的胶结界面处窜出。建议针对水泥浆的不同凝固状态采用不同的策略来进行防窜设计。

高压气井环空压力预测与控制措施

气窜引起的高压气井套管环空压力严重影响气井的安全生产。基于对含微裂隙水泥环结构特征和高压气体渗流过程的分析,用水泥环综合渗透率和一维不稳定渗流来描述高压气体的窜流过程,根据质量守恒定律和体积相容性原则,建立了气体侵入状态下含液密闭环空压力计算模型,并用该模型研究了各个因素对环空压力的影响。环空压力的上升过程分为快速上升期和平稳上升期,环空压力的影响因素有环空液体的气体溶解度和可压缩性、水泥返高、水泥环综合渗透率以及环空体积。环空压力的上升速度随环空液体可压缩性的提高而降低;环空压力的极限值和上升速度随着水泥返高的增加而增大;水泥环综合渗透率越大,环空压力上升速度越快;环空体积的增加能够有效延长压力上升时间。从工程角度,高压气井应合理配置环空液体的可压缩性,全井段固井的高压气井应采用自修复水泥以提高固井质量,如有必要应采取相应的措施来降低水泥环的综合渗透率,同时适当增加环空体积。