水泥環(huán)最重要的作用之一就是在井筒的不同位置之間提供層間封隔。在20世紀(jì)70年代，石油勘探開發(fā)行業(yè)遇到了一個(gè)令人費(fèi)解的難題，即人們常說的氣竄現(xiàn)象，也有人稱之為固井后環(huán)空竄流。簡(jiǎn)而言之，固井后竄流就是在固井作業(yè)后最初數(shù)小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)的油氣
井失控現(xiàn)象。 

　　固井水泥漿的密度要大于鉆井泥漿的密度。然而，這些井雖然已經(jīng)被鉆井泥漿成功控制，但在固井作業(yè)后仍會(huì)出現(xiàn)竄流，這一點(diǎn)實(shí)在讓人費(fèi)解。 

　　作業(yè)公司和服務(wù)公司用了近20年時(shí)間進(jìn)行水泥研究和油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，試圖解開這一謎團(tuán)。我們通過各種實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)對(duì)水泥漿設(shè)計(jì)和性能的諸多方面進(jìn)行了研究，包括流體失水量、自由流體、滲透率、靜態(tài)膠凝強(qiáng)度及收縮率等。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試記錄了水泥水化過程中
井內(nèi)的壓力損失情況。 

　　在套管扶正器、套管移動(dòng)、流體特性（密度和流變體系）及利用計(jì)算機(jī)模擬取代單憑經(jīng)驗(yàn)方法對(duì)具體井進(jìn)行固井作業(yè)設(shè)計(jì)等方面都有了很大提高，從而使泥漿清除方法得到改善。因此，當(dāng)前石油勘探開發(fā)行業(yè)完全有能力應(yīng)對(duì)這一難題，通過高效水泥漿設(shè)計(jì)和泥漿清除技術(shù)實(shí)現(xiàn)短期層間封隔。 

　　當(dāng)前石油勘探開發(fā)行業(yè)又面臨另外一個(gè)挑戰(zhàn)，即如何確保在油氣井開采壽命期內(nèi)甚至在棄井后繼續(xù)保持層間封隔的有效性。顯然，能保證短期層間封隔所采用的材料和技術(shù)并不一定足以保證實(shí)現(xiàn)長期層間封隔。持續(xù)套壓（SCP）是泄壓后在套管和油管之間或套管串之間再次形成的壓力。SCP及環(huán)空竄流現(xiàn)象在世界上很多油田中都有記錄，而水泥環(huán)損壞則是這些長期問題的可能起因之一。 

　　早在1989年，曾報(bào)道過一個(gè)油田案例，即水泥基質(zhì)內(nèi)的大量裂縫和裂隙導(dǎo)致層間封隔失敗。問題由地?zé)峋畠?nèi)水泥環(huán)反復(fù)熱循環(huán)所致。在20世紀(jì)90年代后半期，有關(guān)初始水泥充填和水化作用之后所產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致水泥環(huán)破壞的一些論文首次發(fā)表。這種應(yīng)力主要是由于油氣井生產(chǎn)期內(nèi)溫度和壓力的變化所致。此類變化的例子包括油氣開采導(dǎo)致的溫度上升、循環(huán)氣驅(qū)采油導(dǎo)致的溫度變化、套管壓力測(cè)試所致的壓力變化以及井液從較重的鉆井液轉(zhuǎn)換為較輕的完井液過程中所導(dǎo)致的壓力變化等等。溫度和壓力的改變會(huì)在水泥環(huán)內(nèi)形成微環(huán)隙或產(chǎn)生應(yīng)力裂縫，從而導(dǎo)致層間封隔失敗。這些微環(huán)隙或裂縫的尺寸很小，采用常規(guī)方法很難識(shí)別和進(jìn)行修復(fù)。因此，早期識(shí)別和預(yù)防尤為重要。 

　　關(guān)于長期層間封隔，目前業(yè)界與20世紀(jì)70年代后期所面臨的短期固井后竄流難題的處境很類似。已找出了問題，并且在預(yù)測(cè)和預(yù)防這一問題方面已經(jīng)邁出了第一步（請(qǐng)參見“確保實(shí)現(xiàn)長期層間封隔”，第18頁）。但還有更多的工作有待完成。 

　　需要對(duì)確定參數(shù)（如楊氏模量和泊松比）的測(cè)試方法進(jìn)行改進(jìn)和規(guī)范化，以便使其可靠地應(yīng)用于預(yù)測(cè)軟件中。最經(jīng)常測(cè)量的水泥力學(xué)特性是無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度，它來源于建筑行業(yè)的一項(xiàng)測(cè)試結(jié)果，是以建筑學(xué)常見的幾何結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。測(cè)量結(jié)果不能直接用于評(píng)價(jià)水泥環(huán)在井下條件中的動(dòng)態(tài)。必須逐步改變抗壓強(qiáng)度越高越好的這種慣性思維。 

　　軟件模型本身（如水泥漿充填模擬軟件的早期版本）在預(yù)測(cè)能力及改善模擬應(yīng)力等方面仍有發(fā)展空間。例如，壓實(shí)作用以及由開采引起的其他地層變化會(huì)對(duì)層間封隔產(chǎn)生何種影響？ 

　　為滿足市場(chǎng)需求，新技術(shù)和新材料必將應(yīng)運(yùn)而生。未來充滿期待！ 

　　Craig Gardner
　　固井小組組長兼固井顧問
　　雪佛龍公司
　　美國得克薩斯州休斯敦 

　　Craig Gardner是雪佛龍公司在休斯敦的固井小組組長兼固井顧問。他在休斯敦大學(xué)獲得化學(xué)學(xué)士學(xué)位后，在一家大型鉆井液公司工作，之后于1980年加入海灣石油公司，擔(dān)任鉆井監(jiān)督。他參與了雪佛龍公司在世界各地的多項(xiàng)固井作業(yè)，涉及技術(shù)服務(wù)、技術(shù)開發(fā)和培訓(xùn)等領(lǐng)域。Craig是SPE、API和ISO的會(huì)員，還曾擔(dān)任API固井委員會(huì)主任。