水泥環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70年代，石油勘探開發行業遇到了一個令人費解的難題，即人們常說的氣竄現象，也有人稱之為固井后環空竄流。簡而言之，固井后竄流就是在固井作業后最初數小時內出現的油氣
井失控現象。 

　　固井水泥漿的密度要大于鉆井泥漿的密度。然而，這些井雖然已經被鉆井泥漿成功控制，但在固井作業后仍會出現竄流，這一點實在讓人費解。 

　　作業公司和服務公司用了近20年時間進行水泥研究和油田現場實驗，試圖解開這一謎團。我們通過各種實驗室試驗對水泥漿設計和性能的諸多方面進行了研究，包括流體失水量、自由流體、滲透率、靜態膠凝強度及收縮率等。現場測試記錄了水泥水化過程中
井內的壓力損失情況。 

　　在套管扶正器、套管移動、流體特性（密度和流變體系）及利用計算機模擬取代單憑經驗方法對具體井進行固井作業設計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，當前石油勘探開發行業完全有能力應對這一難題，通過高效水泥漿設計和泥漿清除技術實現短期層間封隔。 

　　當前石油勘探開發行業又面臨另外一個挑戰，即如何確保在油氣井開采壽命期內甚至在棄井后繼續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并不一定足以保證實現長期層間封隔。持續套壓（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及環空竄流現象在世界上很多油田中都有記錄，而水泥環損壞則是這些長期問題的可能起因之一。 

　　早在1989年，曾報道過一個油田案例，即水泥基質內的大量裂縫和裂隙導致層間封隔失敗。問題由地熱井內水泥環反復熱循環所致。在20世紀90年代后半期，有關初始水泥充填和水化作用之后所產生應力導致水泥環破壞的一些論文首次發表。這種應力主要是由于油氣井生產期內溫度和壓力的變化所致。此類變化的例子包括油氣開采導致的溫度上升、循環氣驅采油導致的溫度變化、套管壓力測試所致的壓力變化以及井液從較重的鉆井液轉換為較輕的完井液過程中所導致的壓力變化等等。溫度和壓力的改變會在水泥環內形成微環隙或產生應力裂縫，從而導致層間封隔失敗。這些微環隙或裂縫的尺寸很小，采用常規方法很難識別和進行修復。因此，早期識別和預防尤為重要。 

　　關于長期層間封隔，目前業界與20世紀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，并且在預測和預防這一問題方面已經邁出了第一步（請參見“確保實現長期層間封隔”，第18頁）。但還有更多的工作有待完成。 

　　需要對確定參數（如楊氏模量和泊松比）的測試方法進行改進和規范化，以便使其可靠地應用于預測軟件中。最經常測量的水泥力學特性是無側限單軸抗壓強度，它來源于建筑行業的一項測試結果，是以建筑學常見的幾何結構為基礎的。測量結果不能直接用于評價水泥環在井下條件中的動態。必須逐步改變抗壓強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）在預測能力及改善模擬應力等方面仍有發展空間。例如，壓實作用以及由開采引起的其他地層變化會對層間封隔產生何種影響？ 

　　為滿足市場需求，新技術和新材料必將應運而生。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。他在休斯敦大學獲得化學學士學位后，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，擔任鉆井監督。他參與了雪佛龍公司在世界各地的多項固井作業，涉及技術服務、技術開發和培訓等領域。Craig是SPE、API和ISO的會員，還曾擔任API固井委員會主任。