南海某平台气井在生产过程中，普遍出现严重的环空带压现象，尤其是A、B环空带压值较高[1]。目前，环空带压问题虽相对可控、暂未影响生产，但若井屏障继续失效则将影响气井正常生产和平台安全。因此，亟需明确环空带压原因，针对性地提出环空带压井后续生产管理或治理措施建议。
针对气井环空带压问题，国内外学者开展了大量研究。2011年，Johns等[2]开发了一种油套管泄漏位置检测的超声波测井工具。2014—2015年，王云等[3-4]忽略管柱变形及环空液体的压缩性，采用积分法建立了油管漏点流速及尺寸预测模型，并利用现场实测数据验证了模型的准确性。2017年，刘迪等[5]基于油管泄漏模拟实验提出了声波检测油管漏点技术。2019年，王晨宇等[6]采用多源信息融合的方法开发了油套管泄漏检测系统，并成功应用于东海某平台的气井漏点监测。2022年，阎卫军等[7]将气体在水泥环内渗流过程视为一维不稳定渗流，考虑环空窜流因素建立了套管持续环空压力预测模型，分析了不同因素对环空压力恢复速度及稳定值的影响。Kazemi等[8]改进了井筒完整性测试方法，将环空压力泄放/恢复测试程序作为环空压力评价的有用信息来源，研究结果表明，在使用理论预测模型评价持续环空压力时应优先使用环空压力泄放阶段数据。2023年，李鑫羽等[9]提出了套管锻铣后重新封堵的方法，实现了柯20井环空渗漏的修复。杨小秋[10]对WellLock树脂封堵技术及3M体系封堵技术的工艺特点进行了分析，明确了两种技术的适用环境。
目前，研究主要集中于环空压力诊断或治理某一方面，缺乏一套系统的环空压力诊断方法及基于诊断结果的堵漏剂优选方法。为此，本研究首先基于泄压−恢复曲线进行环空带压类型判断和漏点位置分析；并基于多因素耦合环空带压诊断模型，开展水泥环渗透率、泄漏速度等关键参数定量诊断分析，明确井屏障损坏程度；最后结合环空带压诊断结果，优选得到化学封堵体系。通过建立持续环空压力井诊断与治理流程，丰富气井井筒完整性与环空带压管控技术体系，为海上气井安全生产提供保障。
气井环空压力通常可分为密闭环空带压与持续环空带压两种类型[11]。为明确该平台气井环空带压类型，以典型带压气井X为例，首先通过气井泄压−恢复曲线对气井环空带压进行分类[12]。
X井斜深3 700.00 m，垂深3 184.41 m，井底和井口温度分别为130 ℃和98 ℃，地层压力为38.84 MPa。其中，A、B环空最高带压值分别达到12.00 MPa和11.38 MPa，C环空不带压，日产气量为20×104~30×104 m3。该井泄压−恢复曲线如图1所示。从图1可看出，在泄压−恢复过程中，仅造成泄压环空产生压力波动，而另一环空压力和井口油压基本保持不变，说明两环空之间不存在连通。A环空由8.00 MPa泄压至5.52 MPa，24 h后压力恢复至6.00 MPa，恢复值较低，推测A环空为热致密闭环空带压。而B环空泄压后从5.52 MPa快速恢复至8.97 MPa，接近原值，推测B环空为持续环空带压，井屏障发生一定程度的破坏。
经统计，X井共经历3次环空压力泄压−恢复过程，每次泄放后记录环空压力恢复24 h后的数据，如表1所列。从表1可以看出：经过多次泄压后，A环空压力恢复速度较慢、恢复值较低，判断A环空为密闭环空带压；B环空压力多次泄放后均恢复接近原值，判断B环空为持续环空带压。
持续环空带压通常是由固井质量差、油套管柱渗漏或后期作业对水泥环密封性的破坏造成井筒屏障泄漏而产生的[13]。因此，需对泄漏原因进行分析，为漏点定位识别与诊断奠定基础。通过泄压−恢复曲线，明确了A、B环空不存在连通性，因此，首先排除生产套管和技术套管井口密封元件渗漏。在B环空压力泄压−恢复过程中，A、C环空压力均未发生变化，因此，排除生产套管间和内层技术套管间的相互渗透。由排除法推测该井泄漏通道为流体从水泥环渗漏进入B环空。
为进一步确定气体泄漏原因，对X井生产气体和B环空泄漏气体的组分进行对比，如表2所列。从表2可看出，B环空气体中烷烃与N2的含量和生产气体基本相同，仅CO2的含量差异较大。生产气体中，CO2摩尔分数为2.615%，而在B环空气体中含量为0。这是由于CO2在B环空通道中运移时，水泥对CO2具有较强的吸附性能，导致CO2全部吸附在水泥孔隙表面，因此检测到B环空中CO2含量为0。同时，该井产层位置在3 571 m以下，计算得到井底压力为39.58 MPa，与地层压力基本相同。结合气体组成分析中烷烃和N2对比结果，推测气体来源于储层，沿B环空水泥环窜漏至井口。
通过X井环空泄压−恢复曲线和气体组分分析，初步判断X井为由水泥环窜漏导致的B环空持续带压。因此，需进一步分析水泥环泄漏关键参数，从而进行井屏障完整性评估，判断风险等级。
针对套管间持续环空带压问题，通常采用理论模型对漏点参数进行分析。经调研发现，基于渗流力学、流体力学及热力学理论所建立的多因素耦合的持续环空压力预测模型充分考虑了温度及压力对环空液体热力学参数非线性特征的影响，气体在水泥环中的泄漏、环空液体中的迁移、井口的积聚，以及环空压力对环空液体的压缩影响，能够较准确地描述环空压力恢复过程。因此，优选该持续环空压力评价模型开展水泥环渗透率、泄漏速度等关键参数定量表征[14-15]。首先对模型进行预测精度分析，水泥环综合渗透率反演结果表明水泥环渗透率为33×10−3 μm2，而基质水泥环渗透率较低（甚至达到1×10−6 μm2），说明B环空存在明显的窜流通道。基于得到的水泥环渗透率对24 h环空压力恢复值进行预测，结果如图2所示。从图2可看出，预测值与实测值具有相同的变化趋势，且3次模拟误差均小于9.00%。因此，该模型预测结果具有参考价值。
采用诊断模型对不同地层压力条件下的泄漏流量进行计算，结果如图3所示。从图3可知：地层压力为38.84 MPa时，预测环空压力最大泄漏流量为0.32 m3/d，随着时间推移，气体逐渐在环空顶部聚集，泄漏流量逐渐下降，最终达到平衡，环空压力逐渐从5.52 MPa恢复至8.00 MPa，未超过该井最大推荐环空压力（22.14 MPa），风险较小。随着地层压力增加，泄漏流量增大，达到平衡时间延长。地层压力为36.84 MPa时，最大泄漏流量降低，环空压力恢复至约为6.10 MPa，井屏障完整性风险明显下降。通过上述分析，假设其他井屏障不存在失效，由于生产过程中的地层压力下降，环空带压风险可逐渐缓解。然而，若其他井屏障也存在漏点，则需要进一步计算不同泄漏孔径下的气体泄漏速度，进行风险评估，如表3所列。假设井口装置存在0.6 mm的泄漏孔径，计算得到泄漏流量达0.46×10−3 kg/s。随泄漏孔径增加，泄漏流量逐渐上升。按表4井筒完整性分类方法，当泄漏孔径达到10.0 mm，泄漏速度达到127×10−3 kg/s，井筒完整性风险等级达到中等风险。
基于前期诊断结果，X气井为B环空持续带压，水泥环存在泄漏通道。一旦其他井屏障发生破坏，则存在较大安全风险。因此，需选择合适的治理措施进行封堵，主要包括物理封堵和化学封堵两种方式。与物理封堵相比，注入化学封堵体系具有工艺简单、风险小、成本低等优点[16-20]。考虑到树脂类化学封堵体系具有克服了传统超细水泥堵剂粒径大、难注入问题的优势，优选不同类型的树脂类化学封堵体系进行性能评价。
利用旋转黏度计测量封堵体系黏度随时间的变化规律，采用倾倒方法观察体系流动性，记录停止流动的时间为固化时间。结合X气井工况，采用从井口正挤封堵体系的方式进行B环空带压治理。该井井口温度为98 ℃，故本实验选择在温度为98 ℃的条件下进行测试。
封堵体系剂固化后，将其制作成直径为2.5 cm的圆柱体，利用压力试验机测量抗压强度。
将封堵体系与水泥或模拟套管进行固化，测量封堵体系圆柱体胶结高度，计算圆柱体表面积。采用压力机进行强度测试，记录化学封堵体系与水泥或套管脱离瞬间的压力，用式（1）计算抗压强度。
式中：P为抗压强度，MPa；Fmax为体系与水泥或套管脱离瞬间的压力，kN；S为胶结面积，m2。
采用封堵测试装置进行化学封堵体系的封堵能力评价。为模拟B环空水泥环实际情况，首先进行微裂缝物理模型制作。将造缝塑料片放入钢筒中，然后注入配制好的水泥浆，水泥固化后取出塑料片，形成裂缝，从而模拟水泥环中的窜流通道。注入封堵体系，固化24 h后进行加压测试，记录最大封堵压力[21]。
结合X气井实际工况条件，对不同类型树脂封堵体系开展基本性能测试，重点考察体系流变性、固化时间、抗压强度、胶结强度等关键指标。
表5所列为不同化学封堵体系的基本性能测试结果。从表5可看出，4种树脂中，WS系列树脂体系具有较高的抗压强度和胶结能力。优选WS-1树脂进行封堵能力测试。
WS-1树脂封堵体系的流变曲线和固化前后形貌如图4所示。从图4可看出，体系初始黏度为370 mPa·s。当主剂与固化剂混合后，随着时间推移，黏度先基本保持不变，40 min后大幅上升，达到16 900 mPa·s，50 min后体系固化。这是由于加入固化剂后，其中的活性基团与树脂中官能团发生缩聚，形成具有一定刚性和尺寸稳定性的材料。
对树脂圆柱体试样沿纵轴方向施加载荷，使其发生形变直至材料破坏，从而测试试样的抗压强度，测试过程如图5所示。从图5中可看出，随着压力增加，树脂圆柱体逐渐被压缩，高度下降，当压力达到峰值后，固化物的压缩位移为43.64 mm。继续增加压力，固化物发生开裂破坏，抗压强度达到116.70 MPa，弹性模量低，说明该体系具有较好的弹性和抗压能力。
分别测量树脂−水泥胶结模型和树脂−套管胶结模型的胶结强度，对固化后的树脂−水泥和树脂−套管纵向施加压力，使两者发生脱离（见图6），记录此时抗压强度分别达到0.75 MPa和9.08 MPa，说明体系在水泥和套管表面不易滑脱，具有较好的承压能力。
由上述实验可知，WS-1树脂体系初始状态下具有良好的流动能力和较高的抗压强度和胶结强度。然而，体系能否进入水泥环窜流通道、实现有效封堵需进一步评价。采用物理模拟实验装置对优选的WS-1树脂封堵体系进行封堵能力测试，结果如图7所示。挤注体系后将水泥模型取出，由图7可以看出，体系已穿过水泥模型裂缝，在另一端表面溢出，说明封堵体系在裂缝中已充填完毕，具有良好的注入性和渗透性，可进入水泥环深部[见图7（a）]。固化24 h后进行封堵压力测试，WS-1树脂体系的封堵能力达15 MPa/m，达到设备承压极限，说明体系具有良好的封堵能力。将水泥模型取出[见图7（b）]，可以看到体系在水泥微裂缝中发生固化，可有效封堵气窜通道[见图7（b）]。
1） 基于海上X气井泄压−恢复曲线，判断该井环空带压类型为B环空持续带压，对比生产井和B环空气体组分检测结果，明确该井环空带压由水泥环存在窜流通道导致。
2） 结合多因素耦合持续环空带压诊断模型，计算得到水泥环渗透率为33×10−3 μm2，若其他井屏障存在大于10 mm的泄漏孔径，泄漏等级可达到中风险。
3） 优选得到WS-1树脂类化学封堵体系，体系初始黏度为370 mPa·s，抗压强度达到116.70 MPa，树脂−水泥模型和树脂−套管模型的胶结强度分别达到0.75 MPa和9.08 MPa。封堵能力测试结果表明，WS-1树脂体系可进入水泥微裂缝并形成有效封堵，承压能力达15 MPa/m，具有良好的注入和封堵能力。
2025, Vol. 54 Issue (3): 102-107, 152 2025, Vol. 54 Issue (3): 102-107, 152