水泥环最重要的作用之一就是在井筒的不同位置之间提供层间封隔。在20世纪70年代，石油勘探开发行业遇到了一个令人费解的难题，即人们常说的气窜现象，也有人称之为固井后环空窜流。简而言之，固井后窜流就是在固井作业后最初数小时内出现的油气
井失控现象。 

　　固井水泥浆的密度要大于钻井泥浆的密度。然而，这些井虽然已经被钻井泥浆成功控制，但在固井作业后仍会出现窜流，这一点实在让人费解。 

　　作业公司和服务公司用了近20年时间进行水泥研究和油田现场实验，试图解开这一谜团。我们通过各种实验室试验对水泥浆设计和性能的诸多方面进行了研究，包括流体失水量、自由流体、渗透率、静态胶凝强度及收缩率等。现场测试记录了水泥水化过程中
井内的压力损失情况。 

　　在套管扶正器、套管移动、流体特性（密度和流变体系）及利用计算机模拟取代单凭经验方法对具体井进行固井作业设计等方面都有了很大提高，从而使泥浆清除方法得到改善。因此，当前石油勘探开发行业完全有能力应对这一难题，通过高效水泥浆设计和泥浆清除技术实现短期层间封隔。 

　　当前石油勘探开发行业又面临另外一个挑战，即如何确保在油气井开采寿命期内甚至在弃井后继续保持层间封隔的有效性。显然，能保证短期层间封隔所采用的材料和技术并不一定足以保证实现长期层间封隔。持续套压（SCP）是泄压后在套管和油管之间或套管串之间再次形成的压力。SCP及环空窜流现象在世界上很多油田中都有记录，而水泥环损坏则是这些长期问题的可能起因之一。 

　　早在1989年，曾报道过一个油田案例，即水泥基质内的大量裂缝和裂隙导致层间封隔失败。问题由地热井内水泥环反复热循环所致。在20世纪90年代后半期，有关初始水泥充填和水化作用之后所产生应力导致水泥环破坏的一些论文首次发表。这种应力主要是由于油气井生产期内温度和压力的变化所致。此类变化的例子包括油气开采导致的温度上升、循环气驱采油导致的温度变化、套管压力测试所致的压力变化以及井液从较重的钻井液转换为较轻的完井液过程中所导致的压力变化等等。温度和压力的改变会在水泥环内形成微环隙或产生应力裂缝，从而导致层间封隔失败。这些微环隙或裂缝的尺寸很小，采用常规方法很难识别和进行修复。因此，早期识别和预防尤为重要。 

　　关于长期层间封隔，目前业界与20世纪70年代后期所面临的短期固井后窜流难题的处境很类似。已找出了问题，并且在预测和预防这一问题方面已经迈出了第一步（请参见“确保实现长期层间封隔”，第18页）。但还有更多的工作有待完成。 

　　需要对确定参数（如杨氏模量和泊松比）的测试方法进行改进和规范化，以便使其可靠地应用于预测软件中。最经常测量的水泥力学特性是无侧限单轴抗压强度，它来源于建筑行业的一项测试结果，是以建筑学常见的几何结构为基础的。测量结果不能直接用于评价水泥环在井下条件中的动态。必须逐步改变抗压强度越高越好的这种惯性思维。 

　　软件模型本身（如水泥浆充填模拟软件的早期版本）在预测能力及改善模拟应力等方面仍有发展空间。例如，压实作用以及由开采引起的其他地层变化会对层间封隔产生何种影响？ 

　　为满足市场需求，新技术和新材料必将应运而生。未来充满期待！ 

　　Craig Gardner
　　固井小组组长兼固井顾问
　　雪佛龙公司
　　美国得克萨斯州休斯敦 

　　Craig Gardner是雪佛龙公司在休斯敦的固井小组组长兼固井顾问。他在休斯敦大学获得化学学士学位后，在一家大型钻井液公司工作，之后于1980年加入海湾石油公司，担任钻井监督。他参与了雪佛龙公司在世界各地的多项固井作业，涉及技术服务、技术开发和培训等领域。Craig是SPE、API和ISO的会员，还曾担任API固井委员会主任。