文96儲氣庫注采井井筒完整性研究*

王 鵬，腰世哲

（中國石化天然氣榆濟管道分公司，山東 濟南250014）

天然氣地下儲氣庫是大型輸氣管網季節調峰與事故應急的重要保障，不同于常規氣藏開發，儲氣庫注采井單井產能高、注采轉換頻繁，注采運行中溫度、壓力變化較大，對井壁圍巖、水泥環、套管組成的密封系統完整性要求極高。

1 注采井井筒載荷分析

注采井固井水泥漿在井筒各層環形空間凝固后，井壁圍巖、水泥環和套管膠結成以水泥石（固化后的水泥）為填充物的密封組合體。將井壁圍巖、水泥環、套管看作一個整體［1］，其組合體示意如圖1所示。

圖1 注采井井筒組合體示意

井筒內的水泥環應力分解示意如圖2所示。從圖2可以看出，水泥環受力由初始應力、井筒內壓力、地層應力及熱應力疊合而成。井壁圍巖、水泥環和套管均為各向同性的線彈性材料。將該組合體看作彈性組合體，基于彈塑性理論，可將三維受力轉化為多層厚壁圓筒問題來求解［2］，計算得到圍巖、水泥環及套管的應力、位移等巖石力學基本參數。水泥環的破壞形式主要包括拉伸失效和剪切失效［3］。井壁圍巖、水泥環和套管統一應用莫爾-庫倫強度理論作為失效判別準則［4-5］，采用最大拉應力理論評價水泥環抗拉強度。室內試驗得到水泥環抗拉強度、抗壓強度、彈性模量及泊松比等基礎數據，采用模型計算得出水泥環的切向應力、等效應力；當切向應力大于抗拉強度時，水泥環出現漲裂失效，當等效應力大于抗壓強度時，水泥環遭受塑性損傷。

圖2 水泥環應力分解示意

2 井筒完整性影響因素

2.1 試驗裝置建立

為定量描述井下水泥環的密封完整性，基于應力等效轉換理論，綜合地層壓力、井下溫度、井筒尺寸及內壓力等影響因素，設計出一套注采井井筒水泥環完整性評價試驗裝置。利用建立的水泥環應力計算模型，計算得到注采井井筒全尺寸等效應力和試驗裝置模擬井筒等效應力，使井筒水泥環等效應力與模擬水泥環等效應力相等［6-9］，從而將現場井筒工況轉化為設備上的模擬井筒工況。基于等時原理開展周期注采模擬試驗，維持模擬井筒地層壓力，改變套管內壓，模擬注采工況下水泥環受力，用試驗裝置來模擬實際井筒工況，從而完成水泥環完整性評價。

2.2 周期注采對水泥環完整性影響

利用所設計的試驗裝置開展水泥環周期性應力加載、卸載試驗，模擬文96儲氣庫在正常設計壓力差下的循環注采氣運行。試驗過程中向水泥環通氮氣驗證其密封性能，30個周期后未出現氣竄現象，水泥環本體及外觀無裂紋及裂縫，水泥環與套管之間膠結狀態良好。

試驗結果表明：在當前注采運行實際工況下，文96儲氣庫注采井以合理的生產壓力差注采30個周期，水泥環完整性未被破壞，能夠保障氣庫注采安全。

為進一步探索水泥環內部的孔隙微觀結構及微裂縫分布狀況，選取完整性模擬試驗前后的水泥環試樣進行內部微CT掃描，研究其內在精細結構變化。試驗前后水泥環微CT掃描對比圖見圖3。

圖3 試驗前后水泥環微CT掃描對比

從圖3可以看出：水泥環中未發現微裂縫或微裂紋，說明水泥環完整性未受到破壞，水泥環強度可滿足現場注采工況的需要；在較低的注采生產壓力差下，水泥環能經受至少30個注采周期，可以實現井筒有效密封，保障氣庫注采安全。

2.3 生產壓力差對水泥環完整性影響

為了研究提高注采生產壓力差后水泥環的承壓能力，開展水泥環在各類生產壓力差下的等效試驗。選取生產壓力差 5.0 MPa，15.0 MPa及25.0 MPa為試驗條件，試驗循環到水泥環破壞為止，試驗結果見表1。

表1 不同生產壓力差下等效試驗結果

由表1可知：保持地層壓力穩定，隨著生產壓力差增大，水泥環可以達到的循環周期逐漸減少，即水泥環越容易受到應力破壞。

仔細檢查試驗破壞后的水泥環，發現其產生了不可復原的變形，表面出現徑向裂紋，是水泥環遭到破壞的直觀表現，也是產生密封系統氣竄的根本原因。破壞后的水泥環外觀狀態如圖4所示。

2.4 水泥環承壓能力試驗

維持水泥環所受地層壓力穩定，穩步增大井筒套管內壓力，進行水泥環抗壓強度測試，探索注采井水泥環可以經受的最大生產壓力差，試驗結果見表2。

圖4 破壞后的水泥環外觀狀態

表2 承壓能力試驗結果

從表2可以看出：保持地層壓力不變，逐漸升高套管內壓，當套管內壓上升至45.0 MPa時，生產壓力差為32.0 MPa，水泥環損壞失效。水泥環僅承受內壓載荷時，承壓能力較強，若內壓、地層壓力周期性變化，伴隨循環周期的增加，水泥環破壞的風險逐步增高。

3 提高井筒完整性的技術措施

3.1 改性材料優選

目前，提高一、二界面膠結強度的方法有很多，如控制鉆井操作，提高鉆井液、前置液及固井液性能，提高注采井井身質量，采用多功能鉆井液、彈性水泥漿體系及膨脹水泥等。

考慮到文96儲氣庫注采井實際情況，可采用膨脹水泥來提高界面膠結強度，保障后期注采井井筒密封完整性。選擇合適的水泥漿微膨脹劑，進行微膨脹水泥的性能評價。中原地區現場施工情況及試驗表明，膨脹劑（PZJ）能較好地增強水泥石微膨脹特性，故選擇該膨脹劑進行試驗，測定套管與水泥石的膠結強度［10］，來評價膨脹劑性能和優化膨脹劑加量。

參照GB／T 23439—2017《混凝土膨脹劑》中相關測定方法，采用1 cm×1 cm×8 cm三聯試模，測定水泥石線性膨脹率，測試結果見表3。

表3 水泥石膨脹率與膠結強度試驗結果

試驗結果表明：不加PZJ時，文96儲氣庫固井水泥在養護后有微量收縮；在加入PZJ后均表現出不同程度的微膨脹現象，且隨著PZJ加量的增加，水泥石線性膨脹率逐步增大。加入適量PZJ對提高水泥石的膠結強度有利，但當加入過多時，會因膨脹造成過大的內應力，從而使水泥石的晶格破壞，膠結強度降低。從表3可以看出，加入質量分數1.5%的PZJ后，水泥石的膠結強度最高。

3.2 最優配方性能及水泥環完整性評價

結合前期研究成果，在優化的水泥漿配方中加入1.5%微膨脹劑PZJ，開展微膨脹配方綜合性能評價。

優化的水泥漿配方：（G級水泥+45%粉煤灰+40%微硅粉 +1.5%PZJ）固+（18%降失水劑+0.48%緩凝劑+水+0.1%消泡劑）外（固體百分比為外加料占水泥的質量分數，外加劑百分比為藥劑占水的質量分數）。優化的水泥漿性能參數見表4。最優配方水泥漿常溫流變性測試結果見表5。

表4 優化的水泥漿性能參數

表5 最優配方水泥漿常溫流變性

試驗結果顯示，所研究出的水泥漿各項性能均符合地下儲氣庫注采井尾管固井施工要求。

為了探討改性后的水泥環周期注采承壓能力，在生產壓力差為25.0 MPa時，進行優選配方水泥環試樣注采循環與破壞試驗。試驗結果顯示：所選配方的水泥環力學性能改善明顯，塑性顯著提高，在地下儲氣庫的注采運行中能夠保持組合體完整性，可為儲氣庫安全生產提供可靠保障。

4 結論與建議

（1）在詳細開展井壁圍巖、水泥環、套管組合體力學分析的基礎上，建立了地下儲氣庫注采井水泥環密封完整性評價模型。

（2）通過注采載荷等效設計和時間等效設計，建立了井筒完整性等效物理試驗裝置。

（3）文96儲氣庫注采井井筒密封完整性評價試驗結果顯示：現有水泥漿體系可保證正常注采條件下的有效封固，但在氣庫的實際應急、調峰運行過程中，水泥環仍有破壞的可能。提高生產壓力差進行周期循環試驗證實，隨著循環壓力差增大，水泥環受到損壞的風險逐步升高。

（4）在后期的天然氣地下儲氣庫固井施工中，可摻入少量膨脹劑來優化固井水泥漿體系配方，盡可能提高水泥環的綜合力學性能，保障氣庫注采井井筒水泥環的完整性。