升平儲(chǔ)氣庫固井韌性水泥漿體系評(píng)價(jià)與應(yīng)用

王廣雷，苑春洋，武愉欣，張 兵，霍維維

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413）

地下儲(chǔ)氣庫是將從天然氣田采出的天然氣重新注入地下，可保存氣體的空間而形成的一種人工氣藏。儲(chǔ)氣庫使用周期長、頻率高，而且儲(chǔ)氣庫井群內(nèi)單井的固井質(zhì)量的好壞直接關(guān)系儲(chǔ)氣庫后期安全運(yùn)行整體效果，環(huán)空密封性對儲(chǔ)氣庫井來說尤為重要；其次儲(chǔ)氣庫井在運(yùn)行時(shí)期間，伴隨著天然氣的吞吐，套管內(nèi)壓力呈周期性變化，在交變應(yīng)力作用造成水泥石損傷，影響了儲(chǔ)氣庫井耐久密封性。因此，有必要對儲(chǔ)氣庫的水泥漿的施工性能及水泥石的力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，才能為儲(chǔ)氣庫的建設(shè)提供技術(shù)支持，提高儲(chǔ)氣庫注采井固井質(zhì)量的同時(shí)，還要保障儲(chǔ)氣庫服役期間安全運(yùn)行。

1 地質(zhì)概況

升平儲(chǔ)氣庫井位于松遼盆地徐家圍子斷陷北部升平—興城構(gòu)造帶，垂深2935m，井深3959.00m，目的層為營三段火山巖，溫度梯度3.95℃～4.25℃/100m，平均為4.09℃/100m。儲(chǔ)層孔隙度介于4.0%～27.5%，平均滲透率1.19mD，屬于低孔、低滲儲(chǔ)層。

2 水泥漿性能評(píng)價(jià)

為了滿足固井質(zhì)量和儲(chǔ)氣庫的吞吐剛需，依據(jù)《油氣藏型儲(chǔ)氣庫固井技術(shù)規(guī)范（試行）》，對韌性水泥漿施工性能及水泥石力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。水泥漿按照GB/T 19139-2012 所述方法制備，儲(chǔ)氣庫尾管固井和回接固井均采用同一類型水泥漿體系，因此以下性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)主要表述的是尾管固井的模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1 沉降穩(wěn)定性

對于固井施工來講，水泥漿密度的控制，是固井施工質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為了保證入井水泥漿密度均一穩(wěn)定，現(xiàn)場配備了混漿撬（16m3容積），現(xiàn)場檢測加壓密度，檢測密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求方可泵送入井下。現(xiàn)場該體系沉降穩(wěn)定性BP實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 沉降穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

從表1 中可以看出,水泥漿體系相對穩(wěn)定，無分層及沉淀現(xiàn)象發(fā)生。在井下環(huán)空不會(huì)發(fā)生固相顆粒沉降堆積影響固井施工，而且批混撬的現(xiàn)場應(yīng)用可以更加精準(zhǔn)地控制水泥漿的密度。

2.2 流變性能

該項(xiàng)試驗(yàn)主要是跟蹤描述水泥漿體系在不同溫度點(diǎn)的流變性。試驗(yàn)主要評(píng)價(jià)密度為1.90g/cm3的水泥漿在常溫和90℃溫度的流變性的變化，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，中高溫相對常溫條件下，泥漿體系的塑性粘度要偏高，由166mPa·s增長至227mPa·s，而且動(dòng)切力也相應(yīng)的提高，由29Pa增長至58Pa。說明該體系的穩(wěn)定性在中高溫的條件下穩(wěn)定性增強(qiáng)，固相顆粒內(nèi)摩擦阻力偏大，稠度系數(shù)也偏大，流變系數(shù)變小，從而頂替所需的驅(qū)動(dòng)力更高。

表2 溫度對水泥漿體系的影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2.3 稠化性能

按照GB/T 19139-2012 油井水泥試驗(yàn)方法，將室內(nèi)配制的小樣進(jìn)行了稠化實(shí)驗(yàn)檢測（見圖1）。試驗(yàn)證明該水泥漿體系無包芯、稠化曲線無起伏，稠化時(shí)間滿足固井設(shè)計(jì)要求。

3 水泥石性能評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步提高水泥環(huán)封固質(zhì)量，適應(yīng)井完整性要求，水泥石測試樣品按照SY/T 6466-2016所述方法制備并依據(jù)相應(yīng)的測量方法進(jìn)行測量。

3.1 抗壓強(qiáng)度

由于升平油氣田地溫梯度偏高，井下靜止溫度達(dá)到120℃，在此溫度范圍內(nèi)，水泥石極有可能發(fā)生強(qiáng)度衰退，因此針對該水泥石進(jìn)行了1d、2d 和7d 的抗壓強(qiáng)度對比測試，并進(jìn)行了超聲波檢測，數(shù)據(jù)詳見表3和圖2。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上說明，水泥石強(qiáng)度無衰退，且在高溫條件下，強(qiáng)度還略有增強(qiáng)。

表3 水泥石強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

3.2 楊氏模量及抗拉強(qiáng)度

楊氏模量試樣直徑為25mm±1.0mm，高度打磨后宜為50mm±1.0mm；抗拉強(qiáng)度試樣直徑為25mm±1.0mm。高徑比為1.0，采用劈裂法對試樣進(jìn)行徑向加載測定張裂抗拉強(qiáng)度。檢測數(shù)據(jù)均滿足韌性水泥石的性能要求，詳見表4。

表4 楊氏模量及抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

3.3 膨脹率性能

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)采用API 膨脹環(huán)測量，檢測結(jié)果為線性膨脹率，測得7d 膨脹率為0.55%。本次測得膨脹率發(fā)展曲線詳見圖3。

3.4 交變應(yīng)力循環(huán)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

3.4.1 水泥環(huán)完整性模擬裝置簡介

該裝置主要包括上、下端蓋及模擬井筒，上端蓋上有熱電偶，上、下端蓋的中間為模擬井筒，模擬井筒兩端為焊接法蘭，中部由內(nèi)向外依次為內(nèi)套管、膠套組件、外套管及保溫層，各層空間通過其與上、下端蓋之間的各層密封圈密封，膠套組件與下端蓋之間設(shè)有濾網(wǎng)組件，下端蓋上有加熱管和驗(yàn)竄口，驗(yàn)竄口下方放置電子天平，整個(gè)裝置的控制系統(tǒng)包括控制箱和電腦。

3.4.2 模擬裝置功能介紹

（1）實(shí)現(xiàn)了全尺寸井徑模擬，所用內(nèi)套管為井下所用實(shí)際套管，水泥環(huán)的厚度也與井下一致，可直接正面測試水泥石封隔井眼環(huán)空的能力；

（2）實(shí)現(xiàn)井下實(shí)際溫度、壓力、作業(yè)工況模擬，可分別設(shè)置內(nèi)套管壓力、水泥環(huán)空壓力、地層壓力和地層溫度，最高模擬參數(shù)分別為80MPa、25MPa、25MPa 和200℃，滿足試壓、試采、壓裂及注采過程的模擬需要；

（3）實(shí)現(xiàn)整個(gè)評(píng)價(jià)過程的連續(xù)性，即在模擬井下溫度、壓力條件下養(yǎng)護(hù)水泥環(huán)后不經(jīng)降溫、卸壓，而是直接進(jìn)行壓力變化下的進(jìn)行水泥環(huán)完整性評(píng)價(jià)，真正實(shí)現(xiàn)了從注水泥到水泥凝固成石受力全過程的連續(xù)模擬；

（4）實(shí)現(xiàn)了軟地層模擬，能夠?qū)⒌貙訅毫鬟f到水泥環(huán)上，更好地反映井下實(shí)際水泥環(huán)自身性能與其所受外力間的對應(yīng)關(guān)系；

（5）實(shí)現(xiàn)檢測結(jié)果的直觀性，即通過電腦軟件全程采集壓力、溫度和竄流量數(shù)據(jù)并生成曲線。

3.4.3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)

在儲(chǔ)氣庫的生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，儲(chǔ)氣庫每年固定的時(shí)期進(jìn)行注氣作業(yè)，固定的時(shí)期進(jìn)行采氣作業(yè)，水泥環(huán)每年僅僅承受一個(gè)周期的注采應(yīng)力循環(huán)。為了探究水泥環(huán)在不同注采壓差后是否能夠承載的50個(gè)周期的工況，現(xiàn)設(shè)計(jì)水泥環(huán)在不同注采壓差下的循環(huán)實(shí)驗(yàn)，分別將注采壓差控制在-10～20MPa進(jìn)行水泥環(huán)完整性實(shí)驗(yàn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測水泥環(huán)的竄流量。

模擬地層壓力20±1MPa，環(huán)空壓力20±1MPa，將水泥環(huán)養(yǎng)護(hù)7d后，在井筒內(nèi)施加循環(huán)壓為10～30MPa，為了提高實(shí)驗(yàn)效率，將每個(gè)循環(huán)周期的縮短到10min左右進(jìn)行循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測竄流量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如 表5、圖4所示。

表5 水泥環(huán)在其中一個(gè)周期內(nèi)監(jiān)測流量數(shù)據(jù)表

通過試驗(yàn)表明：水泥環(huán)在環(huán)空壓力下竄流量呈規(guī)律性變化，初始時(shí)竄流量較大，滲透率也略高，隨著套內(nèi)壓力的循環(huán)加載次數(shù)增多，水泥石中的孔隙被壓縮到一定程度后，竄流量也明顯減弱，但是未對界面處的膠結(jié)質(zhì)量有破壞作用，水泥環(huán)的滲透率也逐漸降低。經(jīng)過50個(gè)周期的吞吐模擬，水泥環(huán)的封隔質(zhì)量未受到不良影響。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

根據(jù)升平儲(chǔ)氣庫固井后聲幅—變密度和IBC固井質(zhì)量評(píng)價(jià)成果，可以得出：

生產(chǎn)套管在20～2986m 井段處，膠結(jié)合格以上的比例是70.7%；在營城組目的層以上蓋層段，登婁庫組2513.0～2864m 井段處，有兩段連續(xù)25m 膠結(jié)優(yōu)質(zhì)段，長度分別為47.4m 和32.5m。 按照《油氣藏型儲(chǔ)氣庫固井技術(shù)規(guī)范》要求，該儲(chǔ)氣庫固井質(zhì)量達(dá)到要求的指標(biāo)。

5 結(jié)論

（1）通過水泥漿的綜合室內(nèi)評(píng)價(jià)，對儲(chǔ)氣庫固井的現(xiàn)場施工具有一定的指導(dǎo)意義。

（2）通過系統(tǒng)的室內(nèi)評(píng)價(jià)，該水泥漿體系可以滿足儲(chǔ)氣庫固井施工要求，而且水泥石力學(xué)性能也可以在一定程度上緩沖儲(chǔ)氣庫后期注采作業(yè)對水泥環(huán)造成的損傷。