枯竭裂縫型儲氣庫老井封堵技術(shù)

張俊瑾

中國石化中原油田分公司 石油工程技術(shù)研究院（河南 濮陽 457001）

0 引言

文23儲氣庫為我國能源儲備、氣源調(diào)峰發(fā)揮重大的戰(zhàn)略作用。“儲氣庫”是利用廢棄油氣藏或枯竭油氣藏儲存天然氣的一個“封閉”體系。需要對原利用井進(jìn)行有效封堵，形成密閉系統(tǒng)。由于地下儲氣庫壓力處于不斷交變狀態(tài)，壓力波動大，不僅要求堵劑能夠進(jìn)入不同物性地層，對各層形成較強(qiáng)封堵，還要求堵劑固結(jié)體與地層及套管膠結(jié)強(qiáng)度高，氣密封性好，不能出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象[1-2]。儲氣庫老井永久性封堵是儲氣庫長期安全運(yùn)營的重要環(huán)節(jié)[3-4]。

文23儲氣庫具有地層溫度高（120℃）、原始滲透率低（14.7×10-3μm2）、地層跨度大（350 m）的特點(diǎn)，特別是文23低孔低滲氣田經(jīng)過多次重復(fù)壓裂，形成人工裂縫，縱向上基本被溝通。能否永久性封堵儲氣庫老井，對今后地下儲氣庫運(yùn)行及周邊安全關(guān)系重大[3-5]。如何對枯竭（虧空負(fù)壓）氣藏人工裂縫進(jìn)行屏蔽封堵是文23儲氣庫老井封堵的難點(diǎn)。

1 儲氣庫封堵體系

針對文23儲氣庫儲層多裂縫、低孔低滲、虧空的特征，分析提出文23儲氣庫氣層封堵劑應(yīng)具有以下特點(diǎn)：①堵劑漿體觸變性好，一定時間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效防止堵劑漿體在部分高滲帶大量漏失，能夠在近井地帶快速駐留，形成致密、牢固的固結(jié)體；②堵劑固結(jié)體本身具有較好的致密性和高抗壓強(qiáng)度，且與儲層巖石及管道壁膠結(jié)致密，完全屏蔽儲氣庫老井封堵層；③堵劑漿體注入性好，能夠進(jìn)入不同物性儲層，形成較強(qiáng)封堵。

封堵層失效的原因，大部分不是因為封堵層堵劑固結(jié)體本身強(qiáng)度不夠，而是因為堵劑固結(jié)體與地層或管壁界面膠結(jié)強(qiáng)度不夠，從而導(dǎo)致封堵層失效[6]。水泥漿固結(jié)后的固結(jié)體發(fā)生收縮也會影響水泥石與壁面的膠結(jié)強(qiáng)度。因此，在封堵劑基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上，通過添加觸變調(diào)整劑、膠凝固化劑、微膨脹劑、高溫緩凝劑等添加劑形成耐高溫、抗壓強(qiáng)度高的封堵體系。針對封堵井多裂縫、枯竭負(fù)壓（易漏失）的特點(diǎn)，通過添加網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形成劑、復(fù)合橋堵顆粒，使封堵體系滿足文23儲氣庫老井枯竭、復(fù)雜裂縫封堵要求。封堵劑基礎(chǔ)配方是水灰比1∶1.2。

1.1 觸變調(diào)整劑用量對堵劑性能的影響

固定主劑用量為水∶灰=1∶1.2，固化劑用量為3%，改變觸變調(diào)整劑用量，測定觸變調(diào)整劑用量對堵劑漿體觸變性的影響，實驗結(jié)果見表1。

表1 觸變調(diào)整劑用量對堵劑漿體觸變性的影響

由表1實驗結(jié)果可以看出：①觸變調(diào)整劑加量對稠化時間影響甚微；②堵劑的靜切力初值(G10s)為4.0～5.1 Pa，終值(G10min)為10～16 Pa。堵劑水泥漿要求觸變性好，具有良好觸變性的堵劑漿體，在停泵時漿體切力能快速增大到某個適當(dāng)?shù)臄?shù)值，堵劑懸浮不易漏失，且能防止靜止后開泵時泵壓過高。綜合堵劑漿體靜切力初值與終值，優(yōu)選觸變調(diào)整劑的最佳用量為0.3%～0.4%。

1.2 膠凝固化劑對堵劑性能的影響

固定主劑用量水∶灰=1∶1.2，觸變劑用量0.4%，改變固化劑用量，在120℃條件下，測定不同膠凝固化劑加量對堵劑稠化時間和抗壓強(qiáng)度的影響，實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 膠凝固化劑用量對稠化時間和抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1可以看出：稠化時間與固化劑加量關(guān)系不大。固化劑加量對固結(jié)體抗壓強(qiáng)度有一定影響。綜合考慮稠化時間與固結(jié)體抗壓強(qiáng)度，為了現(xiàn)場施工的安全性，優(yōu)化膠凝固化劑濃度為3.0%～5.0%，可滿足文23塊儲氣庫的需要。

1.3 微膨脹劑對堵劑性能的影響

氣藏儲層物性差異大、含水高、近井堵塞等因素是影響堵劑與地層膠結(jié)強(qiáng)度的重要因素。同時，水泥石固結(jié)后發(fā)生收縮也會影響壁面的膠結(jié)強(qiáng)度。堵劑體系在井筒內(nèi)凝固后主要與套管內(nèi)壁接觸，由于套管與堵劑成分不同，堵劑固結(jié)體與套管壁膠結(jié)面是流體最易突破的薄弱環(huán)節(jié)，壁面膠結(jié)強(qiáng)度的高低直接影響老井封堵的效果。

室內(nèi)通過優(yōu)選鈍化金屬粉作為高溫氣井水泥體系使用的微膨脹劑。通過測定不同濃度的微膨脹劑對水泥體系在120℃條件下放置96 h后的氣體突破壓力，優(yōu)化其使用濃度，實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 微膨脹劑的濃度與氣體突破壓力的關(guān)系

由圖2可知，添加微膨脹劑后，氣體突破壓力顯著提高。分析認(rèn)為：高溫條件下，微膨脹劑在水泥固化過程中使堵劑體系在一定時間內(nèi)發(fā)生微膨脹，使堵劑固結(jié)體具有良好的自愈合功能。添加了微膨脹劑的堵劑固結(jié)體與儲層巖石、套管壁膠結(jié)更加致密。實驗優(yōu)化微膨脹劑的最佳使用濃度為3.0%。

1.4 高溫緩凝劑對堵劑性能的影響

目前，高溫緩凝劑有固體和液體兩類。考慮現(xiàn)場配液的易操作性和對堵劑分散性的要求，一般采用液體類高溫緩凝劑。優(yōu)選現(xiàn)場在用的、分散性好的Ⅰ型高溫緩凝劑進(jìn)行配方優(yōu)化實驗。

實驗選用Ⅰ型高溫復(fù)合緩凝劑，主劑用量水灰比為1∶1.2+膠凝固化劑3.0%+觸變調(diào)節(jié)劑0.4%，改變Ⅰ型高溫復(fù)合緩凝劑用量，其對高溫稠化時間的影響結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同溫度條件下高溫復(fù)合緩凝劑對稠化時間的影響

結(jié)果表明：在同一溫度下，復(fù)合緩凝劑濃度增大，稠化時間變長；同一復(fù)合緩凝劑濃度下，溫度增加，稠化時間縮短。實驗優(yōu)化復(fù)合緩凝劑最佳用量為1.0%～1.6%，可以滿足氣層封堵現(xiàn)場需要。

1.5 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)架橋劑對堵劑性能的影響

文23儲氣庫采出程度高，地層虧空嚴(yán)重，且經(jīng)過多次壓裂，人工裂縫多且復(fù)雜。常規(guī)超細(xì)水泥封堵體系存在粒徑與地層匹配性差的問題，在高滲條帶中難以駐留，不能形成致密有效的封堵結(jié)構(gòu)封堵地層。通過在封堵劑體系中添加剛性架橋顆粒和柔性架橋顆粒，提高封堵劑在裂縫中的駐留能力，使其在地層中形成橋堵，實現(xiàn)架橋—變縫為孔—逐級填充—漿體濾失、稠化—控制堵劑大量進(jìn)入高滲條帶，從而實現(xiàn)有效封堵，保證儲氣庫長期安全生產(chǎn)運(yùn)行。

室內(nèi)通過測定孔直徑為0.88 cm篩網(wǎng)滯留面積，優(yōu)化網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)架橋劑的使用濃度。

實驗按水灰質(zhì)量比1∶1.2配制均勻漿體，膠凝固化劑3.0%，觸變調(diào)整劑0.4%，高溫緩凝劑1.5%。測定不同顆粒濃度下網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)架橋劑的滯留面積，確定最優(yōu)濃度。實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)架橋劑的濃度與滯留面積的關(guān)系

新型復(fù)合纖維架橋模式實現(xiàn)復(fù)雜人工壓裂裂縫的高效駐留，添加結(jié)網(wǎng)劑體系的滯留面積擴(kuò)大了65%～85%，提高了封堵體系在高滲條帶的堵塞能力。堵劑體系中添加網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)架橋劑在堵劑漿體濾失后形成更加致密、抗壓強(qiáng)度更高、抗沖擊性更高的水泥濾餅，在儲氣庫交變運(yùn)行壓力下，能實現(xiàn)長期有效封堵。因此，考慮到不同類型的老井，優(yōu)化網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)架橋劑的使用濃度為3.0%～5.0%。

最終確定枯竭砂巖多裂縫氣層封堵體系配方為：水∶灰為1∶1.2+觸變調(diào)整劑0.3%～0.4%+膠凝固化劑3.0%～5.0%+微膨脹劑3%+高溫緩凝劑1.0%～1.6%+網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)架橋劑3.0%～5.0%（裂縫存在）+復(fù)合橋堵顆粒（裂縫存在），可根據(jù)現(xiàn)場施工需要進(jìn)行調(diào)整。

2 多段塞動態(tài)注入工藝

在調(diào)研儲氣庫老井封堵工藝的基礎(chǔ)上[7-10]，考慮到文23儲氣庫塊狀氣藏，上下連通性好，其主要矛盾表現(xiàn)為壓力非常低，平均為5 MPa，并且經(jīng)過多次壓裂，非均質(zhì)性強(qiáng)，堵劑容易突進(jìn)，難以均勻進(jìn)入氣層的特點(diǎn)。采用“承留器+氣層封堵劑”，配合分層擠堵工藝，針對堵劑突進(jìn)不能均勻進(jìn)入的問題，提出多段塞多尺度動態(tài)注入工藝。

現(xiàn)場擠堵施工時，根據(jù)擠堵注入壓力情況動態(tài)調(diào)整堵劑段塞體系，形成“一段一調(diào)整”，多段塞實時動態(tài)封堵工藝，以達(dá)到儲氣庫氣層封堵的要求。

文23-4井是作業(yè)難度最大的一口井，以該井為例，說明枯竭砂巖多裂縫氣層封堵體系與多段塞封堵工藝在老井封堵技術(shù)中的應(yīng)用。

2.1 文23-4井簡況

前期作業(yè)：壓裂2次，修井作業(yè)共暫堵13次，使用暫堵液181 m3。固井質(zhì)量：油套水泥返高1 928.5 m，合格。封堵層位：2 870.5～3 003.5 m，厚度69.9 m/26層。井筒處理方式：暫堵劑+清水沖砂至3 004 m。存在問題：地層虧空、漏失嚴(yán)重。

2.2 封堵施工設(shè)計思路

針對該井地層虧空、漏失嚴(yán)重的問題，設(shè)計了3種不同的氣層封堵體系組合，具體見表2。

表2 不同的氣層封堵體系組合

2.3 封堵施工參數(shù)及封堵動態(tài)情況

現(xiàn)場封堵施工參數(shù)：實際堵劑用量126 m3，頂替清水3.5 m3，排量0.1～0.3（m3·min-1），最高壓力28 MPa，擠堵施工壓力與施工時間的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 文23-4井施工壓力與施工時間的關(guān)系曲線

2.4 封堵施工分析

該井采用枯竭砂巖多裂縫氣層封堵體系對射開井段2 870.5～3 003.5 m，跨度133 m（厚度69.9 m/26層）進(jìn)行擠堵。施工初期試注測壓段塞加入低濃度結(jié)網(wǎng)材料，當(dāng)注入堵劑量約40 m3時，施工壓力最高升至5 MPa，說明地層漏失嚴(yán)重。于是調(diào)整注入段塞為裂縫橋堵段塞，加注“枯竭砂巖多裂縫氣層封堵體系+高濃度結(jié)網(wǎng)材料+復(fù)合橋堵顆粒”，在后續(xù)注入過程中，壓力逐漸平穩(wěn)上升；當(dāng)施工壓力升至20 MPa左右時，再次調(diào)整注入段塞為均衡侵入段塞，使施工壓力達(dá)到最大值平穩(wěn)至28 MPa,施工結(jié)束。擠堵施工后對塞面試壓15 MPa，30 min穩(wěn)壓不降，試壓合格，達(dá)到工程對擠堵施工壓力的要求。

現(xiàn)場應(yīng)用枯竭砂巖多裂縫氣層封堵體系封堵儲氣庫老井共46口，工藝成功率100%，措施有效率100%，試壓合格，達(dá)到設(shè)計要求，取得了較好的封堵效果。

3 結(jié)論

1）通過在封堵劑基礎(chǔ)配方中添加觸變調(diào)整劑、膠凝固化劑、微膨脹劑、高溫緩凝劑、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)架橋劑等添加劑，形成了耐高溫、較致密、注入性好，且對不同滲透層能較均勻進(jìn)入的枯竭砂巖多裂縫封堵體系。該封堵體系能夠滿足文23儲氣庫老井枯竭負(fù)壓、復(fù)雜裂縫的封堵要求。

2）針對儲氣庫老井枯竭負(fù)壓、非均質(zhì)性強(qiáng)、多人工裂縫、堵劑易突進(jìn)、難以均勻進(jìn)入氣層的問題，在“承留器+枯竭砂巖多裂縫封堵體系”工藝的基礎(chǔ)上，提出了多段塞多尺度動態(tài)注入工藝，形成差異性老井封堵技術(shù)，實現(xiàn)了地層、管外及井筒的全面密封。