地下儲氣庫注采井不同井段水泥環(huán)密封性能實(shí)驗(yàn)

周 浪 曾青松 汪傳磊 李玉飛 張 勇 張丹丹

1.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2.中國石油西南油氣田公司對外合作部3.中國石油西南油氣田公司物資分公司

0 引言

當(dāng)前，四川盆地相國寺地下儲氣庫（以下簡稱相國寺儲氣庫）注采井建井過程采用了高標(biāo)準(zhǔn)的彈性水泥漿體系，現(xiàn)場固井質(zhì)量檢測表明注采井油層套管固井水泥環(huán)質(zhì)量合格率普遍在99%左右；但服役后注采井環(huán)空出現(xiàn)了較大比例的異常環(huán)空帶壓現(xiàn)象，其中B環(huán)空異常帶壓占比達(dá)到30.7%。現(xiàn)場分析結(jié)果表明，淺層氣上竄是導(dǎo)致B環(huán)空異常帶壓的主要原因。

針對油層套管外固井水泥環(huán)力學(xué)性能及完整性分析，國內(nèi)已經(jīng)開展過大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評價(jià)和理論模型計(jì)算，絕大部分研究都主要從儲層段溫度、壓力、流體特征出發(fā)，評價(jià)固井水泥環(huán)滿足封隔儲層氣上竄的能力[1-9]。針對全井筒水泥環(huán)的力學(xué)性能，國內(nèi)有學(xué)者研究了不同溫度下水泥石抗壓強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比受溫度影響的非線性變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同溫度下水泥石水化產(chǎn)物及水化程度不同，會導(dǎo)致水泥石力學(xué)性能突變[10]。筆者基于已有的研究成果，通過實(shí)驗(yàn)來測試水泥環(huán)在不同深度和各種工況下的密封能力，以期厘清B環(huán)空異常帶壓的原因并控制B環(huán)空帶壓的加劇、避免或減少新建注采井B環(huán)空帶壓現(xiàn)象。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法及過程

選用參數(shù)指標(biāo)與現(xiàn)場一致的彈性水泥漿體系，其儲層溫度下，力學(xué)性能為24.6 MPa，彈性模量3.05 GPa；按照預(yù)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和套次制作水泥環(huán)樣品。為了模擬井筒底部、中部及井口的實(shí)驗(yàn)條件，水泥漿養(yǎng)護(hù)對應(yīng)溫度為60 ℃、40 ℃及25 ℃，養(yǎng)護(hù)壓力統(tǒng)一為20.7 MPa，養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為72 h。實(shí)驗(yàn)采用水泥環(huán)密封完整性測試裝置如圖1所示。

由于該設(shè)備工作筒小于實(shí)際井筒尺寸，為了模擬井下實(shí)際環(huán)境，采用水泥環(huán)應(yīng)力等效方法，通過模型計(jì)算井筒水泥環(huán)在不同作業(yè)工況下的承載情況，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，計(jì)算現(xiàn)場水泥環(huán)的等效應(yīng)力。在設(shè)備上給試驗(yàn)水泥環(huán)加溫、加內(nèi)外壓力，使水泥環(huán)的等效應(yīng)力與現(xiàn)場水泥環(huán)應(yīng)力相等，實(shí)現(xiàn)等效模擬現(xiàn)場井筒工況環(huán)境下水泥環(huán)所受的力學(xué)載荷。

實(shí)驗(yàn)過程中通過給水泥環(huán)端面加氣壓，測試是否發(fā)生氣竄評估水泥環(huán)密封性能，端面所加氣壓設(shè)置為1 MPa。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

參考相國寺儲氣庫的現(xiàn)場工況，將實(shí)驗(yàn)工況分為試壓工況和注采工況。為了體現(xiàn)全井筒工況條件的差異，參照地溫梯度獲取不同井段深度的溫度作為水泥石的養(yǎng)護(hù)溫度；試壓工況下，油套管內(nèi)壓為油套壓+液柱壓力，注采工況下油套管內(nèi)壓參考現(xiàn)場油套管壓力最高取30 MPa。

采用油層套管+水泥環(huán)+地層（或技術(shù)套管）的力學(xué)彈塑性模型[11-14]計(jì)算井下水泥環(huán)在不同工況條件下所受實(shí)際圍壓，計(jì)算取值如下：油層套管外徑為177.8 mm，套管壁厚為11.51 mm，套管楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3，鋼級為TP95S；水泥石楊氏模量為3.05 GPa，水泥石泊松比為0.22；技術(shù)套管外徑為244.5 mm，壁厚為11.99 mm，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3，鋼級為TP95S；巖石的楊氏模量為25 GPa，巖石的泊松比0.2。

室內(nèi)模擬裝置尺寸為：套管內(nèi)徑50 mm，壁厚3 mm，水泥環(huán)壁厚為20 mm，基于物理近似的方法最終確定實(shí)驗(yàn)條件下的內(nèi)壓與圍壓值如表1所示。

圖1 完整性實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理圖

表1 水泥環(huán)密封能力測試實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 井底水泥環(huán)密封性能測試

假設(shè)按照套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度系數(shù)的0.8倍（51.6 MPa）進(jìn)行清水試壓，考慮井的垂深2 000 m，井底儲層段附近水泥環(huán)受到內(nèi)壓71.6 MPa，分析該工況下對水泥環(huán)完整性的影響?；诘刃г韺?shí)驗(yàn)內(nèi)壓為60.6 MPa，圍壓為9.1 MPa。實(shí)驗(yàn)升壓至60.6 MPa后，穩(wěn)壓30 min后卸壓。流量計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明未監(jiān)測到氣體竄出，說明在工況下，水泥環(huán)密封較好，滿足該試壓工況。

采用試壓71.6 MPa工況進(jìn)行測試后，直接在此基礎(chǔ)上反復(fù)加載與卸載。實(shí)驗(yàn)循環(huán)內(nèi)壓載荷介于1.0～13.6 MPa，在經(jīng)過30個(gè)循環(huán)周期后未監(jiān)測到氣體泄漏，如圖2-a所示，表明在該注采工況下水泥環(huán)密封性良好，其后采用實(shí)驗(yàn)循環(huán)內(nèi)壓載荷介于1.0～22.1 MPa經(jīng)30個(gè)循環(huán)周期過程中監(jiān)測到不連續(xù)的氣體竄漏，如圖2-b所示，表明在該注采工況下水泥環(huán)密封已經(jīng)存在削弱，但還沒有完全竄通。

2.2 中部井段水泥環(huán)密封性能測試

圖2 不同循環(huán)內(nèi)壓載荷下井底水泥環(huán)密封性測試結(jié)果圖

為了分析井筒試壓對井筒中部水泥環(huán)密封性的影響，選取井筒中部1 000 m井深處工況環(huán)境，現(xiàn)場試壓工況下內(nèi)壓為45 MPa，等效實(shí)驗(yàn)內(nèi)壓為35.1 MPa，圍壓4.1 MPa。當(dāng)內(nèi)壓加載至35.1 MPa，穩(wěn)壓30 min后卸載，流量計(jì)未監(jiān)測到竄出的氣體；然后按照1.0～22.1 MPa實(shí)驗(yàn)循環(huán)內(nèi)壓加載，在循環(huán)至第2個(gè)周期時(shí)即開始監(jiān)測到大量氣體從環(huán)空竄出（圖3）。

圖3 中部井段水泥環(huán)密封性測試結(jié)果圖

2.3 井口附近水泥環(huán)密封性能測試

井口附近水泥環(huán)（長度100 m）在清水試壓過程中受到內(nèi)壓30 MPa左右，圍壓7.1 MPa，分析該工況下對水泥環(huán)完整性的影響。基于等效原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)壓在22.1 MPa，圍壓為2.5 MPa條件下進(jìn)行模擬，穩(wěn)壓30 min后泄壓，流量計(jì)監(jiān)測到環(huán)空氣體竄出，如圖4-a所示，說明在該試壓工況下，水泥環(huán)密封性失效。降低清水試壓值至20 MPa，圍壓為4.8 MPa，基于等效原理實(shí)驗(yàn)在內(nèi)壓為13.6 MPa，圍壓為2.0 MPa條件下進(jìn)行模擬，穩(wěn)壓30 min后泄壓，流量計(jì)未有檢測到環(huán)空發(fā)生泄漏。

圖4 井口附近水泥環(huán)密封性測試結(jié)果圖

采用循環(huán)內(nèi)壓載荷10 MPa、20 MPa、30 MPa對井口附近的水泥環(huán)進(jìn)行密封性測試，對應(yīng)實(shí)驗(yàn)循環(huán)內(nèi)壓載荷最大值分別為8.1 MPa、13.6 MPa、22.1 MPa。測試表明，在實(shí)驗(yàn)過程中，循環(huán)內(nèi)壓載荷8.1 MPa，實(shí)驗(yàn)圍壓1 MPa時(shí)，水泥環(huán)沒有發(fā)生泄漏；在循環(huán)內(nèi)壓載荷13.6 MPa，實(shí)驗(yàn)圍壓2 MPa時(shí)，在第23個(gè)循環(huán)周期開始監(jiān)測到氣體竄漏，如圖4-b所示。在循環(huán)內(nèi)壓載荷22.1 MPa時(shí)，在第22個(gè)循環(huán)周期時(shí)也監(jiān)測到大量氣體竄漏。

2.4 結(jié)果分析

同一水泥漿體系在不同深度井段體現(xiàn)出不同的密封能力，主要是由于3個(gè)方面的原因?qū)е隆?/p>

2.4.1 溫度的影響

艾正青通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明，不同的養(yǎng)護(hù)溫度會導(dǎo)致水泥石水化產(chǎn)物及水化程度的不同，相同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下，水泥石在60 ℃及80 ℃條件下，機(jī)械性能存在突變區(qū)間，在60 ℃以前，水泥石抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著養(yǎng)護(hù)溫度增加而顯著增加，60～80℃存在機(jī)械性能突變區(qū)，超過80 ℃，機(jī)械性能沒有顯著地變化[10]。

相國寺儲氣庫注采井地層溫度在60 ℃左右，地面溫度最高不超過20 ℃。固井候凝時(shí)間一般在72 h，溫度的差異會導(dǎo)致沿井筒不同深度水泥漿凝固后機(jī)械性能從井口到井底逐漸降低，這導(dǎo)致水泥環(huán)密封性能沿井筒從上至下逐漸降低。

2.4.2 圍壓的影響

研究結(jié)果表明，圍壓對水泥石力學(xué)性能的影響非常顯著，在其作用下，水泥石會出現(xiàn)顯著地塑性強(qiáng)化，水泥石的軸向強(qiáng)度隨著圍壓增加成倍增加[15]。

在井底儲層段，相國寺儲氣庫注采井注氣前地層壓力介于2～3 MPa，考慮試壓工況71.6 MPa時(shí)地層巖石束縛給水泥環(huán)的理論圍壓在16 MPa；在注采階段，地層壓力在13～28 MPa波動，而地層巖石束縛給水泥環(huán)的理論圍壓在7 MPa左右，遠(yuǎn)低于地層壓力。因此，本實(shí)驗(yàn)在儲層段附近水泥環(huán)密封測試選取了較為極端的測試工況條件，但水泥環(huán)密封性能依然可以滿足生產(chǎn)需要，也證實(shí)了現(xiàn)有彈性水泥漿體系的可靠性。

在井筒中部和上部區(qū)域，水泥環(huán)處于油層套管和技術(shù)套管之間，由于套管本體的強(qiáng)度和剛性，地層帶來的圍壓對水泥環(huán)影響極小，水泥環(huán)實(shí)際受到的圍壓取決于油層套管內(nèi)受到的內(nèi)壓傳遞給技術(shù)套管后對水泥環(huán)的反作用力。理論計(jì)算表明，水泥環(huán)受到的實(shí)際圍壓遠(yuǎn)低于井底，在井口附近，現(xiàn)場實(shí)際試壓30 MPa工況下，圍壓最高為7.1 MPa。實(shí)際測試也表明，中上部井段水泥環(huán)密封能力顯著低于井底儲層段附近水泥環(huán)。

2.4.3 交變載荷的影響

對該水泥漿體系在交變載荷下水泥石三軸力學(xué)性能進(jìn)行了測試，如圖5所示，測試條件為養(yǎng)護(hù)溫度60 ℃，養(yǎng)護(hù)溫度20.7 MPa，循環(huán)載荷15 MPa，且水泥石處于彈性應(yīng)變的范圍內(nèi)進(jìn)行測試。

圖5 循環(huán)載荷下水泥石應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

由圖5可知，水泥石每次加載卸載后，均存在殘余應(yīng)變，且隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加這種殘余應(yīng)變會不斷累積，但殘余應(yīng)變的增加幅度隨著加載次數(shù)增加在不斷減小。造成這種現(xiàn)象的原因有兩個(gè)：水泥石在受到載荷會首先處于壓實(shí)階段，然后才會進(jìn)入彈性變形階段[15]；在水泥環(huán)壓實(shí)和循環(huán)載荷的影響下，水泥環(huán)內(nèi)部會出現(xiàn)越來越多的微裂紋當(dāng)微裂紋逐漸竄通，會降低水泥石整體力學(xué)性能，導(dǎo)致水泥石存在不斷累積的損傷和殘余應(yīng)變。

實(shí)驗(yàn)采用的彈性水泥漿體系可以滿足儲氣庫注采井對儲層段附近封堵需求，即使在允許最大的試壓工況和注采交變載荷下，依然可以保證對儲層段的有效屏障；井筒中部水泥環(huán)在當(dāng)前現(xiàn)場井口試壓35 MPa（水泥環(huán)內(nèi)壓45 MPa）工況下，能保持水泥環(huán)密封性，但在承受最高30 MPa交變載荷時(shí)，發(fā)生了密封失效；井口附近水泥環(huán)需要將試壓壓力降低至20 MPa時(shí)，才能夠保持水泥環(huán)密封性。在承受交變載荷時(shí)，內(nèi)壓超過20 MPa后水泥環(huán)密封性失效。

3 結(jié)論與建議

1）同一種水泥漿體系在實(shí)際固井凝固后沿井筒深度具有不同的力學(xué)性能，導(dǎo)致不同井段水泥環(huán)的密封性能存在較大差異。

2）交變載荷會導(dǎo)致水泥石產(chǎn)生累積的損傷和殘余應(yīng)變，對水泥環(huán)的密封能力有顯著的影響。

3）當(dāng)前相國寺儲氣庫采用的彈性水泥漿體系是滿足注采井儲層段有效封堵的，但在井筒中部（B環(huán)空），注采工況下有發(fā)生水泥環(huán)密封失效的風(fēng)險(xiǎn)；在井口附近井段，試壓和注采工況均可能破壞水泥環(huán)的密封性。

4）為了確保井筒全井段水泥環(huán)密封能力，建議從3個(gè)方面著手：根據(jù)井筒上下部實(shí)際工況條件，采用不同性能的水泥漿體系；避免全井筒清水試壓或控制試壓值大??；確保完井管柱施工質(zhì)量，避免A環(huán)空帶壓，降低封隔器以上油層套管受到交變載荷的影響。