劉宏偉

（中國石化中原油田分公司，河南濮陽 457001）

1 概述

文23 地下儲氣庫是我國中部地區(qū)最大的儲氣庫，設(shè)計(jì)總庫容為104.21億m3，承擔(dān)著華北地區(qū)五省二市天然氣調(diào)峰應(yīng)急、市場保供任務(wù)[1]，冬季最高日調(diào)峰量4 000 萬m3，相當(dāng)于全國最高日用氣量的1/20，其安全運(yùn)行直接關(guān)系著周邊環(huán)境及居民的安全問題。在地下儲氣庫建設(shè)中，老井封堵工程是儲氣庫建設(shè)核心之一[2]，直接關(guān)系到儲氣庫是否能夠順利建成，老井井筒的封堵質(zhì)量直接關(guān)系到儲氣庫的安全運(yùn)行，若老井井筒封堵失效，地下天然氣將會泄漏至地面，導(dǎo)致天然氣資源大量流失，嚴(yán)重時(shí)則會導(dǎo)致井口失控，引起火災(zāi)爆炸[3]，因此井筒作為儲氣庫安全生產(chǎn)的第一道屏障，如何做到本質(zhì)安全，對儲氣庫安全生產(chǎn)具有重要意義。

針對文23 儲氣庫57 口老井進(jìn)行分類處置，確立“強(qiáng)化地層封堵，兼顧井筒封竄，實(shí)時(shí)壓力監(jiān)控”[4]的整體封堵原則，創(chuàng)新堵劑體系和擠堵工藝，高質(zhì)量保障文23儲氣庫老井封堵，確保儲氣庫的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2 文23 儲氣庫老井基本情況

文23儲氣庫是利用枯竭的文23氣藏建設(shè)而成，文23主塊沙四3-8（以下簡稱）砂組作為文23儲氣庫的儲氣單元，鉆遇儲氣庫沙四段氣層共計(jì)57口老井，其中38 口老井只鉆遇氣層；16 口井鉆遇上部S2油層＋S4段氣層，僅1 口井射開S2油層；3 口井鉆遇S4氣層＋中生界，中生界產(chǎn)能差，孔隙度6%～9%。

目前文23 儲氣庫老井存在以下問題：①井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在57 口氣井中，5-1/2in 套管41 口井，5-1/2in管懸掛4in套管9口井，全井4in套管2口井，全井5in 套管1 口井，9in 套管懸掛7in 套管1 口井，特殊井身結(jié)構(gòu)3 口井；②部分井固井質(zhì)量差。其中固井質(zhì)量整體評價(jià)不合格的井有11口；③井筒條件差。存在井況問題的有20 口井，其中10 口井套管嚴(yán)重腐蝕或穿孔，4口井套管變形，2口井套管斷裂，2 口井套管頭滲漏，2 口井無套管頭，另外有48 口井井下存在落物、砂面或塞面。

3 文23 儲氣庫老井分類處置

3.1 老井不利用的評價(jià)原則

經(jīng)過對文23儲氣庫57口老井資料收集、分析，對套管狀況、原固井質(zhì)量、井筒狀態(tài)、射孔層位進(jìn)行評價(jià)，參考SY/T 6848－2012標(biāo)準(zhǔn)，確定老井不利用原則：1）1999年以前完鉆的氣井。15口井完鉆于1990年以前，井齡過長，井況皆存在問題，不能滿足儲氣庫長期運(yùn)行的要求。2）小套管完井的氣井。一是4in以下套管井，二是懸掛4in套管井。此類氣井的井筒內(nèi)徑小，無法滿足儲氣庫強(qiáng)注強(qiáng)采生產(chǎn)管柱設(shè)計(jì)要求。3）固井質(zhì)量差的氣井。儲氣層頂部以上蓋層段水泥環(huán)連續(xù)優(yōu)質(zhì)膠結(jié)長度少于25 m，在儲氣庫注采運(yùn)行過程的周期性交變應(yīng)力作用下，固井質(zhì)量差的氣井與上部沙三段油層存在管外竄通的可能性。4）套管狀況差的氣井。試壓不合格，有井況問題，或剩余強(qiáng)度小于儲氣庫運(yùn)行壓力，不能滿足儲氣庫運(yùn)行工況。5）現(xiàn)場檢測為不合格的擬利用氣井。

3.2 老井分類處置結(jié)果

根據(jù)57口井史資料及分類原則評價(jià)[5]，初選出22口擬利用井，進(jìn)行現(xiàn)場利用檢測評價(jià)，綜合確定封堵井46口，利用井11口，見表1。

4 文23 儲氣庫老井封堵工藝

4.1 封堵依據(jù)及原則

4.1.1 封堵依據(jù)

一是依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6848－2012《地下儲氣庫設(shè)計(jì)規(guī)范》中“5.1.4 對于封堵棄置的老井，應(yīng)采用有效措施永久地阻斷儲氣目的層流體向井筒流動(dòng)、阻斷儲氣目的層流體通過管內(nèi)管外向其他滲透性地層流動(dòng)、阻斷儲氣目的層流體沿井筒上竄”以及“5.2.3 應(yīng)按照儲氣目的層下部井段、儲氣目的層、儲氣目的層以上井段三部分分別進(jìn)行封堵設(shè)計(jì)”等部分條款，對氣層射孔段全部封堵、固井差井段鍛銑、井筒注連續(xù)灰塞等設(shè)計(jì)進(jìn)行了規(guī)范；要求對儲氣目的層下部井段、儲氣目的層、儲氣目的層以上井段分別進(jìn)行封堵設(shè)計(jì)，防止竄漏。

二是依據(jù)中國石化企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 0653－2015《廢棄井封井處置規(guī)范》中“5.1.3 三類井封井結(jié)構(gòu)”以及“5.2.3 高壓天然氣井的封堵”部分條款，當(dāng)氣庫運(yùn)行壓力超過10 MPa，區(qū)域內(nèi)老井按三類井處置；氣層封堵部分，基本與SY/T 6848－2012地下儲氣庫設(shè)計(jì)規(guī)范要求一致。

4.1.2 封堵原則

為了確保廢棄井封堵效果長期可靠，參考SY/T 6848－2012《地下儲氣庫設(shè)計(jì)規(guī)范》、Q/SH 0653－2015《廢棄井封井處置規(guī)范》中的關(guān)于三類風(fēng)險(xiǎn)井的封井結(jié)構(gòu)，采取“地層＋井筒＋管外”并重的封井思路，即對產(chǎn)層段實(shí)施擠堵，對井筒注連續(xù)灰塞并灌注防腐重泥漿封堵，對管外可能引發(fā)氣體竄漏的位置實(shí)施二次封固，從而徹底切斷流體泄漏通道。基于上述思路，結(jié)合文23儲氣庫廢棄井井況特征，確立了“強(qiáng)化地層封堵，兼顧井筒封竄、實(shí)時(shí)壓力監(jiān)控”的整體封堵原則[6-7]：1）處理井筒，保證所有射孔段具備封堵條件。2）氣層段擠堵，阻斷滲透性地層通道①。3）管外竄擠堵，阻斷管外通道②。4）井筒封堵，阻斷井筒內(nèi)向上通道③。見圖1。

表1 文23 儲氣庫老井評價(jià)分類

圖1 老井竄漏通道

4.2 封堵工藝

4.2.1 修井工藝

文23 氣田老井井齡長，井況復(fù)雜，井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了保證擠堵所有的射孔段的擠堵質(zhì)量，封堵作業(yè)時(shí)需將井筒通道處理至射孔段底界（見圖2～3），以保障所有層位都可滿足擠堵施工要求。具體修井內(nèi)容主要包括鉆沖砂、鉆塞、落物打撈、套管整形、取換套等。

4.2.2 氣層擠堵工藝

為確保儲氣庫氣層封堵質(zhì)量以及密封效果，保障儲氣庫運(yùn)行過程中老井封堵井不竄漏，結(jié)合國內(nèi)儲氣庫建庫經(jīng)驗(yàn)以及常規(guī)油氣井?dāng)D堵工藝，立足文23儲氣庫地層、井況特點(diǎn)，通過優(yōu)化改進(jìn)，確定了適用于文23 儲氣庫的擠堵工藝：1）采用承留器，可保壓候凝，堵劑不返吐，保護(hù)上部套管，保證施工安全及質(zhì)量（見圖4 ～5）。2）根據(jù)Q/SH 0653－2015《廢棄井封井處置規(guī)范》，經(jīng)過調(diào)查研究，擠堵半徑按2 m設(shè)計(jì)，施工時(shí)根據(jù)壓力變化調(diào)整堵劑配方，必須滿足規(guī)范中擠堵半徑超過井眼3 倍的最低要求。3）、中生界等封堵層位物性差異較大，考慮到上部氣層段漏失嚴(yán)重，采用先上后下分層擠堵。4）長井段分層擠堵，確保高低滲層共同封堵效果。

4.2.3 管外竄通道擠堵工藝

考慮到部分井固井質(zhì)量差，不滿足SY/T 6848－2012地下儲氣庫設(shè)計(jì)規(guī)范要求，為防止氣體管外竄，制定專項(xiàng)處置措施，其中氣層以上固井質(zhì)量優(yōu)段不足25 m井有5口，受工藝限制，無法鍛銑，見表2，故選擇將作為隔層進(jìn)行射孔、擠堵，阻斷向上管外竄通道（見圖6文108-1井）；向下鉆遇中生界3口，但氣層以下固井質(zhì)量優(yōu)段均超過25 m。

4.2.4 井筒封堵工藝

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6848－2012，氣層頂界以上連續(xù)水泥塞長度應(yīng)大于300 m?；胰喜繎?yīng)注滿緩蝕液；設(shè)計(jì)每口井連續(xù)水泥塞面位于鹽層以上100 m或高于套管薄弱點(diǎn)，連續(xù)水泥塞長度至少在800 m左右；灰塞上部注滿防腐重泥漿，有保護(hù)套管、壓井、灌縫等作用，如圖7 所示；井口安裝壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測、傳輸數(shù)據(jù)。

圖2 文23井修前井身結(jié)構(gòu)

圖3 文23井修后井身結(jié)構(gòu)

圖4 文23-18井?dāng)D堵前

圖5 文23-18井?dāng)D堵后

表2 管外竄通道擠堵設(shè)計(jì)

圖6 文108-1井管外竄通道擠堵

4.2.5 井口及無線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)

老井封堵施工后，為了方便后期管理，實(shí)時(shí)壓力監(jiān)控，設(shè)計(jì)了簡易井口（見圖8）并配套無線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)。

圖7 井筒封堵

圖8 簡易井口

4.3 耐高溫緩膨氣密新型封堵體系

文23區(qū)塊屬于低孔低滲氣田，經(jīng)過多次重復(fù)壓裂，形成裂縫，如何對裂縫進(jìn)行屏蔽封堵是該區(qū)塊封堵的難點(diǎn)，提出文23塊氣層封堵劑的要求：能夠進(jìn)入不同物性的地層，對各層形成較強(qiáng)的封堵；觸變性好，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，防止部分高滲帶堵劑大量漏失；具有較強(qiáng)的致密性，對氣層完全屏蔽；注入性好，能夠滿足物性較差地層的封堵需要；強(qiáng)造壁性，能夠在近井地帶快速駐留，形成致密、牢固的固結(jié)體。

常規(guī)的固井水泥屬于硬性膠凝材料，具有“高體積收縮、高濾失量、高密度和高脆性”的缺陷，在井筒封堵時(shí)易形成微間隙或由于水泥石的高脆性產(chǎn)生宏觀裂紋和界面破壞，使得井筒封堵失敗。因此在國內(nèi)儲氣庫老井封堵堵劑研究的基礎(chǔ)上[8-10]，通過對油井水泥主劑用量及添加劑的優(yōu)化，研發(fā)出了高溫緩膨氣密封堵體系（見圖9），即W/C＝1:1.2＋膠凝固化劑1%～3%＋觸變調(diào)節(jié)劑0.3%～0.5%＋復(fù)合緩凝劑1.0%～1.6%＋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形成劑＋復(fù)合橋堵顆粒（裂縫存在）＋微晶顆粒膨脹劑。體系耐溫120℃，稠化時(shí)間4 ～9 h 可控，初始稠度＜30 Bc、氣密封強(qiáng)度＞15 MPa，進(jìn)入深度可調(diào)。

4.4 多段塞堵劑注入工藝

圖9 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形成劑電鏡圖像

針對文23儲氣庫地層壓力低、易漏失、射孔井段跨度大等特點(diǎn)，建立了“一段一調(diào)整”動(dòng)態(tài)封堵工藝?yán)砟?，制定了不同段塞施工評判方法，創(chuàng)建了多段塞復(fù)合注入方式，根據(jù)施工壓力，確定段塞的用量及順序，段塞設(shè)計(jì)見表3。

段塞組合的優(yōu)化設(shè)計(jì)。橋堵段塞（漿體總量20%）：原堵劑中加入3%～5%剛性橋接劑，解決裂縫的封堵；讓堵劑實(shí)現(xiàn)沉降、橋堵和駐留。填充段塞（漿體總量20%）：原堵劑中加入1%～3%柔性架橋形成劑；快速起壓，實(shí)現(xiàn)高壓層進(jìn)入，形成同一壓力系統(tǒng)。主體段塞（漿體總量60%）：原堵劑體系，強(qiáng)化各層封堵能力。

現(xiàn)場對施工井進(jìn)行試擠求吸水指數(shù)，根據(jù)不同的吸水指數(shù)情況，確定最終施工堵劑用量及添加劑量。當(dāng)壓力15 MPa下每分鐘地層吸水量0.1～0.3 m3時(shí)，采用原堵劑配方；當(dāng)壓力15 MPa下每分鐘地層吸水量小于0.1 m3減少網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形成劑1%～1.5%；當(dāng)壓力15 MPa下每分鐘地層吸水量大于0.3 m3增加網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形成劑1%～2%，并添加架橋劑3%～5%。

表3 段塞設(shè)計(jì)

5 現(xiàn)場應(yīng)用

5.1 現(xiàn)場應(yīng)用情況

文23 儲氣庫46 口封堵井均已完工，其中封堵44口井均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，其余2口井由于井況復(fù)雜未實(shí)施封堵措施，見表4。

5.2 封堵效果評價(jià)

文23 儲氣庫所有封堵井的擠堵作業(yè)及注灰塞作業(yè)均試壓15 MPa，穩(wěn)壓30 min，均無壓降，滿足儲氣庫標(biāo)準(zhǔn)的封堵技術(shù)要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證層內(nèi)擠堵效果，隨機(jī)選9 口井進(jìn)行了鉆塞試壓，試壓15 MPa，穩(wěn)壓30 min，均無壓降，證明堵劑對氣層封堵效果良好，見表5。

表4 封堵施工情況

6 結(jié)論

1）根據(jù)文23 儲氣庫老井及地層特點(diǎn)，確立“強(qiáng)化地層封堵，兼顧井筒封竄，實(shí)時(shí)壓力監(jiān)控”的整體封堵原則，滿足文23儲氣庫復(fù)雜井況條件下封堵施工要求。

表5 老井封堵鉆塞試壓統(tǒng)計(jì)

2）創(chuàng)新研發(fā)一套適合于不同物性氣層的耐高溫緩膨氣密封堵體系，實(shí)現(xiàn)高溫、長井段的長期密封。體系耐溫120℃，稠化時(shí)間4～9 h可控，初始稠度＜30 Bc、氣密封強(qiáng)度＞15 MPa，進(jìn)入深度可調(diào)。

3）創(chuàng)建多段塞動(dòng)態(tài)注入封堵工藝，制定初始嘗試、高滲橋堵、低滲填充、均衡進(jìn)入等四個(gè)階段的不同段塞評判方法，滿足各種滲透率層位的封堵施工要求。

4）通過文23 儲氣庫老井封堵工程現(xiàn)場實(shí)踐，形成了枯竭氣藏老井封堵工藝，為國內(nèi)外同類儲氣庫建設(shè)提供了技術(shù)借鑒。