王 鵬，腰世哲

（中國石化天然氣榆濟(jì)管道分公司，山東 濟(jì)南250014）

天然氣地下儲(chǔ)氣庫是大型輸氣管網(wǎng)季節(jié)調(diào)峰與事故應(yīng)急的重要保障，不同于常規(guī)氣藏開發(fā)，儲(chǔ)氣庫注采井單井產(chǎn)能高、注采轉(zhuǎn)換頻繁，注采運(yùn)行中溫度、壓力變化較大，對(duì)井壁圍巖、水泥環(huán)、套管組成的密封系統(tǒng)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(huán)形空間凝固后，井壁圍巖、水泥環(huán)和套管膠結(jié)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(huán)、套管看作一個(gè)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(nèi)的水泥環(huán)應(yīng)力分解示意如圖2所示。從圖2可以看出，水泥環(huán)受力由初始應(yīng)力、井筒內(nèi)壓力、地層應(yīng)力及熱應(yīng)力疊合而成。井壁圍巖、水泥環(huán)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(zhuǎn)化為多層厚壁圓筒問題來求解［2］，計(jì)算得到圍巖、水泥環(huán)及套管的應(yīng)力、位移等巖石力學(xué)基本參數(shù)。水泥環(huán)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(huán)和套管統(tǒng)一應(yīng)用莫爾-庫倫強(qiáng)度理論作為失效判別準(zhǔn)則［4-5］，采用最大拉應(yīng)力理論評(píng)價(jià)水泥環(huán)抗拉強(qiáng)度。室內(nèi)試驗(yàn)得到水泥環(huán)抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量及泊松比等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用模型計(jì)算得出水泥環(huán)的切向應(yīng)力、等效應(yīng)力；當(dāng)切向應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，水泥環(huán)出現(xiàn)漲裂失效，當(dāng)?shù)刃?yīng)力大于抗壓強(qiáng)度時(shí)，水泥環(huán)遭受塑性損傷。

圖2 水泥環(huán)應(yīng)力分解示意

2 井筒完整性影響因素

2.1 試驗(yàn)裝置建立

為定量描述井下水泥環(huán)的密封完整性，基于應(yīng)力等效轉(zhuǎn)換理論，綜合地層壓力、井下溫度、井筒尺寸及內(nèi)壓力等影響因素，設(shè)計(jì)出一套注采井井筒水泥環(huán)完整性評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置。利用建立的水泥環(huán)應(yīng)力計(jì)算模型，計(jì)算得到注采井井筒全尺寸等效應(yīng)力和試驗(yàn)裝置模擬井筒等效應(yīng)力，使井筒水泥環(huán)等效應(yīng)力與模擬水泥環(huán)等效應(yīng)力相等［6-9］，從而將現(xiàn)場井筒工況轉(zhuǎn)化為設(shè)備上的模擬井筒工況?；诘葧r(shí)原理開展周期注采模擬試驗(yàn)，維持模擬井筒地層壓力，改變套管內(nèi)壓，模擬注采工況下水泥環(huán)受力，用試驗(yàn)裝置來模擬實(shí)際井筒工況，從而完成水泥環(huán)完整性評(píng)價(jià)。

2.2 周期注采對(duì)水泥環(huán)完整性影響

利用所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置開展水泥環(huán)周期性應(yīng)力加載、卸載試驗(yàn)，模擬文96儲(chǔ)氣庫在正常設(shè)計(jì)壓力差下的循環(huán)注采氣運(yùn)行。試驗(yàn)過程中向水泥環(huán)通氮?dú)怛?yàn)證其密封性能，30個(gè)周期后未出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象，水泥環(huán)本體及外觀無裂紋及裂縫，水泥環(huán)與套管之間膠結(jié)狀態(tài)良好。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在當(dāng)前注采運(yùn)行實(shí)際工況下，文96儲(chǔ)氣庫注采井以合理的生產(chǎn)壓力差注采30個(gè)周期，水泥環(huán)完整性未被破壞，能夠保障氣庫注采安全。

為進(jìn)一步探索水泥環(huán)內(nèi)部的孔隙微觀結(jié)構(gòu)及微裂縫分布狀況，選取完整性模擬試驗(yàn)前后的水泥環(huán)試樣進(jìn)行內(nèi)部微CT掃描，研究其內(nèi)在精細(xì)結(jié)構(gòu)變化。試驗(yàn)前后水泥環(huán)微CT掃描對(duì)比圖見圖3。

圖3 試驗(yàn)前后水泥環(huán)微CT掃描對(duì)比

從圖3可以看出：水泥環(huán)中未發(fā)現(xiàn)微裂縫或微裂紋，說明水泥環(huán)完整性未受到破壞，水泥環(huán)強(qiáng)度可滿足現(xiàn)場注采工況的需要；在較低的注采生產(chǎn)壓力差下，水泥環(huán)能經(jīng)受至少30個(gè)注采周期，可以實(shí)現(xiàn)井筒有效密封，保障氣庫注采安全。

2.3 生產(chǎn)壓力差對(duì)水泥環(huán)完整性影響

為了研究提高注采生產(chǎn)壓力差后水泥環(huán)的承壓能力，開展水泥環(huán)在各類生產(chǎn)壓力差下的等效試驗(yàn)。選取生產(chǎn)壓力差 5.0 MPa，15.0 MPa及25.0 MPa為試驗(yàn)條件，試驗(yàn)循環(huán)到水泥環(huán)破壞為止，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同生產(chǎn)壓力差下等效試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：保持地層壓力穩(wěn)定，隨著生產(chǎn)壓力差增大，水泥環(huán)可以達(dá)到的循環(huán)周期逐漸減少，即水泥環(huán)越容易受到應(yīng)力破壞。

仔細(xì)檢查試驗(yàn)破壞后的水泥環(huán)，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生了不可復(fù)原的變形，表面出現(xiàn)徑向裂紋，是水泥環(huán)遭到破壞的直觀表現(xiàn)，也是產(chǎn)生密封系統(tǒng)氣竄的根本原因。破壞后的水泥環(huán)外觀狀態(tài)如圖4所示。

2.4 水泥環(huán)承壓能力試驗(yàn)

維持水泥環(huán)所受地層壓力穩(wěn)定，穩(wěn)步增大井筒套管內(nèi)壓力，進(jìn)行水泥環(huán)抗壓強(qiáng)度測試，探索注采井水泥環(huán)可以經(jīng)受的最大生產(chǎn)壓力差，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖4 破壞后的水泥環(huán)外觀狀態(tài)

表2 承壓能力試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出：保持地層壓力不變，逐漸升高套管內(nèi)壓，當(dāng)套管內(nèi)壓上升至45.0 MPa時(shí)，生產(chǎn)壓力差為32.0 MPa，水泥環(huán)損壞失效。水泥環(huán)僅承受內(nèi)壓載荷時(shí)，承壓能力較強(qiáng)，若內(nèi)壓、地層壓力周期性變化，伴隨循環(huán)周期的增加，水泥環(huán)破壞的風(fēng)險(xiǎn)逐步增高。

3 提高井筒完整性的技術(shù)措施

3.1 改性材料優(yōu)選

目前，提高一、二界面膠結(jié)強(qiáng)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(zhì)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(chǔ)氣庫注采井實(shí)際情況，可采用膨脹水泥來提高界面膠結(jié)強(qiáng)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(jìn)行微膨脹水泥的性能評(píng)價(jià)。中原地區(qū)現(xiàn)場施工情況及試驗(yàn)表明，膨脹劑（PZJ）能較好地增強(qiáng)水泥石微膨脹特性，故選擇該膨脹劑進(jìn)行試驗(yàn)，測定套管與水泥石的膠結(jié)強(qiáng)度［10］，來評(píng)價(jià)膨脹劑性能和優(yōu)化膨脹劑加量。

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

表3 水泥石膨脹率與膠結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：不加PZJ時(shí)，文96儲(chǔ)氣庫固井水泥在養(yǎng)護(hù)后有微量收縮；在加入PZJ后均表現(xiàn)出不同程度的微膨脹現(xiàn)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(duì)提高水泥石的膠結(jié)強(qiáng)度有利，但當(dāng)加入過多時(shí)，會(huì)因膨脹造成過大的內(nèi)應(yīng)力，從而使水泥石的晶格破壞，膠結(jié)強(qiáng)度降低。從表3可以看出，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的PZJ后，水泥石的膠結(jié)強(qiáng)度最高。

3.2 最優(yōu)配方性能及水泥環(huán)完整性評(píng)價(jià)

結(jié)合前期研究成果，在優(yōu)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(píng)價(jià)。

優(yōu)化的水泥漿配方：（G級(jí)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，外加劑百分比為藥劑占水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。優(yōu)化的水泥漿性能參數(shù)見表4。最優(yōu)配方水泥漿常溫流變性測試結(jié)果見表5。

表4 優(yōu)化的水泥漿性能參數(shù)

表5 最優(yōu)配方水泥漿常溫流變性

試驗(yàn)結(jié)果顯示，所研究出的水泥漿各項(xiàng)性能均符合地下儲(chǔ)氣庫注采井尾管固井施工要求。

為了探討改性后的水泥環(huán)周期注采承壓能力，在生產(chǎn)壓力差為25.0 MPa時(shí)，進(jìn)行優(yōu)選配方水泥環(huán)試樣注采循環(huán)與破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：所選配方的水泥環(huán)力學(xué)性能改善明顯，塑性顯著提高，在地下儲(chǔ)氣庫的注采運(yùn)行中能夠保持組合體完整性，可為儲(chǔ)氣庫安全生產(chǎn)提供可靠保障。

4 結(jié)論與建議

（1）在詳細(xì)開展井壁圍巖、水泥環(huán)、套管組合體力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，建立了地下儲(chǔ)氣庫注采井水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)模型。

（2）通過注采載荷等效設(shè)計(jì)和時(shí)間等效設(shè)計(jì)，建立了井筒完整性等效物理試驗(yàn)裝置。

（3）文96儲(chǔ)氣庫注采井井筒密封完整性評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果顯示：現(xiàn)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(shí)際應(yīng)急、調(diào)峰運(yùn)行過程中，水泥環(huán)仍有破壞的可能。提高生產(chǎn)壓力差進(jìn)行周期循環(huán)試驗(yàn)證實(shí)，隨著循環(huán)壓力差增大，水泥環(huán)受到損壞的風(fēng)險(xiǎn)逐步升高。

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