FlexSTONE彈性水泥在地下儲(chǔ)氣庫中的研究與應(yīng)用

侯攀 高婭 朱忠喜

（1.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國石油天然氣集團(tuán)公司鉆井工程防漏堵漏技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

FlexSTONE彈性水泥在地下儲(chǔ)氣庫中的研究與應(yīng)用

侯攀1高婭2朱忠喜2

（1.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國石油天然氣集團(tuán)公司鉆井工程防漏堵漏技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

為提高地下儲(chǔ)氣庫井固井質(zhì)量，延長儲(chǔ)氣庫井使用壽命，研究了水泥環(huán)完整性對固井質(zhì)量的影響?；趦?chǔ)氣庫井的特點(diǎn)，將常規(guī)水泥與FlexSTONE彈性水泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，認(rèn)為彈性水泥固井能滿足溫度、壓力交變作用的要求。將FlexSTONE彈性水泥在呼圖壁儲(chǔ)氣庫應(yīng)用，HUK25井尾管實(shí)踐結(jié)果表明，使用彈性水泥固井，水泥充填狀況好，一、二界面膠結(jié)好。

儲(chǔ)氣庫 水泥環(huán)完整性 常規(guī)水泥 FlexSTONE彈性水泥

0 引言

地下儲(chǔ)氣庫是將管道輸送來的天然氣重新注入可以保存氣體的空間而形成的一種人工氣田或氣藏［1］。周期性強(qiáng)注強(qiáng)采是儲(chǔ)氣庫的一大特點(diǎn)。儲(chǔ)氣庫井的壽命與固井質(zhì)量密切相關(guān)，因此儲(chǔ)氣庫井對固井質(zhì)量要求較高。在固井質(zhì)量指標(biāo)中，最重要的是水泥環(huán)的固結(jié)質(zhì)量［2］，即水泥—套管壁和水泥—井壁巖石兩個(gè)膠結(jié)界面都有良好的有效封隔，能承受住水泥的剪切膠結(jié)力和水泥的膠結(jié)力。對于后期注采的儲(chǔ)氣庫井而言需考慮環(huán)空水泥石的完整性和減少注采交變應(yīng)力對水泥石的破壞［3-4］。為保證儲(chǔ)氣庫套管密封和固井質(zhì)量30a以上的安全壽命，對儲(chǔ)氣庫地層—水泥環(huán)—套管系統(tǒng)研究具有重要意義。

1 水泥環(huán)的完整性分析

1.1 水泥環(huán)的完整性概述

水泥環(huán)的完整性包括水泥石完整性和界面膠結(jié)完整性。兩個(gè)界面膠結(jié)質(zhì)量不好會(huì)導(dǎo)致水泥環(huán)完整性差。水泥石力學(xué)失效，主要有以下幾個(gè)原因：①水泥石的形變能力。井下情況反復(fù)變化，如多次注采導(dǎo)致井下壓力多變，水泥環(huán)因自身形變能力不足，水泥環(huán)的整體性很容易遭到破壞。②水泥石的脆性特性。在后期施工開采過程中，水泥石自身硬脆性將會(huì)致使水泥石力學(xué)性能失效，從而影響其封隔能力。③水泥石的內(nèi)部因素。硬化后的水泥石含有一些未水化的水泥顆?；蛘呖紫?，這些內(nèi)部缺陷在射孔完井時(shí)應(yīng)力集中，導(dǎo)致水泥石破裂。其中，水泥石的硬脆性是水泥環(huán)的完整性遭到破壞的主要原因。因此，改善油井水泥性能，增加水泥石的柔性形變能力［5］，對延長儲(chǔ)氣庫井的壽命有著重要的意義。

1.2 儲(chǔ)氣庫注采分析

根據(jù)目前國內(nèi)石油行業(yè)人士對微裂縫的研究［6］，多數(shù)人認(rèn)為固完井或試井時(shí)引起的套管內(nèi)壓力變化會(huì)加劇裂縫擴(kuò)展。通過套管柱水泥環(huán)強(qiáng)度分析（圖1、圖2）可知：①注氣下的套管應(yīng)力明顯大于采氣下的套管應(yīng)力；②當(dāng)水泥環(huán)彈性模量達(dá)到某值前，套管應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)達(dá)到這個(gè)值，套管應(yīng)力基本不再變化；③注氣時(shí)地層膨脹且溫差大，水泥環(huán)受到壓應(yīng)力作用，隨著彈性模量的增大，水泥環(huán)開始受拉應(yīng)力并不斷增大，當(dāng)超過水泥環(huán)強(qiáng)度，水泥環(huán)斷裂形成裂縫，破壞水泥環(huán)的完整性。儲(chǔ)氣庫注氣時(shí)內(nèi)壓、溫差增大，采氣時(shí)內(nèi)壓降低、溫差減??；儲(chǔ)氣庫在這種反復(fù)注采氣情況下庫內(nèi)溫度和壓力不斷變化，這種變化使套管、水泥環(huán)受交變應(yīng)力，加劇裂縫產(chǎn)生，無法保證儲(chǔ)氣庫的正常運(yùn)作。

圖1 水泥環(huán)彈性模量—套管最大等效應(yīng)力曲線圖

圖2 水泥環(huán)軸向應(yīng)力—水泥環(huán)彈性模量曲線圖

2 FlexSTONE彈性水泥與常規(guī)水泥對比

2.1 常規(guī)水泥

常規(guī)水泥漿凝固后的水泥環(huán)是脆性材料，其抗沖擊能力、抗剪和抗拉性能差。經(jīng)過多次注采交變應(yīng)力，容易產(chǎn)生微間隙和微裂縫，降低了其形變能力、抗壓強(qiáng)度等。

2.2 FlexSTONE彈性水泥

為確保井筒在處于動(dòng)態(tài)應(yīng)力狀態(tài)下仍有長效的層間隔離，Schlumberger公司基于混凝土水泥漿技術(shù)，利用顆粒級(jí)配原理，優(yōu)化水泥及外摻料，推出FlexSTONE固井體系［7］。FlexSTONE彈性水泥是Sch?lumberger公司為防止產(chǎn)生微間隙，配合彈性顆粒及膨脹劑，開發(fā)出的一種新型柔性水泥漿。其韌性強(qiáng)、無收縮、滲透率低、楊氏模量可降至1380 MPa，線性膨脹多達(dá)3%。

2.3 實(shí)驗(yàn)對比

1）溫度由95℃降至80℃，非致密砂巖，注氣壓力由14MPa升至32MPa，G級(jí)水泥環(huán)（圖3）承受的最大壓應(yīng)力為25.1MPa，最大拉應(yīng)力為7.15MPa，當(dāng)注氣壓力升至16.8MPa時(shí)水泥環(huán)因拉力破裂。

2）溫度由95℃降至80℃，非致密砂巖，注氣壓力由14MPa升至32MPa，F(xiàn)lexSTONE彈性水泥環(huán)（圖4）承受的最大壓應(yīng)力為15.1MPa，最大拉應(yīng)力為4.08MPa。當(dāng)注氣壓力升至16.8MPa，水泥環(huán)不破裂。

圖3 G級(jí)水泥固井CemSTRESS應(yīng)力分析圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)對比，在溫度、壓力的交變作用下，普通水泥易破裂，彈性水泥不會(huì)破裂，選用彈性水泥固井能滿足溫度、壓力交變作用的要求。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 呼圖壁儲(chǔ)氣庫簡況

呼圖壁氣田位于準(zhǔn)噶爾盆地，主要形成于喜馬拉雅期，構(gòu)造較完整，為背斜構(gòu)造。呼圖壁儲(chǔ)氣庫縱向上有多套壓力系統(tǒng)，復(fù)雜層位多。其目的層紫泥泉子組，地層壓力系數(shù)低，易漏易堵，井眼穩(wěn)定性差，具有強(qiáng)—中等的水敏性、中等—強(qiáng)的鹽敏性、弱—中等的速敏性。

圖4 FlexSTONE彈性水泥固井CemSTRESS應(yīng)力分析圖

3.2 FlexSTONE彈性水泥的應(yīng)用

呼圖壁儲(chǔ)氣庫的地層有3個(gè)必封點(diǎn)，必須下入4層套管。儲(chǔ)氣庫井安全運(yùn)行時(shí)間長，第四次開鉆水泥環(huán)長期承受交變載荷的影響，且該封固段為目的層，封固質(zhì)量必須保證優(yōu)質(zhì)，所以對水泥環(huán)的長期膠結(jié)性能及水泥石的長期強(qiáng)度的要求高。而常規(guī)水泥石為脆性材料，抗拉強(qiáng)度低，水泥環(huán)易破碎。因此，尾管采用彈性水泥固井。

3.2.1 尾管水泥漿稠化曲線

尾管水泥漿稠化曲線如圖5所示。尾管采用彈性水泥固井，密度為1.80g／cm3，稠化時(shí)間為210 min，8h起強(qiáng)度，24h強(qiáng)度12.3MPa，實(shí)測楊氏模量為2000MPa。

圖5 177.8mm尾管水泥漿稠化曲線圖

3.2.2 尾管固井質(zhì)量測井綜合解釋

尾管固井質(zhì)量測井綜合解釋如表1所示。經(jīng)綜合判斷可知，該井全井水泥膠結(jié)合格、水泥填充合格。

表1 某井尾管固井情況表

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）儲(chǔ)氣庫用于天然氣調(diào)峰，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，對其水泥環(huán)的整體性、固井質(zhì)量的要求相對較高。

2）水泥石的硬脆性是在復(fù)雜多變的井下工況下致使封隔失效的主要原因。為此，賦予油井水泥柔性形變能力很有必要。

3）FlexSTONE彈性水泥中含有彈性顆粒和膨脹顆粒，能維持水泥環(huán)長期有效的層間封隔，能適應(yīng)常規(guī)水泥漿無法克服的多次注采交變應(yīng)力的影響。

4）目前，彈性水泥漿使用的緩凝劑有老化現(xiàn)象，會(huì)縮短稠化時(shí)間，容易造成施工過程的不確定因素。而且一旦混灰量大，緩凝劑量的確定有一定難度，不利于現(xiàn)場施工。

［1］Katz,D.L.&M.R.Tek.Overview on underground stor?age of natural gas［J］.SPE，1981.

［2］陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術(shù)［M］.東營：石油大學(xué)出版社，2006.

［3］趙常青，曾凡坤，劉世彬，等.相國寺儲(chǔ)氣庫注采井固井技術(shù)［J］.天然氣勘探與開發(fā)，2012（2）：65-69.

［4］陳平.鉆井與完井工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2005.

［5］楊衍云.聚合物柔性水泥漿體系的研究［D］.東營：中國石油大學(xué)（華東），2007.

［6］張丹，陳娟，張宏，等.枯竭油氣藏地下儲(chǔ)氣庫套管柱水泥環(huán)強(qiáng)度分析［J］.石油機(jī)械，2011（11）：35-39.

［7］李靜，趙煒.鉆井新技術(shù)的應(yīng)用（二）［J］.國外油田工程，2003（2）：37-38.

（編輯：李臻）

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2095-1132（2014）04-0025-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.04.007

修訂回稿日期：2014－07－14

侯攀（1982－），工程師，從事防漏堵漏及固完井技術(shù)方面的研究工作。E-mail：52169822@qq.com。