長慶地下儲(chǔ)氣庫老井封堵工藝探討

李治，于曉明，汪熊熊，牛智民，李建剛，薛偉，吳學(xué)虎

（1.中國石油長慶油田分公司儲(chǔ)氣庫管理處，寧夏銀川750006；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安710018）

長慶地下儲(chǔ)氣庫老井封堵工藝探討

李治1，于曉明1，汪熊熊2，牛智民1，李建剛1，薛偉1，吳學(xué)虎1

（1.中國石油長慶油田分公司儲(chǔ)氣庫管理處，寧夏銀川750006；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安710018）

利用油氣藏改建地下儲(chǔ)氣庫是全球已建成儲(chǔ)氣庫中最常用、最簡單的形式，該類儲(chǔ)氣庫建設(shè)前需要解決的首要工程問題就是老井處理，國外儲(chǔ)氣庫建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明：一口老井不能妥善處理，就可能使得儲(chǔ)氣庫完整性破壞，導(dǎo)致庫址報(bào)廢。長慶地下儲(chǔ)氣庫屬于半枯竭氣藏改建地下儲(chǔ)氣庫，針對地下儲(chǔ)氣庫建設(shè)區(qū)老井?dāng)?shù)量多、服役時(shí)間長、井況復(fù)雜等基本現(xiàn)狀，通過對庫區(qū)老井鉆完井基礎(chǔ)資料和部分井檢測評價(jià)資料總結(jié)分析，按照在儲(chǔ)氣層、蓋層段、套管外水泥環(huán)和井筒內(nèi)建立多道密封屏障的思路，提出了“底板-儲(chǔ)層-蓋層”多級封堵的老井處理工藝，并選取了榆林南儲(chǔ)氣庫區(qū)典型老井開展現(xiàn)場封堵試驗(yàn)。施工過程采用逐級封堵、逐級試壓的過程控制措施確保了各級屏障的有效性，現(xiàn)場分級試壓和整體試壓全部滿足要求。實(shí)踐證明該工藝能夠滿足長慶儲(chǔ)氣庫老井處理的要求。

儲(chǔ)氣庫；老井；固井質(zhì)量；蓋層；封堵工藝；儲(chǔ)層擠封；套管鍛銑；逐級試壓

地下儲(chǔ)氣庫是用來解決天然氣工業(yè)季節(jié)性供需矛盾、應(yīng)急調(diào)峰和戰(zhàn)略儲(chǔ)備的主要手段，對于保障國家能源安全具有重要的意義。地下儲(chǔ)氣庫因地下構(gòu)造的不同，分為油氣藏型，含水層型、鹽穴型和礦坑型等。根據(jù)國際天然氣聯(lián)盟（IGU）統(tǒng)計(jì)，目前全球有36個(gè)國家和地區(qū)建設(shè)有630座地下儲(chǔ)氣庫，總的工作氣量為3 530×108m3/a，其中油氣藏型儲(chǔ)氣庫工作氣量占總工作氣量的83%。利用半枯竭油氣藏改建地下儲(chǔ)氣庫是最常用的方式［1］。

半枯竭油氣藏建庫需要解決的首要問題就是老井處理，庫區(qū)內(nèi)已存在的各類井（開發(fā)井、監(jiān)測井、注水井、廢棄井等）經(jīng)過多年服役，套管發(fā)生內(nèi)、外腐蝕，管壁變薄，管柱強(qiáng)度會(huì)不同程度降低；另外，由于原始固井質(zhì)量差或生產(chǎn)和措施作業(yè)破壞生產(chǎn)套管外水泥環(huán)，可能導(dǎo)致套管外竄層問題。老井在儲(chǔ)氣庫運(yùn)行期間的交變壓力作用下，可能會(huì)溝通這部分潛在的泄露通道，對儲(chǔ)氣庫的長期密封性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。所以，建庫時(shí)必須對影響儲(chǔ)氣庫安全的老井實(shí)施可靠的封堵。

1　老井對儲(chǔ)氣庫安全影響分析

1.1儲(chǔ)氣庫運(yùn)行特點(diǎn)

儲(chǔ)氣庫與氣田開發(fā)存在很大差異，氣田開發(fā)以穩(wěn)產(chǎn)和提高采收率為目標(biāo)，開采周期長達(dá)10年或更長，而儲(chǔ)氣庫的運(yùn)行特點(diǎn)是短期內(nèi)強(qiáng)注強(qiáng)采，周期性運(yùn)行，一般以一年為一個(gè)注采周期。注采周期包括采氣期和注氣期，采氣周期（3～4個(gè)月）內(nèi)把氣庫中的有效工作氣全部采出，注氣周期（6～7個(gè)月）內(nèi)將儲(chǔ)氣庫注到滿庫容。儲(chǔ)氣庫短期強(qiáng)注強(qiáng)采，周期運(yùn)行的工況，對老井固井質(zhì)量及儲(chǔ)氣庫密封性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1.2老井對儲(chǔ)氣庫的影響

國外建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明：一口井處理不好，就可以報(bào)廢一座儲(chǔ)氣庫。老井封堵是保證油氣藏型儲(chǔ)氣庫密封完整性的關(guān)鍵，必須妥善處置所有老井后才能正式建庫。據(jù)2009年英國地質(zhì)勘察局統(tǒng)計(jì)全世界發(fā)生的儲(chǔ)氣庫安全事故有100多起，其中超過27起儲(chǔ)氣庫事故與蓋層的完整性相關(guān)，有超過60起的儲(chǔ)氣庫事故與井筒完整性相關(guān)。

圖1　儲(chǔ)氣庫與常規(guī)氣田開發(fā)氣藏壓力變化示意圖

2　儲(chǔ)氣庫老井與常規(guī)氣井封堵的差異

儲(chǔ)氣庫老井與常規(guī)氣井在封堵目的上存在差異，儲(chǔ)氣庫老井封堵的目的是確保儲(chǔ)氣庫密封完整性目的的差異，而常規(guī)氣田廢棄井一般是地層壓力衰竭或沒有工業(yè)產(chǎn)能的井，封堵的目的是保護(hù)淡水層污染。

表1　儲(chǔ)氣庫老井與常規(guī)氣田廢棄井封堵目的差異

善者封堵目的的差異使得其封堵方式和要求也存在差異。對于儲(chǔ)氣層段的處理，常規(guī)氣井通常在儲(chǔ)層段井筒填砂，然后在上部打水泥塞封堵［2-3］；儲(chǔ)氣庫老井采用特殊堵劑擠入儲(chǔ)氣層，從源頭上切斷儲(chǔ)氣庫流體進(jìn)入井筒及上竄的通道，儲(chǔ)氣庫老井還非常重視對套管外及蓋層段的密封處理。對于井口的處理，常規(guī)氣井封堵后，一般在井筒靠近地面的位置打懸空水泥塞，然后將地表以下1 m～2 m的套管切除，地表恢復(fù)；儲(chǔ)氣庫老井封堵后，要安裝井口及壓力表，儲(chǔ)氣庫運(yùn)行過程中要定期監(jiān)測井口帶壓情況。

3　長慶儲(chǔ)氣庫老井特征及封堵工藝

3.1長慶儲(chǔ)氣庫老井特征

2010年以來，長慶油田先后針對靖邊氣田陜45區(qū)塊，榆林氣田南區(qū)、蘇203區(qū)塊，陜224井區(qū)等4個(gè)儲(chǔ)氣庫建設(shè)目標(biāo)區(qū)開展了儲(chǔ)氣庫前期評價(jià)及試驗(yàn)。通過對建庫目標(biāo)區(qū)的260口老井資料普查分析，將老井分為五大類：

（1）鉆至目的層，未下生產(chǎn)套管的廢棄井；（2）生產(chǎn)套管固井后，未射孔的廢棄井；（3）射孔層位為“儲(chǔ)氣目的層”或“目的層+下部層位”的氣井；（4）射孔層位為“目的層+上部層位”或“目的層+上、下部層位”的氣井；（5）未射開“儲(chǔ)氣目的層”的氣井。

3.2老井封堵工藝

針對長慶地下儲(chǔ)氣庫建設(shè)區(qū)老井井況，提出了“儲(chǔ)層擠封，多級封堵、逐級試壓、帶壓候凝”的儲(chǔ)氣庫老井封堵工藝。

儲(chǔ)氣層底部滲透性地層及隔層封堵，采用井筒水泥塞或套管射孔管外擠水泥來確保該井段套管內(nèi)外水泥填充質(zhì)量及密封性。儲(chǔ)氣層采用超細(xì)水泥擠封井筒周圍儲(chǔ)層，確保儲(chǔ)層封堵半徑的有效密封性；儲(chǔ)氣層蓋層段封堵，采用套管水泥塞或套管鍛銑井筒水泥塞封堵，切斷流體上竄的通道［3-4］。

圖2　老井封堵工藝示意圖

3.3儲(chǔ)層擠注工藝

常見的儲(chǔ)層擠注工藝有兩種：循環(huán)擠注法和插管橋塞擠注法。對于上部無射孔段和套管完整的井，可以采用循環(huán)擠注法封堵儲(chǔ)層。對于儲(chǔ)氣層上部井段存在射孔層位、套漏以及儲(chǔ)氣層跨度較大的井，采用插管式橋塞擠注工藝［5］。

插管橋塞擠注：將插管式橋塞坐封在封堵層位的上部，將下端帶插管的油管插入橋塞，對下部的目的層進(jìn)行擠注。該方法可實(shí)現(xiàn)帶壓侯凝，有效防止堵劑返吐，提高封堵質(zhì)量。

循環(huán)擠注法：將油管下到封堵層位的底界，將堵劑循環(huán)到設(shè)計(jì)位置，然后上提管柱，洗井后，加壓使堵劑進(jìn)入目的層的施工工藝。該工藝可實(shí)現(xiàn)帶壓侯凝，防止堵劑反吐，提高封堵質(zhì)量，但對堵劑的安全性能要求高。

4　工程實(shí)例

本文以榆林南儲(chǔ)氣庫建設(shè)區(qū)榆x封堵試驗(yàn)井為例。榆林南儲(chǔ)氣庫目的層為上古生界善疊系山西組山2層位。

4.1榆x井基本情況

該井采用Φ346 mm×Φ273 mm+Φ241 mm× Φ177.8 mm善開井身結(jié)構(gòu)。Φ273.05 mm表層套管下至井深491.02 m，Φ177.80 mm生產(chǎn)套管下至井深3 121.89 m。該井生產(chǎn)套管從氣層段至井底（石盒子組2 812 m至井底3 090 m）固井質(zhì)量為膠結(jié)不好或中等。

該井綜合解釋古生界含氣顯示共5層，總厚度14.2 m。其中，山西組微含氣1層；太原組含氣層2層；馬家溝組氣層1層，含氣層1層。射孔井段3 028 m～3 032 m（見表2和圖3）。

表2　榆x井縱向解釋含氣層系

圖3　榆x井縱向解釋含氣層系示意圖

4.2封堵工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對榆x井套管固井質(zhì)量和地層縱向含氣解釋情況，設(shè)計(jì)以下封堵處理方案：

（1）射孔層位采用超細(xì)水泥擠注封堵；（2）太原組儲(chǔ)層段射孔，擠注超細(xì)水泥封堵儲(chǔ)層；（3）山西組儲(chǔ)層段射孔，采用超細(xì)水泥擠注封堵儲(chǔ)層；（4）山西組蓋層處套管鍛銑30 m，采用普通G級純水泥封堵；（5）采用G級水泥在井筒內(nèi)打連續(xù)水泥塞至儲(chǔ)氣層頂界以上300 m；（6）上部空套管內(nèi)注入套管保護(hù)液；（7）安裝井口和壓力表完井。

4.3封堵水泥漿設(shè)計(jì)

榆x井儲(chǔ)氣層山2段孔隙度4.46%，滲透率0.16× 10-3μm2。依據(jù)區(qū)域地質(zhì)與氣藏工程資料，山2儲(chǔ)層孔喉直徑分布0.89 μm～8.67 μm，平均4.38 μm。其中，分布在2 μm～5 μm的孔喉直徑占46%。為了確保儲(chǔ)氣層儲(chǔ)層擠封半徑，設(shè)計(jì)采用超細(xì)水泥漿體系［6］，要求：

（1）水泥超細(xì)水泥漿體系平均粒徑3.5 μm；（2）水泥石24 h～48 h抗壓強(qiáng)度≥14 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度≥30 MPa；（3）水泥漿失水量≤50 mL（高壓濾紙）；（4）水泥漿的稠化時(shí)間滿足施工要求，原則要求大于施工時(shí)間2 h～3 h；（5）水泥石滲透率小于0.05×10-3μm2。

4.4封堵施工過程及質(zhì)量分析

封堵前對射孔段以上套管試壓25 MPa合格，所以該井儲(chǔ)層擠注封堵采用循環(huán)法。封堵處理過程如下：

4.4.1封堵井底-馬五井段采用正循環(huán)注入密度1.70 g/cm3的超細(xì)水泥3.0 m3，循環(huán)至射孔段3 028 m～3 032 m，施工過程替出混漿150 L，反擠壓井液600 L，帶壓候凝。施工結(jié)束后探塞頂2 976.5 m，井筒試壓25 MPa，30 min壓降0.1 MPa，試壓合格。該級封堵水泥塞段2 976.5 m～3 102 m。

4.4.2擠封太原組對與山西組山2氣層下部相鄰的太原組含氣井段射孔10 m（2 935 m～2 965 m井段），采用正循環(huán)注入密度1.72 g/cm3的超細(xì)水泥2.8 m3，施工過程替出混漿300 L，反擠壓井液，泵壓達(dá)到20 MPa，反復(fù)多次擠壓井液0.96 m3，蹩壓停泵關(guān)井帶壓候凝。施工結(jié)束后探灰面深度2 887.1 m。井筒試壓25 MPa，無明顯壓降，試壓合格。

為了不影響山西組山2儲(chǔ)層封堵施工，對超出設(shè)計(jì)高度的水泥塞頂鉆塞，鉆塞井段2 887.1 m～2 912 m。該級封堵水泥塞段2 912 m～2 976.5 m。

4.4.3擠封儲(chǔ)氣庫目的層山2對與山西組山2井段射孔12 m（2 891 m～2 903 m井段），采用正循環(huán)注入密度1.72 g/cm3的超細(xì)水泥3.4 m3，施工過程中替出混漿1.5 m3，反擠壓井液500 L，泵壓20 MPa，蹩壓停泵關(guān)井帶壓候凝。施工結(jié)束后探灰面深度2 831.6 m。井筒試壓25 MPa，無明顯壓降，試壓合格。

為了不影響山西組蓋層段封堵施工，對超出設(shè)計(jì)高度的水泥塞頂鉆塞，鉆塞井段2 831.6 m～2 859.6 m。該級封堵水泥塞段2 859.6 m～2 912 m。

4.4.4封堵山西組蓋層段對山西組蓋層段（2 810 m～2 840 m）套管鍛銑30 m，并擴(kuò)眼至原井眼。采用正循環(huán)注入密度1.85 g/cm3的常規(guī)水泥漿3.2 m3，替出混漿0.4 m3，反擠壓井液750 L，泵壓20 MPa，蹩壓停泵關(guān)井帶壓候凝。施工結(jié)束后探灰面深度2 751 m。井筒試壓25 MPa，無明顯壓降，試壓合格。該級封堵水泥塞段2 751 m～2 859.6 m。

4.4.5井筒打連續(xù)水泥塞采用正循環(huán)注入密度1.85 g/cm3的常規(guī)水泥漿14 m3，頂替液0.6 m3，上提管柱至2 082 m，反循環(huán)洗井，洗出混漿0.4 m3，繼續(xù)上提4根油管，關(guān)井候凝。探灰面深度2 082 m。井筒試壓25 MPa合格。該級封堵水泥塞段2 082 m～2 751 m，水泥塞高度超過蓋層以上300 m。

4.4.6完井上部空套管內(nèi)注滿UGI-2保護(hù)液。安裝KQ65-70井口及10 MPa壓力表。

5　認(rèn)識與結(jié)論

（1）儲(chǔ)層擠注封堵可以從源頭上切斷流體泄漏的通道，是儲(chǔ)氣庫老井封堵的關(guān)鍵步驟。

（2）采用超細(xì)水泥配套帶壓候凝工藝，可以實(shí)現(xiàn)封堵儲(chǔ)層的目的。

（3）“逐級封堵，逐級試壓檢測”的過程控制工藝，保障了老井封堵的施工質(zhì)量。

［1］王希勇，熊繼有，袁宗明，等.國內(nèi)外天然氣地下儲(chǔ)氣庫現(xiàn)狀調(diào)研［J］.天然氣勘探開發(fā)，2004，27（1）：49-51.

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［5］劉寶和.中國石油勘探開發(fā)百科全書-工程卷［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008：11.

［6］陳淵，陳旭.納米堵劑在油田超深疑難井封堵上的應(yīng)用研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2007，35（6）：85-88.

The discussion of Changqing underground gas storage well plugging technology

LI Zhi1，YU Xiaoming1，WANG Xiongxiong2，NIU Zhimin1，LI Jiangang1，XUE Wei1，WU Xuehu1
（1.Underground Gas Shorage Management Office，Changqing Oilfield Company，Yinchuan Ningxia 750006，China；2.Oil&Gas Technology Research Institute，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710018，China）

The world already built gas storage mostly uses the oil and gas reservoir.It is the most simple and commonly used form.Before the gas storage construction，it need to address the primary engineering problem is the old well treatment，foreign gas storage construction experience shows that，a wells cannot be processed properly，it may make the reservoir's integrity damaged，lead the gas storage reservior end-of-life.Changqing underground gas storage is rebuilt from depleted gas reservoirs.There are a large number of old wells in gas reservoir.Based on the long service time，complex well conditions and other basic situation，through analyzed the well drilling and completion information and part of well testing evaluation data，according to thought of establishing multiple sealing barrier between the reservoir，cap rock，cement sheath and the wellbore，F(xiàn)orm the"bottom-reservoir-cap layer"multistageplugging well treatment process.A typical well of the southern Yulin gas field was selected to develop plugging test.The construction process uses step by step pressure test quality controlling measures to ensure that the barrier levels effectiveness.The stage pressure test and overall pressure test all meet the requirements.The practice proved that the technology can meet the processing requirements of Changqing gas storage well.

gas storage；well；cementing quality；cover layer；plugging；reservoir extrusion sealing；sleeve forging milling；step by step pressure test

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.014

TE822

A

1673-5285（2015）02-0052-04

2014－12-30