永21儲(chǔ)氣庫(kù)防氣竄水泥漿體系研究

侯業(yè)貴，戴榮東，于少卿，王健，陳麗媛，王鍇

中國(guó)石化勝利油田分公司 石油工程技術(shù)研究院（山東 東營(yíng) 257000）

近年來(lái)，隨著我國(guó)天然氣消費(fèi)量的持續(xù)攀升和局部地區(qū)天然氣季節(jié)性供需矛盾的不斷加劇，我國(guó)十分重視以地下儲(chǔ)氣庫(kù)為代表的調(diào)峰設(shè)施建設(shè)，中國(guó)石化勝利油田也計(jì)劃在永21區(qū)塊建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)。然而，儲(chǔ)氣庫(kù)井具有吞吐量大、強(qiáng)注強(qiáng)采、使用周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，在工作時(shí)井筒要反復(fù)承受注采氣過(guò)程中所產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用和相應(yīng)溫度的變化，工程條件十分苛刻，對(duì)保障固井質(zhì)量及油井水泥環(huán)的封固可靠性帶來(lái)困難[1-2]。如果固井后環(huán)空氣竄會(huì)造成水泥漿膠結(jié)質(zhì)量不好，發(fā)生地層氣體進(jìn)入井筒，在水泥與套管、水泥與井壁之間形成竄槽，使各層間相互竄通，有時(shí)甚至竄入井口，造成儲(chǔ)氣庫(kù)不能正常注采，產(chǎn)生巨大的安全隱患[3-5]。

1 環(huán)空氣竄產(chǎn)生機(jī)理分析

一般認(rèn)為環(huán)空氣竄有以下3個(gè)途徑：水泥或套管間的第一界面、水泥或地層間的第二界面和水泥本體內(nèi)部[6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)環(huán)空氣竄進(jìn)行了大量研究，逐漸形成了以下4種氣竄理論。

1）“橋堵失重”理論。水泥漿在高滲透率地層快速失水，水泥漿迅速變得濃稠和致密，容易形成橋堵。另外高速?zèng)_蝕下來(lái)的巖塊和水泥顆粒下沉，也可能在環(huán)空間隙較小處形成橋堵。下部水泥漿水化及失水引起體積收縮后，因?yàn)闃蚨轮率顾酀{靜壓傳遞受阻，作用在下部地層的液柱壓力小于地層壓力將導(dǎo)致環(huán)空氣竄發(fā)生[7]。

2）“膠凝失重”理論。水泥漿水化體積收縮及失水引起體積收縮后，水泥漿中的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)會(huì)使一部分水泥漿懸掛在井壁和套管上，上部靜液柱壓力不能有效地向下傳遞，從而導(dǎo)致膠凝失重。當(dāng)下部液柱壓力與水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展引起的氣侵阻力之和小于地層壓力時(shí)，將會(huì)發(fā)生環(huán)空氣竄[8]。

3）“界面膠結(jié)”理論。在固井過(guò)程中，泥餅沖洗不徹底和水泥漿頂替效率低，會(huì)導(dǎo)致水泥環(huán)與套管、水泥環(huán)與地層膠結(jié)質(zhì)量差而引起環(huán)空氣竄[9]。

4）“微裂縫-微環(huán)隙”理論。微裂縫是指水泥環(huán)內(nèi)部或水泥環(huán)與地層之間產(chǎn)生的微小通道，而微環(huán)隙是指水泥環(huán)與套管之間因膠結(jié)質(zhì)量不好產(chǎn)生的環(huán)形裂隙。該理論認(rèn)為微裂縫-微環(huán)隙形成的主要原因是水泥漿自身性能和井筒條件影響，即包括水泥漿失水引起的體積收縮、初凝階段自由水的凝聚、泥餅存在導(dǎo)致頂替效率差、井筒溫度及壓力對(duì)水泥環(huán)的影響[10]。

通過(guò)分析以上氣竄機(jī)理，可以明確氣竄主要發(fā)生在兩個(gè)階段：固井注水泥階段與水泥漿候凝階段。注水泥階段一般要求注水泥過(guò)程中井筒內(nèi)壓力穩(wěn)定，而在水泥漿候凝階段則要求水泥強(qiáng)度發(fā)展迅速，水泥漿與地層、套管間的膠結(jié)強(qiáng)度良好。如果水泥環(huán)密封性出現(xiàn)問(wèn)題，水泥環(huán)封固失效將會(huì)造成氣竄發(fā)生[11]。

因此為了確保注水泥期間壓穩(wěn)油氣層和固井一、二界面的膠結(jié)質(zhì)量，良好的固井頂替效率和注水泥時(shí)環(huán)空漿柱密度及環(huán)空ECD的精確控制是永21儲(chǔ)氣庫(kù)環(huán)空密封完整性的基礎(chǔ)保障。為了提高候凝階段防竄能力，則需重點(diǎn)進(jìn)行防氣竄劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[6，9]。

2 聚合物膠乳防氣竄劑研究

水泥漿水化過(guò)程中自身失重特性是引發(fā)氣竄的根本原因，“P地≥P環(huán)+P阻”是形成氣竄的前提條件，一旦氣層壓力P地大于環(huán)空靜液柱壓力（P環(huán)）與氣層流體在環(huán)空中流動(dòng)阻力（P阻）之和就會(huì)形成環(huán)空氣竄的潛在危險(xiǎn)。因此，防氣竄水泥漿體系的重點(diǎn)是如何提高氣體在環(huán)空中的遷移阻力。膠乳是一種性能優(yōu)良的防氣竄外加劑，其作用機(jī)理為：利用化學(xué)交聯(lián)劑的交聯(lián)反應(yīng)或網(wǎng)狀成膜效應(yīng)形成不滲透膜，減少水泥漿體系的失水量，增加氣體在水泥漿中的侵入和運(yùn)移阻力[3，8，12]。

2.1 聚合物膠乳防氣竄劑研制

在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，研究形成了一種新型的JR-1聚合物膠乳防氣竄劑，其成膜和顆粒級(jí)配如圖1和圖2所示。

圖1 JR-1聚合物膠乳成膜示意圖

圖2 JR-1聚合物膠乳微球顆粒級(jí)配示意圖

如圖1和圖2所示，JR-1聚合物膠乳防氣竄劑一方面能夠在水泥石的內(nèi)部形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)水泥石的致密性，且聚合物膠乳的分子鏈中帶有大量的親水基團(tuán)，從而可以降低水泥漿的失水量；另一方面，聚合物彈性微球還可以通過(guò)顆粒級(jí)配作用填充水泥石內(nèi)部的孔隙裂縫，從而減少氣體的竄流通道。通過(guò)以上作用可以增加氣體擴(kuò)散時(shí)的阻力，減少了氣體竄流的通道，達(dá)到防氣竄的目的。

2.2 聚合物膠乳防氣竄劑性能測(cè)試

采用水泥漿性能系數(shù)法（SPN）進(jìn)行環(huán)空水泥漿防竄性能評(píng)價(jià)。通過(guò)水泥漿性能系數(shù)法分析，氣竄發(fā)生的原因是水泥漿候凝過(guò)程中靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展緩慢，而失重較快。失水是影響失重的重要因素，也是水泥漿孔隙壓力下降的主要原因。為此，水泥漿孔隙壓力下降速率的大小可用水泥漿濾失速率來(lái)描述；靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律可通過(guò)水泥漿稠度變化來(lái)體現(xiàn)，稠化過(guò)渡時(shí)間越短，靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展越快，滲透率降低越迅速[7，13-14]。因此，將水泥漿濾失速率和水泥漿稠化過(guò)渡時(shí)間綜合考慮為水泥漿性能系數(shù)法，其表達(dá)式為：

式中：SPN為水泥漿性能系數(shù)；FLAPI為水泥漿API失水量，mL/（30min）；t100BC為水泥漿稠度達(dá)到100 BC所需時(shí)間，min；t30BC為水泥漿稠度達(dá)到30BC所需時(shí)間，min。

水泥漿API失水量越低、稠化過(guò)渡時(shí)間越短，在稠化時(shí)間內(nèi)氣侵阻力變化越大，防氣竄能力越強(qiáng)。水泥漿性能系數(shù)法綜合考慮了水泥漿稠化過(guò)渡時(shí)間和失水速率以反映失重和靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展變化。SPN值越小，水泥漿的防氣竄能力越強(qiáng)[15]。

本實(shí)驗(yàn)選擇的水泥漿基礎(chǔ)配方為：800 g G級(jí)水泥+0.3%分散劑+1.0%降失水劑。水灰比為0.44，實(shí)驗(yàn)溫度75℃?？瞻姿酀{的性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 空白水泥漿性能測(cè)試結(jié)果

在空白水泥漿的基礎(chǔ)上，分別加入不同量的JR-1聚合物膠乳防氣竄劑。每個(gè)平行實(shí)驗(yàn)均測(cè)定3次，并取平均值作為最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)JR-1的加量達(dá)到7%時(shí)，水泥漿的SPN值最低為2.71，SPN降低率達(dá)到了83.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水泥漿性能測(cè)試結(jié)果

3 永21儲(chǔ)氣庫(kù)防氣竄水泥漿體系

在形成防氣竄劑的基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)展水泥漿綜合性能和水泥石力學(xué)性能評(píng)價(jià)綜合實(shí)驗(yàn)，對(duì)高強(qiáng)增韌劑、緩凝劑、分散劑、降失水劑等外加劑及其加量進(jìn)行了優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，最終形成了永21儲(chǔ)氣庫(kù)防氣竄水泥漿體系配方：G級(jí)水泥+0.5%分散劑+1.2%降失水劑+0.3%緩凝劑+7%防氣竄劑+6%晶須增韌劑+5%膨脹劑，水灰比0.44。75℃測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研制的防氣竄水泥漿體系具有優(yōu)良的防氣竄能力，能夠提高環(huán)空水泥環(huán)的強(qiáng)度和韌性，降低環(huán)空水泥環(huán)和井筒受射孔等集中應(yīng)力影響，增加環(huán)空水泥環(huán)和井筒抵抗交變載荷、非均布外載的能力，延長(zhǎng)永21儲(chǔ)氣庫(kù)水泥環(huán)使用壽命。形成的防竄水泥漿體系在勝利油田永21鄰近區(qū)塊應(yīng)用3口井，固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)率100%，證明該水泥漿體系能夠有效提高固井質(zhì)量。

表3 永21儲(chǔ)氣庫(kù)水泥漿性能測(cè)試結(jié)果

4 防氣竄水泥漿作用機(jī)理研究

為進(jìn)一步探討JR-1膠乳提高水泥漿防氣竄性能的作用機(jī)理，利用掃描電子顯微鏡觀察分析了JR-1膠乳水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，并分析、解釋了JR-1膠乳的作用機(jī)理。JR-1膠乳水泥石的微觀結(jié)構(gòu)表征如圖3所示。

圖3中的SEM圖顯示，空白水泥石表面粗糙不平，有明顯的孔隙結(jié)構(gòu)存在，且孔徑大小不一，同時(shí)可觀察到大量的結(jié)晶和凝膠水泥水化產(chǎn)物。但加入JR-1膠乳的水泥石表面較為光滑，表面有一層明顯的膜狀物質(zhì)覆蓋，同時(shí)也有少許的顆粒狀物質(zhì)聚集，水泥水化產(chǎn)物外觀形貌不易觀察，且水泥石的孔隙數(shù)目以及尺寸也有明顯的減小。這是由于一方面膠乳與水化產(chǎn)物交聯(lián)在一起，形成了一種膜狀的結(jié)構(gòu)，膜質(zhì)覆蓋包裹水化產(chǎn)物或堵塞水泥石內(nèi)部孔隙，增強(qiáng)了水泥石的致密性；另一方面，薄膜物質(zhì)的覆蓋、包裹和堵塞作用，減小了水泥石內(nèi)部孔隙間的連通性，減少了氣體竄流的通道，從而可有效防止氣體在孔隙溶液中的遷移，提高了水泥石的防氣竄性能。

圖3 水泥石的微觀結(jié)構(gòu)表征

5 認(rèn)識(shí)和建議

1）為了提高儲(chǔ)氣庫(kù)水泥漿的防氣竄能力，關(guān)鍵是提高水泥漿候凝階段防氣竄能力，防氣竄劑的研究設(shè)計(jì)是儲(chǔ)氣庫(kù)固井的重點(diǎn)。

2）水泥漿性能系數(shù)法綜合考慮了水泥漿稠化過(guò)渡時(shí)間和失水速率以反映失重和靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展變化，能夠有效評(píng)價(jià)水泥漿的防氣竄能力。

3）本文研究形成了一種新型的JR-1聚合物膠乳防氣竄劑，掃描電鏡分析該處理劑可以增加氣體擴(kuò)散時(shí)的阻力，減少了氣體竄流的通道，達(dá)到防氣竄的目的。

4）實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)JR-1聚合物膠乳防氣竄劑加量為7%時(shí)，水泥漿的SPN值最低為2.71，SPN降低率達(dá)到了83.3%，通過(guò)掃描電子顯微鏡分析進(jìn)一步證實(shí)其增加了水泥石的致密性，提高了水泥石的防氣竄能力。

5）形成了一套適合永21儲(chǔ)氣庫(kù)的防氣竄水泥漿體系，建議在永21儲(chǔ)氣庫(kù)開(kāi)展應(yīng)用，提高儲(chǔ)氣庫(kù)固井質(zhì)量。