FlexSTONE弹性水泥在地下储气库中的研究与应用

2014-02-17侯攀高娅朱忠喜

天然气技术与经济 2014年4期

侯攀高娅朱忠喜

（1.中国石油集团西部钻探工程有限公司，新疆乌鲁木齐 830000；2.中国石油天然气集团公司钻井工程防漏堵漏技术重点实验室·长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100）

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为提高地下储气库井固井质量，延长储气库井使用寿命，研究了水泥环完整性对固井质量的影响。基于储气库井的特点，将常规水泥与FlexSTONE弹性水泥进行实验对比，认为弹性水泥固井能满足温度、压力交变作用的要求。将FlexSTONE弹性水泥在呼图壁储气库应用，HUK25井尾管实践结果表明，使用弹性水泥固井，水泥充填状况好，一、二界面胶结好。

储气库水泥环完整性常规水泥 FlexSTONE弹性水泥

0 引言

地下储气库是将管道输送来的天然气重新注入可以保存气体的空间而形成的一种人工气田或气藏［1］。周期性强注强采是储气库的一大特点。储气库井的寿命与固井质量密切相关，因此储气库井对固井质量要求较高。在固井质量指标中，最重要的是水泥环的固结质量［2］，即水泥—套管壁和水泥—井壁岩石两个胶结界面都有良好的有效封隔，能承受住水泥的剪切胶结力和水泥的胶结力。对于后期注采的储气库井而言需考虑环空水泥石的完整性和减少注采交变应力对水泥石的破坏［3-4］。为保证储气库套管密封和固井质量30a以上的安全寿命，对储气库地层—水泥环—套管系统研究具有重要意义。

1 水泥环的完整性分析

1.1 水泥环的完整性概述

水泥环的完整性包括水泥石完整性和界面胶结完整性。两个界面胶结质量不好会导致水泥环完整性差。水泥石力学失效，主要有以下几个原因：①水泥石的形变能力。井下情况反复变化，如多次注采导致井下压力多变，水泥环因自身形变能力不足，水泥环的整体性很容易遭到破坏。②水泥石的脆性特性。在后期施工开采过程中，水泥石自身硬脆性将会致使水泥石力学性能失效，从而影响其封隔能力。③水泥石的内部因素。硬化后的水泥石含有一些未水化的水泥颗粒或者孔隙，这些内部缺陷在射孔完井时应力集中，导致水泥石破裂。其中，水泥石的硬脆性是水泥环的完整性遭到破坏的主要原因。因此，改善油井水泥性能，增加水泥石的柔性形变能力［5］，对延长储气库井的寿命有着重要的意义。

1.2 储气库注采分析

根据目前国内石油行业人士对微裂缝的研究［6］，多数人认为固完井或试井时引起的套管内压力变化会加剧裂缝扩展。通过套管柱水泥环强度分析（图1、图2）可知：①注气下的套管应力明显大于采气下的套管应力；②当水泥环弹性模量达到某值前，套管应力逐渐减小，当达到这个值，套管应力基本不再变化；③注气时地层膨胀且温差大，水泥环受到压应力作用，随着弹性模量的增大，水泥环开始受拉应力并不断增大，当超过水泥环强度，水泥环断裂形成裂缝，破坏水泥环的完整性。储气库注气时内压、温差增大，采气时内压降低、温差减小；储气库在这种反复注采气情况下库内温度和压力不断变化，这种变化使套管、水泥环受交变应力，加剧裂缝产生，无法保证储气库的正常运作。

图1 水泥环弹性模量—套管最大等效应力曲线图

图2 水泥环轴向应力—水泥环弹性模量曲线图

2 FlexSTONE弹性水泥与常规水泥对比

2.1 常规水泥

常规水泥浆凝固后的水泥环是脆性材料，其抗冲击能力、抗剪和抗拉性能差。经过多次注采交变应力，容易产生微间隙和微裂缝，降低了其形变能力、抗压强度等。

2.2 FlexSTONE弹性水泥

为确保井筒在处于动态应力状态下仍有长效的层间隔离，Schlumberger公司基于混凝土水泥浆技术，利用颗粒级配原理，优化水泥及外掺料，推出FlexSTONE固井体系［7］。FlexSTONE弹性水泥是Sch⁃lumberger公司为防止产生微间隙，配合弹性颗粒及膨胀剂，开发出的一种新型柔性水泥浆。其韧性强、无收缩、渗透率低、杨氏模量可降至1380 MPa，线性膨胀多达3%。

2.3 实验对比

1）温度由95℃降至80℃，非致密砂岩，注气压力由14MPa升至32MPa，G级水泥环（图3）承受的最大压应力为25.1MPa，最大拉应力为7.15MPa，当注气压力升至16.8MPa时水泥环因拉力破裂。

2）温度由95℃降至80℃，非致密砂岩，注气压力由14MPa升至32MPa，FlexSTONE弹性水泥环（图4）承受的最大压应力为15.1MPa，最大拉应力为4.08MPa。当注气压力升至16.8MPa，水泥环不破裂。