永21储气库防气窜水泥浆体系研究

2020-09-27侯业贵戴荣东于少卿王健陈丽媛王锴

石油工业技术监督 2020年9期

侯业贵，戴荣东，于少卿，王健，陈丽媛，王锴

中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院（山东东营 257000）

近年来，随着我国天然气消费量的持续攀升和局部地区天然气季节性供需矛盾的不断加剧，我国十分重视以地下储气库为代表的调峰设施建设，中国石化胜利油田也计划在永21区块建设储气库。然而，储气库井具有吞吐量大、强注强采、使用周期长的特点，在工作时井筒要反复承受注采气过程中所产生的交变应力作用和相应温度的变化，工程条件十分苛刻，对保障固井质量及油井水泥环的封固可靠性带来困难[1-2]。如果固井后环空气窜会造成水泥浆胶结质量不好，发生地层气体进入井筒，在水泥与套管、水泥与井壁之间形成窜槽，使各层间相互窜通，有时甚至窜入井口，造成储气库不能正常注采，产生巨大的安全隐患[3-5]。

1 环空气窜产生机理分析

一般认为环空气窜有以下3个途径：水泥或套管间的第一界面、水泥或地层间的第二界面和水泥本体内部[6]。国内外学者对环空气窜进行了大量研究，逐渐形成了以下4种气窜理论。

1）“桥堵失重”理论。水泥浆在高渗透率地层快速失水，水泥浆迅速变得浓稠和致密，容易形成桥堵。另外高速冲蚀下来的岩块和水泥颗粒下沉，也可能在环空间隙较小处形成桥堵。下部水泥浆水化及失水引起体积收缩后，因为桥堵致使水泥浆静压传递受阻，作用在下部地层的液柱压力小于地层压力将导致环空气窜发生[7]。

2）“胶凝失重”理论。水泥浆水化体积收缩及失水引起体积收缩后，水泥浆中的空间网架结构会使一部分水泥浆悬挂在井壁和套管上，上部静液柱压力不能有效地向下传递，从而导致胶凝失重。当下部液柱压力与水泥浆静胶凝强度发展引起的气侵阻力之和小于地层压力时，将会发生环空气窜[8]。

3）“界面胶结”理论。在固井过程中，泥饼冲洗不彻底和水泥浆顶替效率低，会导致水泥环与套管、水泥环与地层胶结质量差而引起环空气窜[9]。

4）“微裂缝-微环隙”理论。微裂缝是指水泥环内部或水泥环与地层之间产生的微小通道，而微环隙是指水泥环与套管之间因胶结质量不好产生的环形裂隙。该理论认为微裂缝-微环隙形成的主要原因是水泥浆自身性能和井筒条件影响，即包括水泥浆失水引起的体积收缩、初凝阶段自由水的凝聚、泥饼存在导致顶替效率差、井筒温度及压力对水泥环的影响[10]。

通过分析以上气窜机理，可以明确气窜主要发生在两个阶段：固井注水泥阶段与水泥浆候凝阶段。注水泥阶段一般要求注水泥过程中井筒内压力稳定，而在水泥浆候凝阶段则要求水泥强度发展迅速，水泥浆与地层、套管间的胶结强度良好。如果水泥环密封性出现问题，水泥环封固失效将会造成气窜发生[11]。

因此为了确保注水泥期间压稳油气层和固井一、二界面的胶结质量，良好的固井顶替效率和注水泥时环空浆柱密度及环空ECD的精确控制是永21储气库环空密封完整性的基础保障。为了提高候凝阶段防窜能力，则需重点进行防气窜剂的优化设计研究[6，9]。

2 聚合物胶乳防气窜剂研究

水泥浆水化过程中自身失重特性是引发气窜的根本原因，“P地≥P环+P阻”是形成气窜的前提条件，一旦气层压力P地大于环空静液柱压力（P环）与气层流体在环空中流动阻力（P阻）之和就会形成环空气窜的潜在危险。因此，防气窜水泥浆体系的重点是如何提高气体在环空中的迁移阻力。胶乳是一种性能优良的防气窜外加剂，其作用机理为：利用化学交联剂的交联反应或网状成膜效应形成不渗透膜，减少水泥浆体系的失水量，增加气体在水泥浆中的侵入和运移阻力[3，8，12]。

2.1 聚合物胶乳防气窜剂研制

在实验研究的基础上，研究形成了一种新型的JR-1聚合物胶乳防气窜剂，其成膜和颗粒级配如图1和图2所示。

图1 JR-1聚合物胶乳成膜示意图

图2 JR-1聚合物胶乳微球颗粒级配示意图

如图1和图2所示，JR-1聚合物胶乳防气窜剂一方面能够在水泥石的内部形成三维网状结构，增强水泥石的致密性，且聚合物胶乳的分子链中带有大量的亲水基团，从而可以降低水泥浆的失水量；另一方面，聚合物弹性微球还可以通过颗粒级配作用填充水泥石内部的孔隙裂缝，从而减少气体的窜流通道。通过以上作用可以增加气体扩散时的阻力，减少了气体窜流的通道，达到防气窜的目的。

2.2 聚合物胶乳防气窜剂性能测试

采用水泥浆性能系数法（SPN）进行环空水泥浆防窜性能评价。通过水泥浆性能系数法分析，气窜发生的原因是水泥浆候凝过程中静胶凝强度发展缓慢，而失重较快。失水是影响失重的重要因素，也是水泥浆孔隙压力下降的主要原因。为此，水泥浆孔隙压力下降速率的大小可用水泥浆滤失速率来描述；静胶凝强度发展规律可通过水泥浆稠度变化来体现，稠化过渡时间越短，静胶凝强度发展越快，渗透率降低越迅速[7，13-14]。因此，将水泥浆滤失速率和水泥浆稠化过渡时间综合考虑为水泥浆性能系数法，其表达式为：

式中：SPN为水泥浆性能系数；FLAPI为水泥浆API失水量，mL/（30min）；t100BC为水泥浆稠度达到100 BC所需时间，min；t30BC为水泥浆稠度达到30BC所需时间，min。

水泥浆API失水量越低、稠化过渡时间越短，在稠化时间内气侵阻力变化越大，防气窜能力越强。水泥浆性能系数法综合考虑了水泥浆稠化过渡时间和失水速率以反映失重和静胶凝强度发展变化。SPN值越小，水泥浆的防气窜能力越强[15]。

本实验选择的水泥浆基础配方为：800 g G级水泥+0.3%分散剂+1.0%降失水剂。水灰比为0.44，实验温度75℃。空白水泥浆的性能测试结果见表1。

表1 空白水泥浆性能测试结果

在空白水泥浆的基础上，分别加入不同量的JR-1聚合物胶乳防气窜剂。每个平行实验均测定3次，并取平均值作为最终的实验结果。实验结果表明，当JR-1的加量达到7%时，水泥浆的SPN值最低为2.71，SPN降低率达到了83.3%。实验结果见表2。

表2 水泥浆性能测试结果

3 永21储气库防气窜水泥浆体系

在形成防气窜剂的基础上，通过开展水泥浆综合性能和水泥石力学性能评价综合实验，对高强增韧剂、缓凝剂、分散剂、降失水剂等外加剂及其加量进行了优选实验，最终形成了永21储气库防气窜水泥浆体系配方：G级水泥+0.5%分散剂+1.2%降失水剂+0.3%缓凝剂+7%防气窜剂+6%晶须增韧剂+5%膨胀剂，水灰比0.44。75℃测试结果见表3。

根据实验结果，研制的防气窜水泥浆体系具有优良的防气窜能力，能够提高环空水泥环的强度和韧性，降低环空水泥环和井筒受射孔等集中应力影响，增加环空水泥环和井筒抵抗交变载荷、非均布外载的能力，延长永21储气库水泥环使用寿命。形成的防窜水泥浆体系在胜利油田永21邻近区块应用3口井，固井质量优质率100%，证明该水泥浆体系能够有效提高固井质量。

表3 永21储气库水泥浆性能测试结果

4 防气窜水泥浆作用机理研究

为进一步探讨JR-1胶乳提高水泥浆防气窜性能的作用机理，利用扫描电子显微镜观察分析了JR-1胶乳水泥石的微观结构，并分析、解释了JR-1胶乳的作用机理。JR-1胶乳水泥石的微观结构表征如图3所示。

图3中的SEM图显示，空白水泥石表面粗糙不平，有明显的孔隙结构存在，且孔径大小不一，同时可观察到大量的结晶和凝胶水泥水化产物。但加入JR-1胶乳的水泥石表面较为光滑，表面有一层明显的膜状物质覆盖，同时也有少许的颗粒状物质聚集，水泥水化产物外观形貌不易观察，且水泥石的孔隙数目以及尺寸也有明显的减小。这是由于一方面胶乳与水化产物交联在一起，形成了一种膜状的结构，膜质覆盖包裹水化产物或堵塞水泥石内部孔隙，增强了水泥石的致密性；另一方面，薄膜物质的覆盖、包裹和堵塞作用，减小了水泥石内部孔隙间的连通性，减少了气体窜流的通道，从而可有效防止气体在孔隙溶液中的迁移，提高了水泥石的防气窜性能。