文23 储气库老井安全封堵工艺设计及应用

刘宏伟

（中国石化中原油田分公司，河南濮阳 457001）

1 概述

文23 地下储气库是我国中部地区最大的储气库，设计总库容为104.21亿m3，承担着华北地区五省二市天然气调峰应急、市场保供任务[1]，冬季最高日调峰量4 000 万m3，相当于全国最高日用气量的1/20，其安全运行直接关系着周边环境及居民的安全问题。在地下储气库建设中，老井封堵工程是储气库建设核心之一[2]，直接关系到储气库是否能够顺利建成，老井井筒的封堵质量直接关系到储气库的安全运行，若老井井筒封堵失效，地下天然气将会泄漏至地面，导致天然气资源大量流失，严重时则会导致井口失控，引起火灾爆炸[3]，因此井筒作为储气库安全生产的第一道屏障，如何做到本质安全，对储气库安全生产具有重要意义。

针对文23 储气库57 口老井进行分类处置，确立“强化地层封堵，兼顾井筒封窜，实时压力监控”[4]的整体封堵原则，创新堵剂体系和挤堵工艺，高质量保障文23储气库老井封堵，确保储气库的安全平稳运行。

2 文23 储气库老井基本情况

文23储气库是利用枯竭的文23气藏建设而成，文23主块沙四3-8（以下简称）砂组作为文23储气库的储气单元，钻遇储气库沙四段气层共计57口老井，其中38 口老井只钻遇气层；16 口井钻遇上部S2油层＋S4段气层，仅1 口井射开S2油层；3 口井钻遇S4气层＋中生界，中生界产能差，孔隙度6%～9%。

目前文23 储气库老井存在以下问题：①井身结构复杂。在57 口气井中，5-1/2in 套管41 口井，5-1/2in管悬挂4in套管9口井，全井4in套管2口井，全井5in 套管1 口井，9in 套管悬挂7in 套管1 口井，特殊井身结构3 口井；②部分井固井质量差。其中固井质量整体评价不合格的井有11口；③井筒条件差。存在井况问题的有20 口井，其中10 口井套管严重腐蚀或穿孔，4口井套管变形，2口井套管断裂，2 口井套管头渗漏，2 口井无套管头，另外有48 口井井下存在落物、砂面或塞面。

3 文23 储气库老井分类处置

3.1 老井不利用的评价原则

经过对文23储气库57口老井资料收集、分析，对套管状况、原固井质量、井筒状态、射孔层位进行评价，参考SY/T 6848－2012标准，确定老井不利用原则：1）1999年以前完钻的气井。15口井完钻于1990年以前，井龄过长，井况皆存在问题，不能满足储气库长期运行的要求。2）小套管完井的气井。一是4in以下套管井，二是悬挂4in套管井。此类气井的井筒内径小，无法满足储气库强注强采生产管柱设计要求。3）固井质量差的气井。储气层顶部以上盖层段水泥环连续优质胶结长度少于25 m，在储气库注采运行过程的周期性交变应力作用下，固井质量差的气井与上部沙三段油层存在管外窜通的可能性。4）套管状况差的气井。试压不合格，有井况问题，或剩余强度小于储气库运行压力，不能满足储气库运行工况。5）现场检测为不合格的拟利用气井。

3.2 老井分类处置结果

根据57口井史资料及分类原则评价[5]，初选出22口拟利用井，进行现场利用检测评价，综合确定封堵井46口，利用井11口，见表1。

4 文23 储气库老井封堵工艺

4.1 封堵依据及原则

4.1.1 封堵依据

一是依据行业标准SY/T 6848－2012《地下储气库设计规范》中“5.1.4 对于封堵弃置的老井，应采用有效措施永久地阻断储气目的层流体向井筒流动、阻断储气目的层流体通过管内管外向其他渗透性地层流动、阻断储气目的层流体沿井筒上窜”以及“5.2.3 应按照储气目的层下部井段、储气目的层、储气目的层以上井段三部分分别进行封堵设计”等部分条款，对气层射孔段全部封堵、固井差井段锻铣、井筒注连续灰塞等设计进行了规范；要求对储气目的层下部井段、储气目的层、储气目的层以上井段分别进行封堵设计，防止窜漏。

二是依据中国石化企业标准Q/SH 0653－2015《废弃井封井处置规范》中“5.1.3 三类井封井结构”以及“5.2.3 高压天然气井的封堵”部分条款，当气库运行压力超过10 MPa，区域内老井按三类井处置；气层封堵部分，基本与SY/T 6848－2012地下储气库设计规范要求一致。

4.1.2 封堵原则

为了确保废弃井封堵效果长期可靠，参考SY/T 6848－2012《地下储气库设计规范》、Q/SH 0653－2015《废弃井封井处置规范》中的关于三类风险井的封井结构，采取“地层＋井筒＋管外”并重的封井思路，即对产层段实施挤堵，对井筒注连续灰塞并灌注防腐重泥浆封堵，对管外可能引发气体窜漏的位置实施二次封固，从而彻底切断流体泄漏通道。基于上述思路，结合文23储气库废弃井井况特征，确立了“强化地层封堵，兼顾井筒封窜、实时压力监控”的整体封堵原则[6-7]：1）处理井筒，保证所有射孔段具备封堵条件。2）气层段挤堵，阻断渗透性地层通道①。3）管外窜挤堵，阻断管外通道②。4）井筒封堵，阻断井筒内向上通道③。见图1。

表1 文23 储气库老井评价分类

图1 老井窜漏通道

4.2 封堵工艺

4.2.1 修井工艺

文23 气田老井井龄长，井况复杂，井身结构复杂，为了保证挤堵所有的射孔段的挤堵质量，封堵作业时需将井筒通道处理至射孔段底界（见图2～3），以保障所有层位都可满足挤堵施工要求。具体修井内容主要包括钻冲砂、钻塞、落物打捞、套管整形、取换套等。

4.2.2 气层挤堵工艺

为确保储气库气层封堵质量以及密封效果，保障储气库运行过程中老井封堵井不窜漏，结合国内储气库建库经验以及常规油气井挤堵工艺，立足文23储气库地层、井况特点，通过优化改进，确定了适用于文23 储气库的挤堵工艺：1）采用承留器，可保压候凝，堵剂不返吐，保护上部套管，保证施工安全及质量（见图4 ～5）。2）根据Q/SH 0653－2015《废弃井封井处置规范》，经过调查研究，挤堵半径按2 m设计，施工时根据压力变化调整堵剂配方，必须满足规范中挤堵半径超过井眼3 倍的最低要求。3）、中生界等封堵层位物性差异较大，考虑到上部气层段漏失严重，采用先上后下分层挤堵。4）长井段分层挤堵，确保高低渗层共同封堵效果。

4.2.3 管外窜通道挤堵工艺

考虑到部分井固井质量差，不满足SY/T 6848－2012地下储气库设计规范要求，为防止气体管外窜，制定专项处置措施，其中气层以上固井质量优段不足25 m井有5口，受工艺限制，无法锻铣，见表2，故选择将作为隔层进行射孔、挤堵，阻断向上管外窜通道（见图6文108-1井）；向下钻遇中生界3口，但气层以下固井质量优段均超过25 m。

4.2.4 井筒封堵工艺

根据标准SY/T 6848－2012，气层顶界以上连续水泥塞长度应大于300 m。灰塞上部应注满缓蚀液；设计每口井连续水泥塞面位于盐层以上100 m或高于套管薄弱点，连续水泥塞长度至少在800 m左右；灰塞上部注满防腐重泥浆，有保护套管、压井、灌缝等作用，如图7 所示；井口安装压力远传系统，可实时监测、传输数据。

图2 文23井修前井身结构

图3 文23井修后井身结构

图4 文23-18井挤堵前

图5 文23-18井挤堵后

表2 管外窜通道挤堵设计

图6 文108-1井管外窜通道挤堵

4.2.5 井口及无线远传系统

老井封堵施工后，为了方便后期管理，实时压力监控，设计了简易井口（见图8）并配套无线远传系统。

图7 井筒封堵

图8 简易井口

4.3 耐高温缓膨气密新型封堵体系

文23区块属于低孔低渗气田，经过多次重复压裂，形成裂缝，如何对裂缝进行屏蔽封堵是该区块封堵的难点，提出文23块气层封堵剂的要求：能够进入不同物性的地层，对各层形成较强的封堵；触变性好，形成网状结构，防止部分高渗带堵剂大量漏失；具有较强的致密性，对气层完全屏蔽；注入性好，能够满足物性较差地层的封堵需要；强造壁性，能够在近井地带快速驻留，形成致密、牢固的固结体。

常规的固井水泥属于硬性胶凝材料，具有“高体积收缩、高滤失量、高密度和高脆性”的缺陷，在井筒封堵时易形成微间隙或由于水泥石的高脆性产生宏观裂纹和界面破坏，使得井筒封堵失败。因此在国内储气库老井封堵堵剂研究的基础上[8-10]，通过对油井水泥主剂用量及添加剂的优化，研发出了高温缓膨气密封堵体系（见图9），即W/C＝1:1.2＋胶凝固化剂1%～3%＋触变调节剂0.3%～0.5%＋复合缓凝剂1.0%～1.6%＋网架结构形成剂＋复合桥堵颗粒（裂缝存在）＋微晶颗粒膨胀剂。体系耐温120℃，稠化时间4 ～9 h 可控，初始稠度＜30 Bc、气密封强度＞15 MPa，进入深度可调。

4.4 多段塞堵剂注入工艺

图9 网架结构形成剂电镜图像

针对文23储气库地层压力低、易漏失、射孔井段跨度大等特点，建立了“一段一调整”动态封堵工艺理念，制定了不同段塞施工评判方法，创建了多段塞复合注入方式，根据施工压力，确定段塞的用量及顺序，段塞设计见表3。

段塞组合的优化设计。桥堵段塞（浆体总量20%）：原堵剂中加入3%～5%刚性桥接剂，解决裂缝的封堵；让堵剂实现沉降、桥堵和驻留。填充段塞（浆体总量20%）：原堵剂中加入1%～3%柔性架桥形成剂；快速起压，实现高压层进入，形成同一压力系统。主体段塞（浆体总量60%）：原堵剂体系，强化各层封堵能力。

现场对施工井进行试挤求吸水指数，根据不同的吸水指数情况，确定最终施工堵剂用量及添加剂量。当压力15 MPa下每分钟地层吸水量0.1～0.3 m3时，采用原堵剂配方；当压力15 MPa下每分钟地层吸水量小于0.1 m3减少网架结构形成剂1%～1.5%；当压力15 MPa下每分钟地层吸水量大于0.3 m3增加网架结构形成剂1%～2%，并添加架桥剂3%～5%。

表3 段塞设计

5 现场应用

5.1 现场应用情况

文23 储气库46 口封堵井均已完工，其中封堵44口井均达到了设计要求，其余2口井由于井况复杂未实施封堵措施，见表4。

5.2 封堵效果评价

文23 储气库所有封堵井的挤堵作业及注灰塞作业均试压15 MPa，稳压30 min，均无压降，满足储气库标准的封堵技术要求。为了进一步验证层内挤堵效果，随机选9 口井进行了钻塞试压，试压15 MPa，稳压30 min，均无压降，证明堵剂对气层封堵效果良好，见表5。

表4 封堵施工情况

6 结论

1）根据文23 储气库老井及地层特点，确立“强化地层封堵，兼顾井筒封窜，实时压力监控”的整体封堵原则，满足文23储气库复杂井况条件下封堵施工要求。

表5 老井封堵钻塞试压统计

2）创新研发一套适合于不同物性气层的耐高温缓膨气密封堵体系，实现高温、长井段的长期密封。体系耐温120℃，稠化时间4～9 h可控，初始稠度＜30 Bc、气密封强度＞15 MPa，进入深度可调。

3）创建多段塞动态注入封堵工艺，制定初始尝试、高渗桥堵、低渗填充、均衡进入等四个阶段的不同段塞评判方法，满足各种渗透率层位的封堵施工要求。

4）通过文23 储气库老井封堵工程现场实践，形成了枯竭气藏老井封堵工艺，为国内外同类储气库建设提供了技术借鉴。