文96储气库注采井井筒完整性研究*

王 鹏，腰世哲

（中国石化天然气榆济管道分公司，山东 济南250014）

天然气地下储气库是大型输气管网季节调峰与事故应急的重要保障，不同于常规气藏开发，储气库注采井单井产能高、注采转换频繁，注采运行中温度、压力变化较大，对井壁围岩、水泥环、套管组成的密封系统完整性要求极高。

1 注采井井筒载荷分析

注采井固井水泥浆在井筒各层环形空间凝固后，井壁围岩、水泥环和套管胶结成以水泥石（固化后的水泥）为填充物的密封组合体。将井壁围岩、水泥环、套管看作一个整体［1］，其组合体示意如图1所示。

图1 注采井井筒组合体示意

井筒内的水泥环应力分解示意如图2所示。从图2可以看出，水泥环受力由初始应力、井筒内压力、地层应力及热应力叠合而成。井壁围岩、水泥环和套管均为各向同性的线弹性材料。将该组合体看作弹性组合体，基于弹塑性理论，可将三维受力转化为多层厚壁圆筒问题来求解［2］，计算得到围岩、水泥环及套管的应力、位移等岩石力学基本参数。水泥环的破坏形式主要包括拉伸失效和剪切失效［3］。井壁围岩、水泥环和套管统一应用莫尔-库伦强度理论作为失效判别准则［4-5］，采用最大拉应力理论评价水泥环抗拉强度。室内试验得到水泥环抗拉强度、抗压强度、弹性模量及泊松比等基础数据，采用模型计算得出水泥环的切向应力、等效应力；当切向应力大于抗拉强度时，水泥环出现涨裂失效，当等效应力大于抗压强度时，水泥环遭受塑性损伤。

图2 水泥环应力分解示意

2 井筒完整性影响因素

2.1 试验装置建立

为定量描述井下水泥环的密封完整性，基于应力等效转换理论，综合地层压力、井下温度、井筒尺寸及内压力等影响因素，设计出一套注采井井筒水泥环完整性评价试验装置。利用建立的水泥环应力计算模型，计算得到注采井井筒全尺寸等效应力和试验装置模拟井筒等效应力，使井筒水泥环等效应力与模拟水泥环等效应力相等［6-9］，从而将现场井筒工况转化为设备上的模拟井筒工况。基于等时原理开展周期注采模拟试验，维持模拟井筒地层压力，改变套管内压，模拟注采工况下水泥环受力，用试验装置来模拟实际井筒工况，从而完成水泥环完整性评价。

2.2 周期注采对水泥环完整性影响

利用所设计的试验装置开展水泥环周期性应力加载、卸载试验，模拟文96储气库在正常设计压力差下的循环注采气运行。试验过程中向水泥环通氮气验证其密封性能，30个周期后未出现气窜现象，水泥环本体及外观无裂纹及裂缝，水泥环与套管之间胶结状态良好。

试验结果表明：在当前注采运行实际工况下，文96储气库注采井以合理的生产压力差注采30个周期，水泥环完整性未被破坏，能够保障气库注采安全。

为进一步探索水泥环内部的孔隙微观结构及微裂缝分布状况，选取完整性模拟试验前后的水泥环试样进行内部微CT扫描，研究其内在精细结构变化。试验前后水泥环微CT扫描对比图见图3。

图3 试验前后水泥环微CT扫描对比

从图3可以看出：水泥环中未发现微裂缝或微裂纹，说明水泥环完整性未受到破坏，水泥环强度可满足现场注采工况的需要；在较低的注采生产压力差下，水泥环能经受至少30个注采周期，可以实现井筒有效密封，保障气库注采安全。

2.3 生产压力差对水泥环完整性影响

为了研究提高注采生产压力差后水泥环的承压能力，开展水泥环在各类生产压力差下的等效试验。选取生产压力差 5.0 MPa，15.0 MPa及25.0 MPa为试验条件，试验循环到水泥环破坏为止，试验结果见表1。

表1 不同生产压力差下等效试验结果

由表1可知：保持地层压力稳定，随着生产压力差增大，水泥环可以达到的循环周期逐渐减少，即水泥环越容易受到应力破坏。

仔细检查试验破坏后的水泥环，发现其产生了不可复原的变形，表面出现径向裂纹，是水泥环遭到破坏的直观表现，也是产生密封系统气窜的根本原因。破坏后的水泥环外观状态如图4所示。

2.4 水泥环承压能力试验

维持水泥环所受地层压力稳定，稳步增大井筒套管内压力，进行水泥环抗压强度测试，探索注采井水泥环可以经受的最大生产压力差，试验结果见表2。

图4 破坏后的水泥环外观状态

表2 承压能力试验结果

从表2可以看出：保持地层压力不变，逐渐升高套管内压，当套管内压上升至45.0 MPa时，生产压力差为32.0 MPa，水泥环损坏失效。水泥环仅承受内压载荷时，承压能力较强，若内压、地层压力周期性变化，伴随循环周期的增加，水泥环破坏的风险逐步增高。

3 提高井筒完整性的技术措施

3.1 改性材料优选

目前，提高一、二界面胶结强度的方法有很多，如控制钻井操作，提高钻井液、前置液及固井液性能，提高注采井井身质量，采用多功能钻井液、弹性水泥浆体系及膨胀水泥等。

考虑到文96储气库注采井实际情况，可采用膨胀水泥来提高界面胶结强度，保障后期注采井井筒密封完整性。选择合适的水泥浆微膨胀剂，进行微膨胀水泥的性能评价。中原地区现场施工情况及试验表明，膨胀剂（PZJ）能较好地增强水泥石微膨胀特性，故选择该膨胀剂进行试验，测定套管与水泥石的胶结强度［10］，来评价膨胀剂性能和优化膨胀剂加量。

参照GB／T 23439—2017《混凝土膨胀剂》中相关测定方法，采用1 cm×1 cm×8 cm三联试模，测定水泥石线性膨胀率，测试结果见表3。

表3 水泥石膨胀率与胶结强度试验结果

试验结果表明：不加PZJ时，文96储气库固井水泥在养护后有微量收缩；在加入PZJ后均表现出不同程度的微膨胀现象，且随着PZJ加量的增加，水泥石线性膨胀率逐步增大。加入适量PZJ对提高水泥石的胶结强度有利，但当加入过多时，会因膨胀造成过大的内应力，从而使水泥石的晶格破坏，胶结强度降低。从表3可以看出，加入质量分数1.5%的PZJ后，水泥石的胶结强度最高。

3.2 最优配方性能及水泥环完整性评价

结合前期研究成果，在优化的水泥浆配方中加入1.5%微膨胀剂PZJ，开展微膨胀配方综合性能评价。

优化的水泥浆配方：（G级水泥+45%粉煤灰+40%微硅粉 +1.5%PZJ）固+（18%降失水剂+0.48%缓凝剂+水+0.1%消泡剂）外（固体百分比为外加料占水泥的质量分数，外加剂百分比为药剂占水的质量分数）。优化的水泥浆性能参数见表4。最优配方水泥浆常温流变性测试结果见表5。

表4 优化的水泥浆性能参数

表5 最优配方水泥浆常温流变性

试验结果显示，所研究出的水泥浆各项性能均符合地下储气库注采井尾管固井施工要求。

为了探讨改性后的水泥环周期注采承压能力，在生产压力差为25.0 MPa时，进行优选配方水泥环试样注采循环与破坏试验。试验结果显示：所选配方的水泥环力学性能改善明显，塑性显著提高，在地下储气库的注采运行中能够保持组合体完整性，可为储气库安全生产提供可靠保障。

4 结论与建议

（1）在详细开展井壁围岩、水泥环、套管组合体力学分析的基础上，建立了地下储气库注采井水泥环密封完整性评价模型。

（2）通过注采载荷等效设计和时间等效设计，建立了井筒完整性等效物理试验装置。

（3）文96储气库注采井井筒密封完整性评价试验结果显示：现有水泥浆体系可保证正常注采条件下的有效封固，但在气库的实际应急、调峰运行过程中，水泥环仍有破坏的可能。提高生产压力差进行周期循环试验证实，随着循环压力差增大，水泥环受到损坏的风险逐步升高。

（4）在后期的天然气地下储气库固井施工中，可掺入少量膨胀剂来优化固井水泥浆体系配方，尽可能提高水泥环的综合力学性能，保障气库注采井井筒水泥环的完整性。