储气库井水泥环密封性失效试验研究

赵春 贺梦琦 陈显学 汪衍刚 刘长环 冯永存 李晓蓉

循环注采气会对储气库井水泥环产生周期性载荷作用，易导致水泥环密封失效。以H储气库井水泥环密封失效为背景，开展了水泥石循环加卸载及水泥石力学、孔渗测试，获得了水泥石循环加载后的微观结构CT形态，进行了全尺寸水泥环密封失效试验。试验结果表明：经过30轮次循环加载后水泥石力学性能降低、气体渗透能力增加，但依然能有效阻止气体从水泥基质泄漏；循环加卸载会造成水泥石微观结构损伤进而产生累积塑性应变，循环轮次越多累积塑性应变越大；循环加卸载后，水泥石CT扫描形态显示，水泥石中出现微观结构损伤，水泥石微观损伤程度由两端至中心逐步减弱；全尺寸试验证实水泥环一界面脱粘形成微环隙，底部气体沿着微环隙上窜导致上部B环空带压，水泥环本体及二界面在各组测试压力下均未出现破坏，不建议现场在现有基础上继续提高储气压力。研究结果可指导H储气库注采参数优化设计，并为国内外类似储气库运行制度的合理制定提供参考。

储气库井；水泥环；循环载荷；密封失效；全尺寸试验

Experimental Study on Sealing Failure of Cement Sheath in Gas Storage Wells

Cyclic injection and production of gas would cause cyclic loads on the cement sheath of gas storage wells，which can easily lead to the sealing failure of cement sheath.In the paper，against the background of sealing failure of cement sheath in H gas storage well，the tests on cyclic loading and unloading，mechanics，porosity and permeability of hardened cement were conducted，the microstructure CT morphology of hardened cement after cyclic loading was obtained，and full-scale cement sheath sealing failure tests were conducted.The experimental results show that after 30 turns of cyclic loading，the mechanical properties of hardened cement decrease and the gas penetrating power increases，but the gas can still be effectively prevented from leaking from the cement matrix；cyclic loading and unloading would cause damage to the microstructure of hardened cement，resulting in cumulative plastic strain，and the more cycles there are，the greater the cumulative plastic strain is；after cyclic loading and unloading，the CT scan morphology of hardened cement shows that there is microstructural damage in the hardened cement，and the degree of microstructural damage gradually weakens from both ends to the center；the full-scale test confirms that the abhesion of hardened cement-inner casing interface forms micro annulus，the bottom gas flows up along the micro annulus，causing pressure in the upper B annulus，but the cement sheath body and the second interface do not show any damage under each group of test pressure，so it is not recommended to continue to increase the gas storage pressure on the existing basis.The study results guide the optimization design of injection and production parameters of H gas storage，and provide reference for the reasonable formulation of operation system of similar gas storages at home and abroad.

gas storage well；cement sheath；cyclic loading；sealing failure；full scale test

0 引 言

天然气燃烧碳排放量相对较低，是一种清洁能源，但天然气的消耗具有明显区域及季节性差异。地下储气库可在低需求时储存多余的天然气，在高需求时采出供应，可有效平衡供需差距、增强国家能源安全［1-2］。在世界范围内，地下储气库使用最广泛的有枯竭气藏和盐穴储气库［3］2种类型，其中枯竭气藏储气库储气容量更大，占地下储气库总工作气量的75%［4］。作为地面与储气库之间的唯一通道，井筒在注气和采气过程中内压反复波动［5-7］，使得环空水泥环受到反复加卸载作用，容易造成水泥环破坏进而产生密封失效［8-10］。目前国内外已出现大量储气库井水泥环密封失效问题。水泥环失效有拉伸破坏、剪切破坏、一界面破坏、二界面破坏等形式［11-12］。各种破坏方式均会引起气体在水泥环中窜流导致环空带压，高压气体沿水泥环泄漏至地面会对人员、环境、设施等带来巨大安全隐患［13-15］，并导致巨大的经济损失。因此保障水泥环的密封性对储气库的安全运行至关重要［16-18］。

目前针对水泥环密封性失效，国内外进行了大量试验及数值模拟研究。因数值模拟建模及参数设置过于理想化，难以对井筒复杂受力工况进行精确还原。相对数值模拟研究，水泥环密封性试验是更加直观、精确的研究手段。但现有水泥环密封性试验研究多采用缩小井筒模拟装置，人工制作模拟井筒浇注成型水泥环，所采用的井筒尺寸、材料与实际井下情况有较大差别，因此现有试验研究能否真实反映井下水泥环受力情况存有较大不确定性。本文以H储气库井水泥环密封失效问题为基础工程背景，采用储气库固井现场水泥配方，开展了水泥石在循环载荷作用下的力学性能及渗透性能测试；对循环加载后的水泥石进行CT扫描，获取循环加载作用下水泥石微观结构变化规律。并基于自研的全尺寸水泥环密封性试验装置，采用现场套管开展循环注采气工况下的水泥环密封性试验研究，探究循环载荷作用下水泥环密封失效规律及机理，指导注储气库注采参数优化设计。研究结果可为国内外类似储气库运行制度的合理制定提供参考依据。

1 H储气库概况

H储气库是一种枯竭气藏型储气库，截至目前已投产注采井30余口，均采用相似的井身结构。图1为X井身结构示意图。自H储气库投产以来，初期储气压力为20 MPa左右，后续提升至26 MPa左右，其盖层极限承压能力在30 MPa以上，还有进一步提升储气压力的空间。自投产以来已经有10口井出现B环空（油层套管与技术套管之间环空）带压。对B环空带压井开展光纤声波振动检测，显示B环空在多个井深处检测到泄漏信号，证实B环空水泥环密封性出现破坏，进而引起气体泄漏导致环空带压。为避免环空带压情况进一步恶化，有必要开展水泥环密封性失效机理试验研究，以指导后续注采气参数设计。

2 试验

2.1 水泥石孔渗、力学及循环加载试验

基于储气库现场水泥浆配方配置水泥浆，经养护后形成水泥石，钻取成标准圆柱试样1、2，如图2所示（直径25 m，高度50 mm）。试样1、2力学及孔渗参数完全一致。首先基于试样1开展水泥石初始孔渗参数测试，测试过程如图3a所示，获得水泥石初始孔隙度及渗透率；再对试样1开展力学参数测试，测试过程如图3b所示，记录测试过程中的应力应变曲线，获取水泥石初始抗压强度（δmax）；然后对试样2开展水泥石循环加卸载力学试验。基于现场注采压力及注采频率实际情况，循环载荷上限设置为初始抗压强度的80%（0.8δmax），循环次数为30次，记录循环加卸载过程中的应力应变曲线，分析循环应力应变曲线特征。将循环加卸载完后的水泥石试样2进行CT扫描，获取水泥石试样内部微观结构图像，以分析循环加载后的内部微观结构损伤特征，再进行孔渗参数测试，最后对循环加载后的试样2开展力学测试。将水泥石循环加载后测得的力学、孔渗参数与初始力学、孔渗参数对比，获取循环加载对水泥石力学、孔渗性能的影响规律。

2.2 全尺寸水泥环密封性试验

试验用水泥浆采用现场实际固井配方进行配制。试验用套管取自H储气库现场，技术套管、油层套管、外管的管柱尺寸、材质与井下管柱完全一致，可保证试验条件与现场实际情况相符。课题组自研全尺寸水泥环密封性测试装置，装置由基座、管柱系统、密封系统、加压体统、检测系统、控制系统组成，可模拟测试循环注采气工况下的多重管柱及水泥环密封性。装置实物如图4所示。

依据H储气库历史注采压力实际数据共设置9组不同循环内压，循环上限压力分别为20、21、22、23、24、25、26、27、28 MPa。因储气库采气时最低压力为5 MPa，各组循环下限压力均设置为5 MPa。全尺寸水泥环密封性试验系统原理如图5所示。

具体测试流程如下：

（1）安装全尺寸油田现场套管，依据现场固井水泥浆配方配制水泥浆。

（2）将配制好的水泥浆注入油层套管与技术套管构成的环空（B环空）中，在外管外部布置加热垫加热以模拟地层温度，养护120 h，等待水泥浆固化形成水泥环。

（3）待水泥浆体凝固后，分别在油层套管内部、油层套管与外管环空注入耐高压液体，液面与上密封盖留有一定间距。将上密封盖安装至套管顶部，拧紧螺栓保证井筒系统的密封性，连接好各阀门与传感器。打开气瓶1，在油层套管与外管之间注气加压，以模拟地应力对管柱的挤压作用。

（4）打开气瓶2，在水泥环底部注气，将底部压力p1调至2.5 MPa，用以对水泥环开展气密检测。

（5）打开气瓶3，向油层套管内注气加压，达到目标试验压力后，关闭气瓶；打开泄压阀门，进行泄压；泄压至指定压力，控制系统自动记录测试过程中系统压力变化。

（6）观察水泥环底部注入压力p1是否降低。若降低表示水泥环已密封失效；若未降低，说明水泥环密封良好。重复步骤5，进行后续轮次循环加卸载，每组均进行30轮次的循环加载。结束试验，保存试验数据。

3 试验结果分析

3.1 水泥石力学及孔渗测试结果

水泥石在循环加载前后力学测试过程中的应力应变曲线如图6所示，抗压强度、弹性模量、渗透率及孔隙度统计如表1所示。

由表1可见，水泥石初始抗压强度（δmax）和弹性模量分别为32.2 MPa、7.2 GPa。循环加载上限设定为25.5 MPa（0.8δmax），经循环加载后抗压强度和弹性模量分别为30.6 MPa、6.8 GPa，抗压强度和弹性模量分别降低 4.96%、5.55%。分析认为，在循环载荷作用下水泥石内部产生微观结构损伤，如微裂隙、微孔隙密度增高等，导致水泥石基质承载能力降低，宏观上表现为抗压强度及弹性模量的降低。但两者降低幅度均较小，在可接受范围内，说明水泥石有较强抵御循环载荷的能力，在井下实际循环注采气过程中水泥环可以保持较高的力学完整性。循环加载前初始孔隙度、渗透率分别为8%、0.02 mD，循环加载后孔隙度、渗透率分别为22%、0.08 mD，分别增加1.75倍和3.00倍。证实了循环载荷作用下水泥石内部会萌发微孔隙微裂缝，导致孔隙度及渗透率有较大幅度增加。但当水泥石渗透率超过0.1 mD时气体才会通过水泥石基质泄漏［19］，因此在30轮次循环加载后水泥石基质仍然保持对气体的密封性，可以由此推理井底气体不会通过水泥环本体泄漏至地面。

3.2 循环加载水泥石应力应变发展及CT扫描微观结构特征

循环加载过程中的应力应变曲线如图7a所示，循环加载过程中的累积塑性应变结果统计如图7b所示。由图7可见，在第一个加载轮次就产生了不可恢复的塑性应变，初始塑性应变值为0.17%；随着循环加载轮次的增加，塑性应变值不断累积增加，到第30轮次累积塑性应变值为0.59%。分析认为在循环加载过程中水泥石出现微结构损伤进而产生塑性变形，塑性变形在卸载过程中不能恢复，且随着循环加载轮次的增加微结构损伤程度逐渐增加。

水泥石循环加载后内部微观结构CT扫描形态如图8所示。图8中透明处为正常水泥石基质形态，呈现黄色部分为产生微观结构损伤处形态。损伤密度越高颜色越深，可见微观损伤在水泥石两端产生密度最高，微观结构损伤由两端至中心呈辐射状延伸，但损伤并未交联到一起。由于水泥石两端直接承载压力测试机的载荷，导致水泥石微观损伤程度由两端至中心逐步减弱，可由此反推井下水泥环在循环注采压力下由内壁向外壁微观损伤程度逐步递减。

3.3 循环加载下水泥环密封失效及微环隙形成规律

3.3.1 循环加载下水泥环密封性测试结果

总共9组不同注采压力试验数据统计如图9所示。每组结果均记录了套管内压、水泥环底部注气压力、水泥环顶部监测压力3组压力数据随时间的变化过程。由图9可见：在前几个注采轮次水泥环底部注气压力恒定不变，水泥环顶部监测压力为0，说明水泥环密封完好；随着注采气过程的持续进行，各组试验均出现了水泥环底部注入压力的降低及水泥环顶部监测压力的升高，最终水泥环顶部压力与底部压力趋于相同值。这说明气体从底部突破水泥环流向顶部造成顶部压力升高，证实水泥环上下连通出现密封失效。试验精确还原了储气库注采工况下水泥环密封失效真实场景，可对研判储气库现场环空带压规律提供重要参考。

经统计，在注气压力分别为20、21、22、23、24、25、26、27、28 MPa时，水泥环密封失效分别出现在第29、28、27、26、25、23、21、18轮次。由此可见，注气压力越高，水泥环密封性失效出现的时间越早。分析认为，注气压力越高水泥环系统承受的应力水平越高，越易出现水泥环本体及界面的破坏。且在较低压力基础上增加单位注气压力水泥环密封性失效进展速度较低，在较高压力基础上增加单位注气压力水泥环密封性失效速度会加剧。目前H储气库储气压力不高于26 MPa，试验结果提示，若继续增加储气压力，水泥环密封性失效风险会加速增加。从延长水泥环密封时间的角度而言，不建议继续提高储气压力。

3.3.2 循环加载对水泥环界面微环隙宽度影响

循环加载水泥环密封性测试进行完毕后，经检测在各组循环压力下均未出现水泥环本体的破坏；但水泥环与内层套管界面（一界面）均出现剥离形成了微环隙；水泥环与中层套管界面（二界面）未出现微环隙。微环隙形态如图10所示。分析认为，在循环内压作用下，由于套管与水泥环弹性力学性质的差异导致两者变形不协调，继而造成两者界面产生破坏［20-21］。由于水泥环本体拥有较高的机械强度，注采气压力不足以直接造成水泥环本体的破坏；当套管内压力传递到水泥环中时，由于水泥环本体的缓冲作用，二界面受力相对较小而不易产生破坏［22-23］。系列试验证实H储气库B环空带压为一界面破坏所致，因此H储气库后续新建井固井时应着重提高一界面胶结强度。

为精确测量微环隙尺寸，在裂缝处采取特殊切割方式切取界面试样，严格保证切割过程中裂缝原始尺寸不受外界扰动影响。将界面试样置于电镜下观察裂缝形态并精确测量裂缝尺寸，裂缝形态电镜扫描如图11所示。

由图11可见，水泥环与套管之间出现了不同程度的剥离形成缝隙。经统计，在注气压力为20、21、22、23、24、25、26、27、28 MPa时，微环隙宽度分别为306、315、326、347、359、377、395、411、426 μm。可见随着循环加载上限压力的升高，微环隙宽度呈接近线性趋势增加。目前H储气库储气压力为26 MPa左右，若继续提高压力水泥环微环隙尺寸将会增大，环空气体泄漏会更加严重。从降低微环隙尺寸角度而言，也不建议继续提高储气压力。

4 结 论

（1）将取自H储气库现场水泥浆配方材料制成的水泥石经过循环加载后，抗压强度、弹性模量均有一定降低，证明循环载荷对水泥石力学性能构成损伤，但损伤程度有限；孔隙度、渗透率均增加，说明循环载荷增加了水泥石气体渗透能力，但依然能有效阻止气体从水泥基质泄漏。

（2）第一个循环加载轮次水泥石就产生不可恢复的塑性应变，随着循环加载轮次的增加，塑性应变值不断累积增加。分析认为循环载荷造成水泥石微观损伤，产生不可恢复的塑性变形，循环加载轮次越多结构损伤越严重。

（3）循环加载后的水泥石CT扫描形态证实水泥石中出现微观结构损伤，且损伤形态由两端至中心呈辐射状延伸。因水泥石两端直接承载压力测试机的载荷，导致水泥石损伤程度由两端至中心逐步减弱，可由此反推井下水泥环在循环注采压力下由内壁向外壁微观损伤程度逐步递减。

（4）全尺寸试验证实，在循环载荷作用下水泥环一界面脱粘形成微环隙，底部气体沿着微环隙上窜导致上部B环空带压，水泥环本体及二界面在各组测试压力下均未出现破坏，且储气压力的升高导致一界面微环隙宽度呈接近线性趋势增加。目前H储气库注气压力为26 MPa左右，若继续提高储气压力微环隙尺寸将会增大，环空气体泄漏会更严重，为降低微环隙尺寸及密封性失效风险，不建议继续提高储气压力。

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