永21儲氣庫防氣竄水泥漿體系研究

侯業貴，戴榮東，于少卿，王健，陳麗媛，王鍇

中國石化勝利油田分公司 石油工程技術研究院（山東 東營 257000）

近年來，隨著我國天然氣消費量的持續攀升和局部地區天然氣季節性供需矛盾的不斷加劇，我國十分重視以地下儲氣庫為代表的調峰設施建設，中國石化勝利油田也計劃在永21區塊建設儲氣庫。然而，儲氣庫井具有吞吐量大、強注強采、使用周期長的特點，在工作時井筒要反復承受注采氣過程中所產生的交變應力作用和相應溫度的變化，工程條件十分苛刻，對保障固井質量及油井水泥環的封固可靠性帶來困難[1-2]。如果固井后環空氣竄會造成水泥漿膠結質量不好，發生地層氣體進入井筒，在水泥與套管、水泥與井壁之間形成竄槽，使各層間相互竄通，有時甚至竄入井口，造成儲氣庫不能正常注采，產生巨大的安全隱患[3-5]。

1 環空氣竄產生機理分析

一般認為環空氣竄有以下3個途徑：水泥或套管間的第一界面、水泥或地層間的第二界面和水泥本體內部[6]。國內外學者對環空氣竄進行了大量研究，逐漸形成了以下4種氣竄理論。

1）“橋堵失重”理論。水泥漿在高滲透率地層快速失水，水泥漿迅速變得濃稠和致密，容易形成橋堵。另外高速沖蝕下來的巖塊和水泥顆粒下沉，也可能在環空間隙較小處形成橋堵。下部水泥漿水化及失水引起體積收縮后，因為橋堵致使水泥漿靜壓傳遞受阻，作用在下部地層的液柱壓力小于地層壓力將導致環空氣竄發生[7]。

2）“膠凝失重”理論。水泥漿水化體積收縮及失水引起體積收縮后，水泥漿中的空間網架結構會使一部分水泥漿懸掛在井壁和套管上，上部靜液柱壓力不能有效地向下傳遞，從而導致膠凝失重。當下部液柱壓力與水泥漿靜膠凝強度發展引起的氣侵阻力之和小于地層壓力時，將會發生環空氣竄[8]。

3）“界面膠結”理論。在固井過程中，泥餅沖洗不徹底和水泥漿頂替效率低，會導致水泥環與套管、水泥環與地層膠結質量差而引起環空氣竄[9]。

4）“微裂縫-微環隙”理論。微裂縫是指水泥環內部或水泥環與地層之間產生的微小通道，而微環隙是指水泥環與套管之間因膠結質量不好產生的環形裂隙。該理論認為微裂縫-微環隙形成的主要原因是水泥漿自身性能和井筒條件影響，即包括水泥漿失水引起的體積收縮、初凝階段自由水的凝聚、泥餅存在導致頂替效率差、井筒溫度及壓力對水泥環的影響[10]。

通過分析以上氣竄機理，可以明確氣竄主要發生在兩個階段：固井注水泥階段與水泥漿候凝階段。注水泥階段一般要求注水泥過程中井筒內壓力穩定，而在水泥漿候凝階段則要求水泥強度發展迅速，水泥漿與地層、套管間的膠結強度良好。如果水泥環密封性出現問題，水泥環封固失效將會造成氣竄發生[11]。

因此為了確保注水泥期間壓穩油氣層和固井一、二界面的膠結質量，良好的固井頂替效率和注水泥時環空漿柱密度及環空ECD的精確控制是永21儲氣庫環空密封完整性的基礎保障。為了提高候凝階段防竄能力，則需重點進行防氣竄劑的優化設計研究[6，9]。

2 聚合物膠乳防氣竄劑研究

水泥漿水化過程中自身失重特性是引發氣竄的根本原因，“P地≥P環+P阻”是形成氣竄的前提條件，一旦氣層壓力P地大于環空靜液柱壓力（P環）與氣層流體在環空中流動阻力（P阻）之和就會形成環空氣竄的潛在危險。因此，防氣竄水泥漿體系的重點是如何提高氣體在環空中的遷移阻力。膠乳是一種性能優良的防氣竄外加劑，其作用機理為：利用化學交聯劑的交聯反應或網狀成膜效應形成不滲透膜，減少水泥漿體系的失水量，增加氣體在水泥漿中的侵入和運移阻力[3，8，12]。

2.1 聚合物膠乳防氣竄劑研制

在實驗研究的基礎上，研究形成了一種新型的JR-1聚合物膠乳防氣竄劑，其成膜和顆粒級配如圖1和圖2所示。

圖1 JR-1聚合物膠乳成膜示意圖

圖2 JR-1聚合物膠乳微球顆粒級配示意圖

如圖1和圖2所示，JR-1聚合物膠乳防氣竄劑一方面能夠在水泥石的內部形成三維網狀結構，增強水泥石的致密性，且聚合物膠乳的分子鏈中帶有大量的親水基團，從而可以降低水泥漿的失水量；另一方面，聚合物彈性微球還可以通過顆粒級配作用填充水泥石內部的孔隙裂縫，從而減少氣體的竄流通道。通過以上作用可以增加氣體擴散時的阻力，減少了氣體竄流的通道，達到防氣竄的目的。

2.2 聚合物膠乳防氣竄劑性能測試

采用水泥漿性能系數法（SPN）進行環空水泥漿防竄性能評價。通過水泥漿性能系數法分析，氣竄發生的原因是水泥漿候凝過程中靜膠凝強度發展緩慢，而失重較快。失水是影響失重的重要因素，也是水泥漿孔隙壓力下降的主要原因。為此，水泥漿孔隙壓力下降速率的大小可用水泥漿濾失速率來描述；靜膠凝強度發展規律可通過水泥漿稠度變化來體現，稠化過渡時間越短，靜膠凝強度發展越快，滲透率降低越迅速[7，13-14]。因此，將水泥漿濾失速率和水泥漿稠化過渡時間綜合考慮為水泥漿性能系數法，其表達式為：

式中：SPN為水泥漿性能系數；FLAPI為水泥漿API失水量，mL/（30min）；t100BC為水泥漿稠度達到100 BC所需時間，min；t30BC為水泥漿稠度達到30BC所需時間，min。

水泥漿API失水量越低、稠化過渡時間越短，在稠化時間內氣侵阻力變化越大，防氣竄能力越強。水泥漿性能系數法綜合考慮了水泥漿稠化過渡時間和失水速率以反映失重和靜膠凝強度發展變化。SPN值越小，水泥漿的防氣竄能力越強[15]。

本實驗選擇的水泥漿基礎配方為：800 g G級水泥+0.3%分散劑+1.0%降失水劑。水灰比為0.44，實驗溫度75℃。空白水泥漿的性能測試結果見表1。

表1 空白水泥漿性能測試結果

在空白水泥漿的基礎上，分別加入不同量的JR-1聚合物膠乳防氣竄劑。每個平行實驗均測定3次，并取平均值作為最終的實驗結果。實驗結果表明，當JR-1的加量達到7%時，水泥漿的SPN值最低為2.71，SPN降低率達到了83.3%。實驗結果見表2。

表2 水泥漿性能測試結果

3 永21儲氣庫防氣竄水泥漿體系

在形成防氣竄劑的基礎上，通過開展水泥漿綜合性能和水泥石力學性能評價綜合實驗，對高強增韌劑、緩凝劑、分散劑、降失水劑等外加劑及其加量進行了優選實驗，最終形成了永21儲氣庫防氣竄水泥漿體系配方：G級水泥+0.5%分散劑+1.2%降失水劑+0.3%緩凝劑+7%防氣竄劑+6%晶須增韌劑+5%膨脹劑，水灰比0.44。75℃測試結果見表3。

根據實驗結果，研制的防氣竄水泥漿體系具有優良的防氣竄能力，能夠提高環空水泥環的強度和韌性，降低環空水泥環和井筒受射孔等集中應力影響，增加環空水泥環和井筒抵抗交變載荷、非均布外載的能力，延長永21儲氣庫水泥環使用壽命。形成的防竄水泥漿體系在勝利油田永21鄰近區塊應用3口井，固井質量優質率100%，證明該水泥漿體系能夠有效提高固井質量。

表3 永21儲氣庫水泥漿性能測試結果

4 防氣竄水泥漿作用機理研究

為進一步探討JR-1膠乳提高水泥漿防氣竄性能的作用機理，利用掃描電子顯微鏡觀察分析了JR-1膠乳水泥石的微觀結構，并分析、解釋了JR-1膠乳的作用機理。JR-1膠乳水泥石的微觀結構表征如圖3所示。

圖3中的SEM圖顯示，空白水泥石表面粗糙不平，有明顯的孔隙結構存在，且孔徑大小不一，同時可觀察到大量的結晶和凝膠水泥水化產物。但加入JR-1膠乳的水泥石表面較為光滑，表面有一層明顯的膜狀物質覆蓋，同時也有少許的顆粒狀物質聚集，水泥水化產物外觀形貌不易觀察，且水泥石的孔隙數目以及尺寸也有明顯的減小。這是由于一方面膠乳與水化產物交聯在一起，形成了一種膜狀的結構，膜質覆蓋包裹水化產物或堵塞水泥石內部孔隙，增強了水泥石的致密性；另一方面，薄膜物質的覆蓋、包裹和堵塞作用，減小了水泥石內部孔隙間的連通性，減少了氣體竄流的通道，從而可有效防止氣體在孔隙溶液中的遷移，提高了水泥石的防氣竄性能。

圖3 水泥石的微觀結構表征

5 認識和建議

1）為了提高儲氣庫水泥漿的防氣竄能力，關鍵是提高水泥漿候凝階段防氣竄能力，防氣竄劑的研究設計是儲氣庫固井的重點。

2）水泥漿性能系數法綜合考慮了水泥漿稠化過渡時間和失水速率以反映失重和靜膠凝強度發展變化，能夠有效評價水泥漿的防氣竄能力。

3）本文研究形成了一種新型的JR-1聚合物膠乳防氣竄劑，掃描電鏡分析該處理劑可以增加氣體擴散時的阻力，減少了氣體竄流的通道，達到防氣竄的目的。

4）實驗證明，當JR-1聚合物膠乳防氣竄劑加量為7%時，水泥漿的SPN值最低為2.71，SPN降低率達到了83.3%，通過掃描電子顯微鏡分析進一步證實其增加了水泥石的致密性，提高了水泥石的防氣竄能力。

5）形成了一套適合永21儲氣庫的防氣竄水泥漿體系，建議在永21儲氣庫開展應用，提高儲氣庫固井質量。