儲氣庫井水泥環密封性失效試驗研究

趙春 賀夢琦 陳顯學 汪衍剛 劉長環 馮永存 李曉蓉

循環注采氣會對儲氣庫井水泥環產生周期性載荷作用，易導致水泥環密封失效。以H儲氣庫井水泥環密封失效為背景，開展了水泥石循環加卸載及水泥石力學、孔滲測試，獲得了水泥石循環加載后的微觀結構CT形態，進行了全尺寸水泥環密封失效試驗。試驗結果表明：經過30輪次循環加載后水泥石力學性能降低、氣體滲透能力增加，但依然能有效阻止氣體從水泥基質泄漏；循環加卸載會造成水泥石微觀結構損傷進而產生累積塑性應變，循環輪次越多累積塑性應變越大；循環加卸載后，水泥石CT掃描形態顯示，水泥石中出現微觀結構損傷，水泥石微觀損傷程度由兩端至中心逐步減弱；全尺寸試驗證實水泥環一界面脫粘形成微環隙，底部氣體沿著微環隙上竄導致上部B環空帶壓，水泥環本體及二界面在各組測試壓力下均未出現破壞，不建議現場在現有基礎上繼續提高儲氣壓力。研究結果可指導H儲氣庫注采參數優化設計，并為國內外類似儲氣庫運行制度的合理制定提供參考。

儲氣庫井；水泥環；循環載荷；密封失效；全尺寸試驗

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

天然氣燃燒碳排放量相對較低，是一種清潔能源，但天然氣的消耗具有明顯區域及季節性差異。地下儲氣庫可在低需求時儲存多余的天然氣，在高需求時采出供應，可有效平衡供需差距、增強國家能源安全［1-2］。在世界范圍內，地下儲氣庫使用最廣泛的有枯竭氣藏和鹽穴儲氣庫［3］2種類型，其中枯竭氣藏儲氣庫儲氣容量更大，占地下儲氣庫總工作氣量的75%［4］。作為地面與儲氣庫之間的唯一通道，井筒在注氣和采氣過程中內壓反復波動［5-7］，使得環空水泥環受到反復加卸載作用，容易造成水泥環破壞進而產生密封失效［8-10］。目前國內外已出現大量儲氣庫井水泥環密封失效問題。水泥環失效有拉伸破壞、剪切破壞、一界面破壞、二界面破壞等形式［11-12］。各種破壞方式均會引起氣體在水泥環中竄流導致環空帶壓，高壓氣體沿水泥環泄漏至地面會對人員、環境、設施等帶來巨大安全隱患［13-15］，并導致巨大的經濟損失。因此保障水泥環的密封性對儲氣庫的安全運行至關重要［16-18］。

目前針對水泥環密封性失效，國內外進行了大量試驗及數值模擬研究。因數值模擬建模及參數設置過于理想化，難以對井筒復雜受力工況進行精確還原。相對數值模擬研究，水泥環密封性試驗是更加直觀、精確的研究手段。但現有水泥環密封性試驗研究多采用縮小井筒模擬裝置，人工制作模擬井筒澆注成型水泥環，所采用的井筒尺寸、材料與實際井下情況有較大差別，因此現有試驗研究能否真實反映井下水泥環受力情況存有較大不確定性。本文以H儲氣庫井水泥環密封失效問題為基礎工程背景，采用儲氣庫固井現場水泥配方，開展了水泥石在循環載荷作用下的力學性能及滲透性能測試；對循環加載后的水泥石進行CT掃描，獲取循環加載作用下水泥石微觀結構變化規律。并基于自研的全尺寸水泥環密封性試驗裝置，采用現場套管開展循環注采氣工況下的水泥環密封性試驗研究，探究循環載荷作用下水泥環密封失效規律及機理，指導注儲氣庫注采參數優化設計。研究結果可為國內外類似儲氣庫運行制度的合理制定提供參考依據。

1 H儲氣庫概況

H儲氣庫是一種枯竭氣藏型儲氣庫，截至目前已投產注采井30余口，均采用相似的井身結構。圖1為X井身結構示意圖。自H儲氣庫投產以來，初期儲氣壓力為20 MPa左右，后續提升至26 MPa左右，其蓋層極限承壓能力在30 MPa以上，還有進一步提升儲氣壓力的空間。自投產以來已經有10口井出現B環空（油層套管與技術套管之間環空）帶壓。對B環空帶壓井開展光纖聲波振動檢測，顯示B環空在多個井深處檢測到泄漏信號，證實B環空水泥環密封性出現破壞，進而引起氣體泄漏導致環空帶壓。為避免環空帶壓情況進一步惡化，有必要開展水泥環密封性失效機理試驗研究，以指導后續注采氣參數設計。

2 試驗

2.1 水泥石孔滲、力學及循環加載試驗

基于儲氣庫現場水泥漿配方配置水泥漿，經養護后形成水泥石，鉆取成標準圓柱試樣1、2，如圖2所示（直徑25 m，高度50 mm）。試樣1、2力學及孔滲參數完全一致。首先基于試樣1開展水泥石初始孔滲參數測試，測試過程如圖3a所示，獲得水泥石初始孔隙度及滲透率；再對試樣1開展力學參數測試，測試過程如圖3b所示，記錄測試過程中的應力應變曲線，獲取水泥石初始抗壓強度（δmax）；然后對試樣2開展水泥石循環加卸載力學試驗。基于現場注采壓力及注采頻率實際情況，循環載荷上限設置為初始抗壓強度的80%（0.8δmax），循環次數為30次，記錄循環加卸載過程中的應力應變曲線，分析循環應力應變曲線特征。將循環加卸載完后的水泥石試樣2進行CT掃描，獲取水泥石試樣內部微觀結構圖像，以分析循環加載后的內部微觀結構損傷特征，再進行孔滲參數測試，最后對循環加載后的試樣2開展力學測試。將水泥石循環加載后測得的力學、孔滲參數與初始力學、孔滲參數對比，獲取循環加載對水泥石力學、孔滲性能的影響規律。

2.2 全尺寸水泥環密封性試驗

試驗用水泥漿采用現場實際固井配方進行配制。試驗用套管取自H儲氣庫現場，技術套管、油層套管、外管的管柱尺寸、材質與井下管柱完全一致，可保證試驗條件與現場實際情況相符。課題組自研全尺寸水泥環密封性測試裝置，裝置由基座、管柱系統、密封系統、加壓體統、檢測系統、控制系統組成，可模擬測試循環注采氣工況下的多重管柱及水泥環密封性。裝置實物如圖4所示。

依據H儲氣庫歷史注采壓力實際數據共設置9組不同循環內壓，循環上限壓力分別為20、21、22、23、24、25、26、27、28 MPa。因儲氣庫采氣時最低壓力為5 MPa，各組循環下限壓力均設置為5 MPa。全尺寸水泥環密封性試驗系統原理如圖5所示。

具體測試流程如下：

（1）安裝全尺寸油田現場套管，依據現場固井水泥漿配方配制水泥漿。

（2）將配制好的水泥漿注入油層套管與技術套管構成的環空（B環空）中，在外管外部布置加熱墊加熱以模擬地層溫度，養護120 h，等待水泥漿固化形成水泥環。

（3）待水泥漿體凝固后，分別在油層套管內部、油層套管與外管環空注入耐高壓液體，液面與上密封蓋留有一定間距。將上密封蓋安裝至套管頂部，擰緊螺栓保證井筒系統的密封性，連接好各閥門與傳感器。打開氣瓶1，在油層套管與外管之間注氣加壓，以模擬地應力對管柱的擠壓作用。

（4）打開氣瓶2，在水泥環底部注氣，將底部壓力p1調至2.5 MPa，用以對水泥環開展氣密檢測。

（5）打開氣瓶3，向油層套管內注氣加壓，達到目標試驗壓力后，關閉氣瓶；打開泄壓閥門，進行泄壓；泄壓至指定壓力，控制系統自動記錄測試過程中系統壓力變化。

（6）觀察水泥環底部注入壓力p1是否降低。若降低表示水泥環已密封失效；若未降低，說明水泥環密封良好。重復步驟5，進行后續輪次循環加卸載，每組均進行30輪次的循環加載。結束試驗，保存試驗數據。

3 試驗結果分析

3.1 水泥石力學及孔滲測試結果

水泥石在循環加載前后力學測試過程中的應力應變曲線如圖6所示，抗壓強度、彈性模量、滲透率及孔隙度統計如表1所示。

由表1可見，水泥石初始抗壓強度（δmax）和彈性模量分別為32.2 MPa、7.2 GPa。循環加載上限設定為25.5 MPa（0.8δmax），經循環加載后抗壓強度和彈性模量分別為30.6 MPa、6.8 GPa，抗壓強度和彈性模量分別降低 4.96%、5.55%。分析認為，在循環載荷作用下水泥石內部產生微觀結構損傷，如微裂隙、微孔隙密度增高等，導致水泥石基質承載能力降低，宏觀上表現為抗壓強度及彈性模量的降低。但兩者降低幅度均較小，在可接受范圍內，說明水泥石有較強抵御循環載荷的能力，在井下實際循環注采氣過程中水泥環可以保持較高的力學完整性。循環加載前初始孔隙度、滲透率分別為8%、0.02 mD，循環加載后孔隙度、滲透率分別為22%、0.08 mD，分別增加1.75倍和3.00倍。證實了循環載荷作用下水泥石內部會萌發微孔隙微裂縫，導致孔隙度及滲透率有較大幅度增加。但當水泥石滲透率超過0.1 mD時氣體才會通過水泥石基質泄漏［19］，因此在30輪次循環加載后水泥石基質仍然保持對氣體的密封性，可以由此推理井底氣體不會通過水泥環本體泄漏至地面。

3.2 循環加載水泥石應力應變發展及CT掃描微觀結構特征

循環加載過程中的應力應變曲線如圖7a所示，循環加載過程中的累積塑性應變結果統計如圖7b所示。由圖7可見，在第一個加載輪次就產生了不可恢復的塑性應變，初始塑性應變值為0.17%；隨著循環加載輪次的增加，塑性應變值不斷累積增加，到第30輪次累積塑性應變值為0.59%。分析認為在循環加載過程中水泥石出現微結構損傷進而產生塑性變形，塑性變形在卸載過程中不能恢復，且隨著循環加載輪次的增加微結構損傷程度逐漸增加。

水泥石循環加載后內部微觀結構CT掃描形態如圖8所示。圖8中透明處為正常水泥石基質形態，呈現黃色部分為產生微觀結構損傷處形態。損傷密度越高顏色越深，可見微觀損傷在水泥石兩端產生密度最高，微觀結構損傷由兩端至中心呈輻射狀延伸，但損傷并未交聯到一起。由于水泥石兩端直接承載壓力測試機的載荷，導致水泥石微觀損傷程度由兩端至中心逐步減弱，可由此反推井下水泥環在循環注采壓力下由內壁向外壁微觀損傷程度逐步遞減。

3.3 循環加載下水泥環密封失效及微環隙形成規律

3.3.1 循環加載下水泥環密封性測試結果

總共9組不同注采壓力試驗數據統計如圖9所示。每組結果均記錄了套管內壓、水泥環底部注氣壓力、水泥環頂部監測壓力3組壓力數據隨時間的變化過程。由圖9可見：在前幾個注采輪次水泥環底部注氣壓力恒定不變，水泥環頂部監測壓力為0，說明水泥環密封完好；隨著注采氣過程的持續進行，各組試驗均出現了水泥環底部注入壓力的降低及水泥環頂部監測壓力的升高，最終水泥環頂部壓力與底部壓力趨于相同值。這說明氣體從底部突破水泥環流向頂部造成頂部壓力升高，證實水泥環上下連通出現密封失效。試驗精確還原了儲氣庫注采工況下水泥環密封失效真實場景，可對研判儲氣庫現場環空帶壓規律提供重要參考。

經統計，在注氣壓力分別為20、21、22、23、24、25、26、27、28 MPa時，水泥環密封失效分別出現在第29、28、27、26、25、23、21、18輪次。由此可見，注氣壓力越高，水泥環密封性失效出現的時間越早。分析認為，注氣壓力越高水泥環系統承受的應力水平越高，越易出現水泥環本體及界面的破壞。且在較低壓力基礎上增加單位注氣壓力水泥環密封性失效進展速度較低，在較高壓力基礎上增加單位注氣壓力水泥環密封性失效速度會加劇。目前H儲氣庫儲氣壓力不高于26 MPa，試驗結果提示，若繼續增加儲氣壓力，水泥環密封性失效風險會加速增加。從延長水泥環密封時間的角度而言，不建議繼續提高儲氣壓力。

3.3.2 循環加載對水泥環界面微環隙寬度影響

循環加載水泥環密封性測試進行完畢后，經檢測在各組循環壓力下均未出現水泥環本體的破壞；但水泥環與內層套管界面（一界面）均出現剝離形成了微環隙；水泥環與中層套管界面（二界面）未出現微環隙。微環隙形態如圖10所示。分析認為，在循環內壓作用下，由于套管與水泥環彈性力學性質的差異導致兩者變形不協調，繼而造成兩者界面產生破壞［20-21］。由于水泥環本體擁有較高的機械強度，注采氣壓力不足以直接造成水泥環本體的破壞；當套管內壓力傳遞到水泥環中時，由于水泥環本體的緩沖作用，二界面受力相對較小而不易產生破壞［22-23］。系列試驗證實H儲氣庫B環空帶壓為一界面破壞所致，因此H儲氣庫后續新建井固井時應著重提高一界面膠結強度。

為精確測量微環隙尺寸，在裂縫處采取特殊切割方式切取界面試樣，嚴格保證切割過程中裂縫原始尺寸不受外界擾動影響。將界面試樣置于電鏡下觀察裂縫形態并精確測量裂縫尺寸，裂縫形態電鏡掃描如圖11所示。

由圖11可見，水泥環與套管之間出現了不同程度的剝離形成縫隙。經統計，在注氣壓力為20、21、22、23、24、25、26、27、28 MPa時，微環隙寬度分別為306、315、326、347、359、377、395、411、426 μm。可見隨著循環加載上限壓力的升高，微環隙寬度呈接近線性趨勢增加。目前H儲氣庫儲氣壓力為26 MPa左右，若繼續提高壓力水泥環微環隙尺寸將會增大，環空氣體泄漏會更加嚴重。從降低微環隙尺寸角度而言，也不建議繼續提高儲氣壓力。

4 結 論

（1）將取自H儲氣庫現場水泥漿配方材料制成的水泥石經過循環加載后，抗壓強度、彈性模量均有一定降低，證明循環載荷對水泥石力學性能構成損傷，但損傷程度有限；孔隙度、滲透率均增加，說明循環載荷增加了水泥石氣體滲透能力，但依然能有效阻止氣體從水泥基質泄漏。

（2）第一個循環加載輪次水泥石就產生不可恢復的塑性應變，隨著循環加載輪次的增加，塑性應變值不斷累積增加。分析認為循環載荷造成水泥石微觀損傷，產生不可恢復的塑性變形，循環加載輪次越多結構損傷越嚴重。

（3）循環加載后的水泥石CT掃描形態證實水泥石中出現微觀結構損傷，且損傷形態由兩端至中心呈輻射狀延伸。因水泥石兩端直接承載壓力測試機的載荷，導致水泥石損傷程度由兩端至中心逐步減弱，可由此反推井下水泥環在循環注采壓力下由內壁向外壁微觀損傷程度逐步遞減。

（4）全尺寸試驗證實，在循環載荷作用下水泥環一界面脫粘形成微環隙，底部氣體沿著微環隙上竄導致上部B環空帶壓，水泥環本體及二界面在各組測試壓力下均未出現破壞，且儲氣壓力的升高導致一界面微環隙寬度呈接近線性趨勢增加。目前H儲氣庫注氣壓力為26 MPa左右，若繼續提高儲氣壓力微環隙尺寸將會增大，環空氣體泄漏會更嚴重，為降低微環隙尺寸及密封性失效風險，不建議繼續提高儲氣壓力。

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