袁明陽 吳洪濤 盧家孝 鄧鵬

捷貝通石油技術(shù)集團(tuán)股份有限公司 四川 成都 610066

天然氣儲氣庫運行期間，在低溫環(huán)境下，天然氣會發(fā)生凝析、收縮、膨脹等物理變化，產(chǎn)生的熱量會不斷向外釋放，致使儲氣庫壓力和溫度不斷變化。在壓力作用下，天然氣會發(fā)生流體的物理變化，從而影響到儲氣庫的注氣質(zhì)量和注氣效率。而由于天然氣的低溫特性，其對儲氣庫的影響和制約作用較大，例如：在注氣過程中，由于溫度過低，會導(dǎo)致天然氣凝析、收縮；在注氣過程中，由于溫度過低，會導(dǎo)致天然氣膨脹；在生產(chǎn)過程中，由于溫度過低，會導(dǎo)致天然氣凝析、收縮。針對不同的問題和制約因素，科研人員對儲氣庫的固井技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)。

1 儲氣庫工程概況

某儲氣庫位于重慶市，是中國石油集團(tuán)西南石油局在“十一五”期間規(guī)劃建設(shè)的3座大型儲氣庫之一。儲氣庫在正常運行期間，可以有效地解決重慶市天然氣供應(yīng)不足的問題。

目前該儲氣庫一期工程建設(shè)規(guī)模為：注氣能力為5億m3，新建地下洞室群4座，分別是：A區(qū)2座、B區(qū)1座、C區(qū)1座；同時建設(shè)配套附屬工程2處，分別是：A區(qū)擴(kuò)建地下洞室群配套建設(shè)1座壓力調(diào)節(jié)站和B區(qū)新建地下洞室群配套建設(shè)1座壓力調(diào)節(jié)站。整個工程于2013年底竣工。

該儲氣庫工程包括儲氣庫和配套管網(wǎng)兩個部分，總投資約為133億元人民幣。其中，儲氣庫總投資約為120億元人民幣，建設(shè)內(nèi)容包括地下洞室群、地面輸氣管網(wǎng)、注氣系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等。

儲氣庫工程是國家重點建設(shè)項目，建成后將為重慶市及西南地區(qū)提供超過80億m3/a的天然氣，對保障當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要意義。儲氣庫項目作為我國首個地下洞室群建設(shè)項目，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，建成后將為重慶、西南地區(qū)天然氣供應(yīng)提供強有力的保障[2]。

該儲氣庫存在以下難點：①地層具有壓力系數(shù)低、地層埋深大的特點；②由于本地區(qū)屬于海陸交互相沉積地區(qū)，其地質(zhì)特征為構(gòu)造破碎帶和斷層發(fā)育，且多為斷層及裂縫發(fā)育帶；③在地區(qū)存在高壓含水層、鹽水層等復(fù)雜地層，且地層溫度較低；④該地區(qū)為石灰?guī)r地層，具有漏失嚴(yán)重的特點。

為了解決以上難點問題和保障工程的順利實施，需要對該儲氣庫進(jìn)行固井作業(yè)。而固井作業(yè)是地下儲氣庫建設(shè)過程中的重要環(huán)節(jié)之一。在該儲氣庫的固井施工過程中，由于該工程所處地區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境和高溫高壓因素對固井作業(yè)產(chǎn)生了一定的影響[3]，因此在對該工程進(jìn)行固井施工過程中，應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)特征和工程特點制定相應(yīng)的固井方案、工藝技術(shù)措施以及施工工藝等，從而提高該工程固井作業(yè)效果和施工質(zhì)量。

2 技術(shù)難點分析

2.1 低溫易漏

儲氣庫屬于地下儲氣庫，受地層溫度、壓力及注采井網(wǎng)等因素影響，在注采井段易發(fā)生漏失。特別是在井段的底部，由于井段較長，加之低溫和高壓的影響，造成井段出現(xiàn)漏失的概率較大，對固井質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，增加了固井施工難度。同時，在井口套管串下入過程中，由于套管串上下溫差較大，容易造成套管串變形。因此，在固井施工過程中，要加強對套管串下入過程的控制和管理，確保套管串下入深度符合設(shè)計要求[4]。

2.2 環(huán)空帶壓大

儲氣庫在運行中會產(chǎn)生高溫高壓的氣體，如果前期固井施工過程中套管串在井口時發(fā)生變形，容易造成套管串外擠竄；同時若固井質(zhì)量較差，不能滿足長期注采的要求，導(dǎo)致氣竄，會引起較大的環(huán)空壓力，帶來安全隱患。因此在固井施工過程中，要特別注意對套管串的管理。要通過定期檢查套管串的變形情況，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取有效措施進(jìn)行處理，防止發(fā)生套管串變形而導(dǎo)致固井失敗[5]。同時，還要對井口的壓力情況進(jìn)行監(jiān)測，避免由于進(jìn)口壓力過高而導(dǎo)致固井失敗。

2.3 套管下入難度大

一般情況下儲氣庫運行時間較長，容易出現(xiàn)變形、腐蝕的情況。因此在固井工程時，要特別注意套管的下入情況，防止發(fā)生套管串掉入井內(nèi)而導(dǎo)致固井失敗的情況發(fā)生，還要加強對套管下入深度的控制。同時，在施工過程中要加強對進(jìn)口壓力的監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果來調(diào)整水泥漿體系的密度和流變性，以防止在施工過程中由于壓力過大而導(dǎo)致套管串變形或脫空，給固井施工帶來安全隱患。

2.4 井筒溫度高

儲氣庫固井過程中，井筒溫度高，對水泥漿的性能要求較高。首先，封隔器附近的水泥漿必須具有良好的抗溫性能；其次，水泥漿體系必須具有較高的抗高溫性能；第三，水泥漿體系還需具有良好的流動性和流變性，確保在施工過程中水泥漿體系具有良好的流動性，能夠順利流入封隔器附近，使水泥漿體系可以順利流入套管內(nèi)，從而避免由于水泥漿流動性差而導(dǎo)致的套管外竄或套管內(nèi)漏的情況發(fā)生[6]。同時，還需保證水泥漿體系具有較高的抗壓、抗拉、抗剪切強度。

2.5 水泥漿體系配比難把握

儲氣庫運行過程中，注采井段溫度較高，容易造成水泥漿體系失水過大，同時水泥漿體系失水過小，也會導(dǎo)致水泥漿體系性能無法滿足固井要求。因此，在固井施工過程中要合理調(diào)整水泥漿體系的密度和流變性，確保水泥漿體系具有良好的性能。在此基礎(chǔ)上，還要加強對水泥漿體系的水化反應(yīng)過程的控制，以避免因水化反應(yīng)速度過快而導(dǎo)致水泥漿體系失水過大。同時，還要加強對水泥漿體系失水量的控制，確保水泥漿體系失水在合理范圍內(nèi)，從而為固井施工提供良好的條件。

3 固井工藝優(yōu)化

為保證儲氣庫建設(shè)的安全性，設(shè)計過程中必須充分考慮施工的安全性。在施工過程中，一定要嚴(yán)格按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行作業(yè)，并且對整個施工過程進(jìn)行實時監(jiān)控，確保整個施工安全順利進(jìn)行。為保障施工的安全性，還需要采用一系列先進(jìn)技術(shù)，如優(yōu)化水泥漿體系、保證水泥漿性能以及提高防竄性能等。

3.1 優(yōu)化水泥漿體系

針對儲氣庫建設(shè)過程中存在的問題，在保證水泥漿性能和防竄性能的前提下，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整水泥漿體系。首先是降低水泥漿密度，因為水化反應(yīng)速度隨密度的降低而加快。為了避免地層漏失風(fēng)險，可以適當(dāng)降低水泥漿密度或提高井底承壓能力。另外，還要對水泥漿密度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使之滿足儲氣庫施工過程中對水泥漿密度要求。同時在使用過程中可以采用微膨泥漿體系來進(jìn)行替代。微膨泥漿體系具有良好的流變性、防竄性能和較低的密度等特點，能有效減少地層漏失風(fēng)險。

3.2 提高水泥漿體系中的膠結(jié)強度

微膨脹水泥漿體系具有較高的流動性、低密度、抗壓強度高、緩凝時間長、稠化時間長、穩(wěn)定性好等特點。同時還具有良好的水化熱反應(yīng)能力和抗高溫能力，從而避免了水化膨脹時產(chǎn)生的早期強度損失，有利于提高水泥漿體系的防竄性能和抗高溫性能。

3.3 優(yōu)選水泥漿外加劑

選用合適的外加劑對保證固井質(zhì)量非常重要。目前常用的外加劑有非離子型和兩性離子型兩大類，但由于儲氣庫內(nèi)環(huán)境條件較為復(fù)雜，所以在實際應(yīng)用過程中應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行優(yōu)選。例如選用非離子型外加劑可以有效防止水泥漿體系早期失水及降低水泥石收縮；選用兩性離子型外加劑可以有效防止水泥漿體系在高溫條件下發(fā)生水化反應(yīng)而產(chǎn)生稠化現(xiàn)象；選用兩性離子型外加劑可以有效提高水泥石強度。

3.4 優(yōu)化水泥漿頂替效率和頂替界面面積

為保證固井質(zhì)量和防止出現(xiàn)漏失問題，應(yīng)該將水泥漿性能與頂替界面面積相結(jié)合，從而保證固井質(zhì)量和降低固井成本。通常情況下，需要通過調(diào)整水泥漿性能來改變水泥漿頂替界面面積，從而達(dá)到提高頂替效率、減少漏失的目的。因此在實際工作中需要結(jié)合具體情況進(jìn)行分析和研究，采取優(yōu)化水泥漿體系和設(shè)計工藝來保證固井質(zhì)量和降低成本。

3.5 改進(jìn)后的固井工藝流程

第一步是測量井底液柱壓力和套管外壓；第二步是在固井過程中對頂替效率進(jìn)行實時監(jiān)測；第三步是在頂替結(jié)束后測量套管外壓和環(huán)空返速；第四步是測量出井內(nèi)壓力后記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；第五步是及時調(diào)整排量確保設(shè)計排量下套管順利通過封固段；第六步是使用旋轉(zhuǎn)流量計測量出地層流速并計算出水泥漿在井筒內(nèi)的時間；第七步是使用壓差計測量出水泥漿在地層中的壓差并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 改進(jìn)后的固井效果

儲氣庫固井后，經(jīng)過現(xiàn)場施工驗證，改進(jìn)后的固井技術(shù)具有以下幾個方面的優(yōu)勢：

一是優(yōu)化了水泥漿配方，采用1.45～1.48g/cm3水泥漿體系密度，減少了后期水化過程中產(chǎn)生的收縮，提高了固井質(zhì)量；二是采用多功能水泥漿封固段內(nèi)薄層段，有效地降低了地層承壓能力；三是采用了雙級加壓水泥漿體系，在較高溫度下和較低溫度下都能保證水泥石強度；四是采用雙級加壓水泥漿體系，可將水泥漿密度降低至1.15～31.15g/cm3，提高了固井施工的安全可靠性。

上述技術(shù)在實際應(yīng)用中取得了較好的效果，經(jīng)現(xiàn)場施工驗證，改進(jìn)后的固井技術(shù)有效地避免了水淹層等復(fù)雜情況的發(fā)生。同時，通過對改進(jìn)后的固井技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用，也能夠有效地降低施工成本、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

儲氣庫注采井組的主要功能是實現(xiàn)儲氣庫中天然氣的存儲和輸送，而其注采工作就是在高壓環(huán)境下，將天然氣從地下注入井口，完成注采工作。因此，為了保證注采井組的安全可靠，注采井組的固井施工就顯得尤為重要。

對于儲氣庫建設(shè)項目而言，固井施工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到儲氣庫能否建成投產(chǎn)，因此，固井質(zhì)量是儲氣庫建設(shè)項目能否正常運行的關(guān)鍵。目前國內(nèi)在低溫易漏儲氣庫固井方面存在著技術(shù)資料不完善、固井質(zhì)量較差、施工風(fēng)險高等問題，如不及時解決這些問題，將會對后續(xù)的儲氣庫建設(shè)項目造成嚴(yán)重的影響。從目前國內(nèi)情況來看，多數(shù)的儲氣庫建設(shè)項目都存在著固井質(zhì)量較差的問題，特別是對于一些低溫易漏儲氣庫建設(shè)項目來說，固井質(zhì)量差會直接影響到其正常運行。

5 結(jié)束語

天然氣儲氣庫工程作為一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其建設(shè)質(zhì)量將直接關(guān)系到儲氣庫能否正常運行。由于儲氣庫井普遍存在低滲儲層壓力低、地層壓力系數(shù)小、井內(nèi)氣體具有一定的流動性等問題，導(dǎo)致儲氣庫井固井難度較大，因此，必須加強對天然氣儲氣庫固井技術(shù)的研究。通過對現(xiàn)有的低溫易漏儲氣庫固井技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，有效地提高了固井質(zhì)量，減少了固井返出量和漏失次數(shù)，保證了儲氣庫的正常運行。