CN112814739B - 一种顶板异常盐腔的套管水泥环系统密封性修补方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种顶板异常盐腔的套管水泥环系统密封性修补方法，包括以下步骤：S1、通过试验和数值模拟，分析盐腔围岩体的破损区分布范围，包括破坏区、扩容区、塑性区和弹性区，破坏区和扩容区不做装设套管鞋的位置；S2、判断当前的套管鞋位置是否合理；S3、提出新的套管鞋‑腔顶距安全距离，新的套管鞋‑腔顶距安全距离为15～20m；S4、在新的套管鞋安装位置，对管柱和水泥环开展切割锻铣处理，装设新的套管鞋。本发明方法科学合理、经济可行，在原有的溶腔和井筒系统基础上，不需要做大的改动，通过引入钻完井工程中的锻铣技术，继而提升套管鞋的高度，保证对存在问题的盐腔进行有效的修缮。
Description
技术领域
本发明属于盐穴储气库造腔技术领域，具体涉及一种顶板异常盐腔的套管水泥环系统密封性修补方法。适用于腔顶与套管鞋距离过短的盐腔，为保证储库运行密封性和稳定性而进行修补的工程。尤其适用于顶板异常、保护盐层薄和盖层密闭性能差的盐腔。
背景技术
地下储气库是平衡季节用气峰谷差的战略性基础设施。
在已建成和正在建的盐穴储气库中，有一类盐腔引起了该领域内的学者和企业的重视。该类盐腔通常表现为：顶板为“平顶”型，暴露跨度大，处于不稳定状态；套管鞋和腔顶的间距小(<10m)；腔体形状总体呈横向发展良好，纵向由于夹层垮塌掩埋造成有效腔高减少。本发明将这类盐腔命名为顶板异常盐腔。已有研究表明，(参考中科院王同涛对金坛顶板垮塌的盐穴储气库的研究和湖北潜江的腔体形态工作建议)该类盐腔十分不利于储气库的后续扩容建造和运行，顶板坍塌风险高、存在管柱被拉断，天然气进而突破套管鞋后泄露的可能。
水溶造腔中后期形成上述顶板异常盐腔的原因主要有以下原因：客观层面上，深部地下盐矿空间的复杂性、盐岩体的非均质性、夹层性质和倾角的变化、卤水流场运移规律的变化以及难以保持“弧形”的油垫形态难以使得腔体顶板按照设计好的“穹顶”形发展；主观层面上，溶蚀造腔过程中油水界面的监控不到位，不能及时对腔体形态进行声纳探测以及操作管理等因素。综合导致形成了结构稳定性很差的顶板异常盐腔形态。
这类异常顶板盐腔的出现使得顶板中的正应力变大，增加了顶板发生剪切破坏的概率。同时，顶板上部的破损区分布范围将进一步扩大，先前设计的套管鞋高度将不再满足顶板稳定性的要求；因为，在腔顶发生蠕变收缩的过程中，上覆岩层将通过水泥环携带已锚固在井筒围岩内的套管鞋一起向下发生变形，与套管鞋相连的生产套管会承受很大的拉应力。套管接箍处或套管一旦在非盐夹层或者渗透性很差的井壁处损坏，储气库套管的密闭性将得不到保证。这类异常顶板异常盐腔如果得不到及时的处理，继续扩容造腔或者投产运营，不仅经济成本高，顶板稳定状态还可能进一步恶化。
发明内容
基于此，本发明的目的在于提出了一种科学合理、经济可行的顶板异常盐腔的套管水泥环系统密封性修补方法，用于套管鞋深度提升进而修补套管水泥环系统密封性，在原有的溶腔和井筒系统基础上，不需要做大的改动，通过引入钻完井工程中的锻铣技术，继而提升套管鞋的高度，保证对存在问题的盐腔进行有效的修缮。
为进一步实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种顶板异常盐腔的套管水泥环系统密封性修补方法，包括以下步骤：
S1、通过试验和数值模拟，分析盐腔围岩体的破损区分布范围；
S2、判断当前的套管鞋位置是否合理；
S3、提出新的套管鞋-腔顶距安全距离；
S4、在新的套管鞋安装位置，对管柱和水泥环开展切割锻铣处理，装设新的套管鞋。
可选的，所述的步骤S1包括：
S11、试验研究得到待研究储气库的盐岩物理及力学特性，包括强度、内摩擦角以及本构关系；
S12、基于数值仿真平台，依据地层信息和待研究盐穴储气库的形状特征建立三维数值分析模型，对待研究储气库的地层地应力信息，包括垂直地应力和水平主应力进行等效简化后，施加到建成的三维数值分析模型上，并开展不同内压方案下的盐腔静力稳定性分析和长期流变动态稳定性分析；
S13、得出待研究盐穴储气库的破损分区范围，包括破坏区、扩容区、塑性区和弹性区。
进一步的，所述的步骤S13的破坏区和扩容区的腔顶岩体的应变值较大，不做装设套管鞋的位置。
可选的，所述的步骤S2包括：对待研究盐穴储气库的套管进行可承受的应变变形能力分析，判断当前的套管鞋位置是否处于盐腔破损区的显著范围内，是否超过套管可接受的极限变形范围。
可选的，所述的步骤S3新的套管鞋-腔顶距安全距离为15～20m。
可选的，所述的步骤S3还包括：对于大顶跨、薄保护盐层和盖层密闭性能差的盐腔，考虑盐腔的形状和顶板形态，按照盐腔的实际情况进行试验和数值模拟分析，得出套管鞋-腔顶距安全距离。
可选的，所述的步骤S4包括：
S41、对地面和井筒内的设备或管柱进行清除；
S42、根据单个套管的长度，判断新的套管鞋安装位置；
S43、采用钻完井工程中的锻铣技术，在新的套管鞋位置范围内，对套管和部分水泥环开展切割刮削处理；
S44、锻铣处理完成后，形成新的套管鞋安装位置，按照套管型号和设计安装的要求装设新的套管鞋。
进一步的，所述的步骤S42新的套管鞋安装在套管中间，避开套管接箍处。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
①本发明套管水泥环系统密封性的修补方法科学合理、经济可行。可以在原有的溶腔和井筒系统基础上，不需要做大的改动，通过引入钻完井工程中的锻铣技术，继而提升套管鞋的高度。就可以保证对存在这类问题的盐腔进行有效的修缮。
②受限于客观的盐岩地质条件以及当前水溶造腔控制技术的不完全成熟，这一类顶板异常盐腔出现的概率很大。随着盐穴储气库的发展向着更深更多夹层的领域进行探索，包括对溶蚀形成的不规则型盐腔的修复和采卤老腔的改扩建为储气库的工程，亟需一种有效可靠的方法解决套管鞋-腔顶距不足的问题。本发明为上述问题提供了一种新思路和新方法，具有深远的工程意义和经济前景。
③本发明仅对新套管鞋位置附近的套管和水泥环进行了锻铣处理，旧的套管鞋和与之相连的部分套管仍留在井筒内，不再对整个生产套管传递拉力。但是这一段套管的存在，一定程度上可以抑制腔顶上部井筒围岩体的蠕变收缩，从而做到了对裸眼段收缩闭合的保护，这对于储气库的运行是十分有利的。
④与原套管鞋连接的这一段套管没有经过锻铣处理，仍然单独停留在原来的位置，但是不再与新套管鞋以上的套管相连。一方面，这一段套管的存在，可以使得腔顶盐岩层向下变形时，对这一段套管附带施加的拉力，不会传递到上部的整个生产套管，从而保证修缮后的套管系统承受较小的拉力，产生较小的变形，从而可以避免套管系统出现密封性问题。另一方面，腔顶的盐岩层在变形的时候，水平方向整体上向着井筒内部的方向进行收缩。且越靠近腔体顶部的井筒段，由于腔顶周围的应力集中，将承受更大的偏应力，故收缩趋势更加明显。而这一段套管的存在，一定程度上可以很好地抑制这一段井筒的收缩变形，从而做到了对这一段井筒收缩闭合的保护，这对于储气库的运行也是十分有利的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明顶板异常盐腔的套管水泥环系统密封性修补方法的步骤示意图；
图2为本发明盐穴储气库围岩体破损区分区示意图；
图3为本发明工程设计标准推荐的套管鞋-腔顶距示意图；
图4为本发明修复前的顶板异常盐腔示意图；
图5为本发明修复过程的局部放大示意图；
图6为本发明修复完成后的顶板异常盐腔示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。
一种顶板异常盐腔的套管水泥环系统密封性修补方法，如图1所示，其步骤是：
步骤一，通过试验和数值模拟，分析盐腔围岩体的破损区分布范围。
首先，试验研究得到待研究储气库的盐岩物理及力学特性，如强度、内摩擦角和本构关系等。其次，基于flac3d、Abaqus等数值仿真平台，依据地层信息和待研究盐穴储气库的形状特征建立三维数值分析模型，对待研究储气库的地层地应力信息，包括垂直地应力和水平主应力进行合理科学的等效简化后，施加到建成的三维数值分析模型上。具体的等效过程可以参考已有研究《层状盐岩储气库物理力学特性与极限运行压力》 (岩石力学与工程学报，2008，梁卫国等)，并开展不同内压方案下的盐腔静力稳定性分析和长期流变动态稳定性分析，其中，不同的内压方案指的是腔体内压的分配方案，如内压范围在8～18MPa，7～18MPa等范围内变化。每种内压方案下分析方法是相同的。这些内压方案是可以随机分配的，但是，一般会根据实际工程经验给出大致范围，然后根据数值模拟手段不断细化，求出最佳的范围和内压变化方案。具体参考《超深地层盐岩地下储气库可行性》(中科院马洪岭)第五章中的研究算例。最后，得出如图2所示的待研究盐穴储气库的破损分区的范围，包括破坏区、扩容区、塑性区和弹性区；破损分区的范围主要是根据腔体顶部盐岩层强度理论体系进行得出的，主要包括试验研究、理论准则和数值模拟应用三个环节得出。每种不同的储气库破损分区是不一样的，需要具体分析，参考博士论文《超深地层盐岩地下储气库可行性》(中科院马洪岭)第四章：考虑高温高压效应的盐岩复合强度理论研究。其中，破坏区和扩容区的腔顶岩体的应变值较大，不利做装设套管鞋的位置。
步骤二，判断当前的套管鞋位置是否合理。
对待研究盐穴储气库的套管进行可承受的应变变形能力分析，从而判断当前的套管鞋位置是否处于盐腔破损区的显著范围内(大于1‰)，一般在破损区的破坏区和扩容区内，是否超过套管可接受的极限变形范围(小于3‰)，特殊的套管极限变形值确定方法按照下文的方法：关于套管鞋位置是否合理的判断方法案例：(来源自《盐穴储气库造腔控制与安全评估》(李银平，杨春和，施锡林著)；图4是典型的未得到修补的顶板异常盐腔示意图。套管鞋距离腔顶的间距普遍小于10m，十分不利于该盐腔的继续扩容造腔和运行。
例如：我国某盐穴储气库工程固井工程的套管钢材屈服强度σs在600MPa左右，套管钢材弹性模量E约为210GPa。管柱受力情况可简化为单轴拉伸模型，从而根据材料单轴应力-应变计算关系：σ＝Eε得到该套管可承受的应变变形约为3‰，为保证一定的安全系数，可以以1‰的腔顶盐岩蠕变变形量来确定“套管鞋-腔顶距”，进而通过盐穴储气库长期运行的静力分析和蠕变分析得出腔顶井筒附近的蠕变应变值，将两者对比，可以得到腔顶蠕变变形应变值小于1‰的高度范围，从而得到满足安全性要求的“套管鞋 -腔顶距”，该储气库最终得到的安全的套管鞋-腔顶距为不小于8.8m。
步骤三，提出新的“套管鞋-腔顶距”安全距离。
在步骤二的方法基础上，根据《盐穴储气库腔体设计规范》(QSY1416-2011)、《盐穴储气库造腔控制与安全评估》(李银平，杨春和，施锡林著)等相关设计资料，提出新的“套管鞋-腔顶距”安全距离。参考已有的工程实践和行业推荐，如湖北潜江地区的某盐穴储气库顶板埋深1946m，底板埋深2042m，溶腔高度96m，溶腔形状确定为上部为半椭圆，下部为半圆的组合，顶板地层等效荷载为35.68MPa，通过上述方法计算可得溶腔的套管鞋-腔顶距的距离至少为8m(马洪岭2010)；如图3所示，现行的被行业普遍认同的保守“套管鞋-腔顶距”为15～20m左右。
对于本发明中的研究对象“顶板异常盐腔”，即：特征如大顶跨、薄保护盐层和盖层密闭性能差的盐腔。应当慎重考虑盐腔的形状和顶板形态，尽量按照盐腔的实际情况进行试验和数值模拟分析(参考研究案例：《Geomechanical investigation of roof failureof China's first gas storage salt cavern》(中科院王同涛2018))，从而得出准确可靠的“套管鞋-腔顶距”安全距离。
步骤四，在新的套管鞋位置范围内，对管柱和水泥环开展切割锻铣处理，按设计要求装设新的套管鞋。
新的套管鞋-腔顶距的安全高度确定后，对地面和井筒内的多余设备或管柱进行清除，如一些安全阀、造腔管柱等。然后再根据单个套管的长度，判断新的套管鞋位置是在套管上还是套管接箍处，建议管柱刮削切割的位置尽量不要在套管接箍处，防止已有的套管螺纹对新的套管鞋的装设造成不必要的困难。最后，如图5所示，采用钻完井工程中的锻铣技术，在新的套管鞋位置范围内，对套管和部分水泥环开展切割刮削处理(以切割到刚好留出足够装设新套管鞋的位置即可)。套管和水泥环碎屑掉入盐腔内，旧的套管鞋和与之相连的部分套管仍然留在井筒内，不再对整个生产套管传递拉力。此外，与旧的套管鞋相连的这一段套管的存在也有利于储气库后期的运行稳定性，一定程度上可以抑制腔顶上部的井筒内的裸眼段部分的收缩闭合，对于整个储气库的运行是有利的。锻铣处理完成后，形成了新的套管鞋安装位置，进而按照套管型号和设计安装的要求装设新的套管鞋(图5)。留出了安全的套管鞋-腔顶距(如图5、图6所示)，整个套管将不会承受来自腔体顶部损伤变形引起的巨大拉力，保证了盐穴储气库的套管的密封性。图6是修补完成后的顶板异常盐穴储气库。
上述实施例仅为本发明的较佳的实施方式，并非对本发明实施方式的限定。在上述实施例的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法穷举所有实施方式。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化与改动仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种顶板异常盐腔的套管水泥环系统密封性修补方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过试验和数值模拟，分析盐腔围岩体的破损区分布范围；
所述的步骤S1包括：
S11、试验研究得到待研究储气库的盐岩物理及力学特性，包括强度、内摩擦角以及本构关系；
S12、基于数值仿真平台，依据地层信息和待研究盐穴储气库的形状特征建立三维数值分析模型，对待研究储气库的地层地应力信息，包括垂直地应力和水平主应力进行等效简化后，施加到建成的三维数值分析模型上，并开展不同内压方案下的盐腔静力稳定性分析和长期流变动态稳定性分析；
S13、得出待研究盐穴储气库的破损分区范围，包括破坏区、扩容区、塑性区和弹性区；所述的破坏区和扩容区不做装设套管鞋的位置；
S2、判断当前的套管鞋位置是否合理；
所述的步骤S2包括：对待研究盐穴储气库的套管进行可承受的应变变形能力分析，判断当前的套管鞋位置是否处于盐腔破损区的显著范围内，是否超过套管可接受的极限变形范围；
S3、提出新的套管鞋-腔顶距安全距离；
S4、在新的套管鞋安装位置，对管柱和水泥环开展切割锻铣处理，装设新的套管鞋；
所述的步骤S4包括：
S41、对地面和井筒内的设备或管柱进行清除；
S42、根据单个套管的长度，判断新的套管鞋安装位置；
步骤S42新的套管鞋安装在套管中间，避开套管接箍处；
S43、采用钻完井工程中的锻铣技术，在新的套管鞋位置范围内，对套管和水泥环开展切割刮削处理；
S44、锻铣处理完成后，形成新的套管鞋安装位置，按照套管型号和设计安装的要求装设新的套管鞋。
2.根据权利要求1所述的顶板异常盐腔的套管水泥环系统密封性修补方法，其特征在于，所述的步骤S3新的套管鞋-腔顶距安全距离为15～20m。
3.根据权利要求1所述的顶板异常盐腔的套管水泥环系统密封性修补方法，其特征在于，所述的步骤S3还包括：对于大顶跨、薄保护盐层和盖层密闭性能差的盐腔，按照盐腔的实际情况进行试验和数值模拟分析，得出套管鞋-腔顶距安全距离。
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