國內(nèi)地下儲氣庫鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀分析

袁光杰 楊長來 王 斌 夏 焱 班凡生 莊曉謙

1．中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院 2．中國石化天然氣川氣東送管道分公司3．中國石油新疆油田公司儲氣庫項目部

根據(jù)國際天然氣聯(lián)盟（IGU）統(tǒng)計，目前全球共36個國家和地區(qū)建設(shè)有630座地下儲氣庫，地下儲氣庫總工作氣量為3 530×108m3，約占2010年全球3．1×1012m3天然氣消費量的11．14%。共有儲氣庫井2．3×104口。美國、俄羅斯、烏克蘭、德國、意大利、加拿大、法國是傳統(tǒng)的儲氣庫大國，占全球地下氣庫工作氣量的85%；全球地下儲氣庫總工作氣量的78%分布于氣藏型儲氣庫，5%分布于油藏型儲氣庫，12%分布于含水層儲氣庫，5%分布于鹽穴儲氣庫，另有約0．1%分布于廢棄礦坑和巖洞型儲氣庫中［1］。

枯竭油氣藏是世界上最適合建設(shè)地下儲氣庫的一種類型。1915年在加拿大安大略省Wellland枯竭氣藏建立首個儲氣庫，到2006年全球利用枯竭油氣藏改造而成的儲氣庫有495座，占當年儲氣庫總量的82%。2006年美國365座枯竭油氣藏儲氣庫中的320座為氣藏儲氣庫，10座為凝析氣藏儲氣庫，9座為油藏儲氣庫，26座為油氣藏儲氣庫［1］。國外枯竭油氣藏儲氣庫儲層深度在500～2 500m，儲層滲透率一般在幾十至上千毫達西，巖性主要為砂巖和石灰?guī)r，部分氣田含H2S。

1959年前蘇聯(lián)建成第1口鹽穴儲庫井，現(xiàn)在全世界有60多座鹽穴儲氣庫。鹽穴儲庫的類型主要有3種：薄鹽層中的巷道式鹽穴腔體，多夾層巖鹽中的倒梨形腔體和鹽丘中的圓柱形腔體［2－3］。國外鹽穴儲氣庫的目的層一般為鹽丘，厚度高為500～1 000m；巖鹽埋深一般在1 500m以內(nèi)；巖鹽品味好，不溶物含量低、夾層少。

美國于1953—1958年在芝加哥肯塔基建成了世界上第一個含水層地下儲氣庫；世界上最大的含水巖層地下儲氣庫為俄羅斯的卡西莫夫地下儲氣庫。美國是擁有含水層儲氣庫最多的國家（47座），法國15座儲氣庫中有12座為含水層型儲氣庫，是目前擁有含水層型儲氣庫比例最高的國家。

1 國外儲氣庫鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀分析

1．1 注采井壽命設(shè)計

國外儲氣庫建設(shè)單位重視巖石力學、管柱力學等基礎(chǔ)性研究，重視建井質(zhì)量的管理，氣庫注采井按至少30年不修井的原則進行壽命設(shè)計。目前比利時Loenhout儲氣庫已經(jīng)實現(xiàn)了這一目標，法國TIGF儲氣庫也已運行超過了50年，目前僅1口井有異常套壓（除封堵井外），荷蘭Norg儲氣庫6口生產(chǎn)井生產(chǎn)14年沒有異常套壓［4－7］。

1．2 鉆井方式及井型

枯竭氣藏儲氣庫井在鉆井方式上主要采用叢式井場設(shè)計，便于集中管理，減少設(shè)備搬遷。比利時Loenhout儲氣庫用4個叢式井組完成30口井；荷蘭Norg儲氣庫采用1個叢式井組鉆成10口井，井間距為10 m；法國TIGF儲氣庫叢式井組井間距為7m。儲氣庫注采井應根據(jù)儲層特征，優(yōu)先采用水平井或采用水平井、定向井組合提高單井注采能力，水平井水平段長度原則上不小于500m。德國Breitbrunn－Eggstatt儲氣庫最近新鉆5口水平井，最大水平位移為1 514m；西班牙Yela儲氣庫10口注采井均采用了叢式水平井或定向井［4，8］。

1．3 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

儲氣庫注采井為滿足季節(jié)調(diào)峰和應急供氣的功能，需要滿足大流量注采及長壽命、高安全的要求，應盡量采用較大尺寸的井身結(jié)構(gòu)。對于低壓油氣藏型儲氣庫采用儲層專打，不兼顧其他層位。儲氣庫生產(chǎn)套管及完井管柱在材質(zhì)選擇方面主要根據(jù)注采氣質(zhì)而定，若存在腐蝕因素，應采用相應的防腐材質(zhì)，材質(zhì)選擇上都比較保守。例如歐洲比利時的Loenhout儲氣庫、Yela儲氣庫和荷蘭的Norg儲氣庫采氣油管均為177．8mm［4］。

1．4 鉆井工藝技術(shù)

針對低壓地層，采取欠平衡＋帶壓作業(yè)，儲層壓力過低的采取先注氣提高壓力再鉆井的操作程序，以減少對儲層的傷害［5］。如比利時Loenhout儲氣庫，即采用了帶壓作業(yè)完井的方式進行操作；西班牙Serrablo儲氣庫為一個衰竭型氣藏，為降低鉆井復雜，進行了先注、后鉆注采井的工作［4］。完井管柱上卸扣時主要采用帶扭矩檢測，確保上扣扭矩且要求每根套管均進行氣密封檢測，確保入井管柱密封質(zhì)量。國外儲氣庫在下氣密封管柱時，均要求每根套管均進行氣密封檢測［8］。

1．5 固井技術(shù)

儲氣庫井筒水泥環(huán)在交變應力條件下，很容易產(chǎn)生微裂縫、微環(huán)空，產(chǎn)生氣竄和套管帶壓風險。為了提高固井質(zhì)量，主要采取以下措施：①儲氣庫注采井設(shè)計上要控制單層套管下入深度；②重視每一層套管的固井質(zhì)量，水泥返至地面；③采用韌性膨脹水泥，減少應力交變對水泥環(huán)的影響；④采用自愈合水泥技術(shù)，填充后期產(chǎn)生的微裂縫；⑤固井質(zhì)量檢測要求高，國外普遍采用超聲波成像測井方法（如IBC）。通過運用上述措施，Total、Shell在建井質(zhì)量控制上取得了很好的效果，法國TIGF儲氣庫目前僅1口井有異常套壓；荷蘭Norg儲氣庫6口生產(chǎn)井生產(chǎn)14年沒有異常套壓［9－11］。

1．6 完井技術(shù)

針對枯竭氣藏儲氣庫注采井出砂問題各公司的認識不同，Geostock、Schlumberger認為裸眼或篩管完成更有利于注采，TIGF采用了防砂篩管，Norg初期采用了防砂篩管，鑒于采氣壓差低、出砂量很小的情況，改防砂篩管為普通篩管。根據(jù)儲氣庫完整性要求，原則上不進行壓裂改造，若個別注采井存在堵塞和傷害，可采取酸化解堵措施提高注采量。環(huán)空為保護液或部分注氮氣，Norg儲氣庫井環(huán)空除壓力監(jiān)測外，直接與放空系統(tǒng)連在一起［4］。

1．7 老井封堵技術(shù)

國外枯竭油氣藏型儲氣庫的老井封堵普遍遵循“先難后易”原則，也即首先對枯竭氣田中的老井進行評價，將情況最復雜的老井進行首先封堵，然后依次封堵直至全部封堵成功后才開始儲氣庫的建設(shè)，避免出現(xiàn)因1口井未封堵好而影響整個儲氣庫的建設(shè)。具體的封堵方法是首先檢測老井固井質(zhì)量，若蓋層封固質(zhì)量差，應鍛銑至原地層，鍛銑段長度不少于50m，注水泥封堵；若蓋層封固質(zhì)量好，可先下入橋塞封堵，上面注水泥封堵。若目的層上部仍有氣層，應分段注塞，每個氣層頂部不少于50m水泥塞。老井封堵一年后若無問題，可從地面以下4m 切斷，恢復地表［4，12］。

1．8 注采技術(shù)

對于邊底水氣藏儲氣庫或含水層儲氣庫，國外均從氣藏的最頂部開始注氣，而且每年的注入量要大于采氣量，通過逐年下壓氣水界面，把庫容量和儲氣量逐步擴大。

1．9 鹽穴儲氣庫鉆完井技術(shù)

國外鹽穴儲氣庫鉆井通常采用直井，井身質(zhì)量要求較高，通常儲氣庫注采井井斜小于1．5°，井身結(jié)構(gòu)通常采用508mm技術(shù)套管×339．7mm生產(chǎn)套管×244．5mm注采氣管的管柱結(jié)構(gòu)，鹽層段鉆井液采用飽和鹽水鉆井液體系，固井采用鹽水水泥漿體系，完井方面主要采用不壓井作業(yè)技術(shù)完成排鹵管的起出。國外雙井鹽穴造腔已在現(xiàn)場取得應用，例如美國Avoca鹽穴儲氣庫兩口井水平井連通，花生形狀腔體，溶腔高度30．5m，長度244m，腔頂跨度61m。

2 國內(nèi)儲氣庫鉆完井存在的主要問題

國內(nèi)地下儲氣庫研究和建設(shè)起步較晚，從20世紀90年代開始地下儲氣庫建設(shè)，先后針對大港、華北、金壇、劉莊、云應、平頂山、麻丘、王場、上法、安寧、新疆、遼河、川渝氣區(qū)、長慶氣區(qū)等多種儲氣庫建庫技術(shù)進行了研究，目前投入運行的主要有大港［13］、華北和金壇3座儲氣庫?？偨Y(jié)正在建設(shè)和已投入運行的儲氣庫，發(fā)現(xiàn)在儲氣庫鉆完井技術(shù)主要暴露出以下問題：

2．1 環(huán)空帶壓

許多枯竭氣藏或鹽穴儲氣庫注采井存在環(huán)空帶壓問題，注采井運行1～2年后，套管環(huán)空或套管與油管之間會產(chǎn)生高壓，并可檢驗出主要成分為天然氣。

2．2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計偏小

國內(nèi)儲氣庫的井身結(jié)構(gòu)普遍偏小，部分氣藏儲氣庫未采用儲層專打，鹽穴儲氣庫目前采用339．7mm技術(shù)套管×244．5mm生產(chǎn)套管×177．8mm注采氣管的井身結(jié)構(gòu)，氣庫的建造速度和應急能力受到限制［14］。

2．3 鉆井施工難度大

國內(nèi)枯竭氣藏儲氣庫目的層普遍埋深超過2 500 m，縱向上存在多套壓力系統(tǒng)，地層承壓堵漏難度大，水平井安全鉆井問題突出，需要探索合適的鉆井工藝進行施工。例如華北待建的古潛山裂縫型儲氣庫，目的層深度更是超過4 000m，施工過程中霸33平3等井出現(xiàn)嚴重漏失，并影響到固井質(zhì)量。

2．4 固井難度大

大井眼、易漏失層及儲層壓力低和氣庫固井要求高對固井工藝和水泥漿體系帶來挑戰(zhàn)，生產(chǎn)套管和其上一層技術(shù)套管固井是各儲氣庫鉆完井面臨的主要難題，在彈性微膨脹水泥漿體系的優(yōu)選、儲氣庫固井質(zhì)量評價方面則缺乏統(tǒng)一的標準和依據(jù)。

2．5 老井多，處理難度大，缺乏規(guī)范和規(guī)程

老井井況千差萬別，檢測和評價方法不統(tǒng)一，技術(shù)難度大；老井井下復雜多，封堵困難；井身質(zhì)量檢測方法、評價指標等沒有相應的行業(yè)標準，部分已封堵的儲氣庫老井在氣庫運行一段時間，井口出現(xiàn)帶壓現(xiàn)象。

2．6 關(guān)鍵工具和裝備缺乏

國內(nèi)缺乏具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的儲氣庫建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備和工具。例如在油套管氦氣密封檢測、多傳感器油水界面檢測、鹽穴聲吶測腔方面還完全依賴國外的設(shè)備和技術(shù)。

2．7 缺乏標準和依據(jù)

國內(nèi)儲氣庫鉆完井技術(shù)和老井封堵規(guī)范尚未建立，各儲氣庫鉆完井中出現(xiàn)的新問題在解決時尚無據(jù)可依。

3 認識及建議

1）國內(nèi)通過近20年的儲氣庫研究和建設(shè)，在儲氣庫建設(shè)質(zhì)量和要求的認識上有很大提高，大尺寸井眼、儲層專打、水平井、套管絲扣氣密封檢測、彈性水泥漿、IBC測井等先進技術(shù)和理念開始逐漸被儲氣庫建設(shè)各方所接受，對儲氣庫的建設(shè)起到了很好的推動作用。

2）國外在儲氣庫建設(shè)上起步較早，已經(jīng)擁有相對完善的鉆完井技術(shù)規(guī)范和標準，應在充分結(jié)合國內(nèi)實際情況上借鑒使用，并盡快建立適合國內(nèi)地質(zhì)特點的儲氣庫鉆完井設(shè)計和施工技術(shù)規(guī)范，使設(shè)計和施工有據(jù)可依［15］。

3）儲氣庫的鉆完井施工應以固井為核心，要高度重視儲氣庫注采井和老井的井筒完整性管理，尤其是生產(chǎn)尾管及蓋層段固井的質(zhì)量必須保證。

4）在儲氣庫的建設(shè)和管理上，應建立一個業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理、施工四方協(xié)調(diào)工作機制，統(tǒng)一思想認識，加強施工過程管理，保證施工質(zhì)量。

5）應積極開展低壓儲氣庫鉆井防漏堵漏及儲層保護技術(shù)、儲氣庫固井工藝和水泥漿體系、鹽穴氣庫雙井建腔鉆采工程技術(shù)、含水層儲氣庫鉆完井技術(shù)、儲氣庫井筒完整性檢測技術(shù)、油套管氦氣氣密封檢測裝備研制等的專項研究，為國內(nèi)儲氣庫的建設(shè)提供技術(shù)支撐。

［1］ONDERKA V．Working Committee 2– Gas Storage（WOC2）of the International Gas Union（IGU）［C］∥The 24thworld gas conference Argentina，5－9October，2009：2－7．

［2］THOMS R L，GEHLE R M．A brief history of salt cavern use［C］∥SMRI．Fall Meeting，San Antonio，2000：130－135．

［3］FAVRET F．Up－to－date Researches and future trends in underground gas storage facilities：A state of the art review［J］．NATO Science Series II：Mathematics，Physics and Chemistry，2004（149）：159－193．

［4］中國石油鉆井工程技術(shù)研究院．赴歐洲地下儲氣庫考察報告［R］．北京：中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，2011．CNPC Drilling Research Institute．To Europe＇s underground gas storage inspection report［R］．Beijing：CNPC Drilling Research Institute，2011．

［5］CADE R，F(xiàn)RAME R，WALLACE B．Underbalanced drilling increases deliverability from gas storage wells［J］．World Oil，2006，227（2）：101－102．

［6］ZAPF D．Rock mechanical design of gas storage caverns for seasonal storage and cyclic operations［C］∥SMRI Spring Meeting，Grand Junction，Colorado，2010：197－213．

［7］ZAPF D，STAUDTMEISTER K，LEUGER B．The influence of different loading scenarios on the Thermo－mechani－cal behavior of a gas storage cavern［C］∥SMRI Spring Meeting，Galveston，Texas，2010：83－97．

［8］ROWAN M C，WHIMS M J．Multilateral well enhances gas storage deliverability［J］．Oil ＆ Gas Journal，1995，93（52）：89－92．

［9］BEREST P，BROUARD B，DURUP J G．Tightness testing in salt－cavern wells［C］∥SMRI Spring Meeting，Banff，Alberta，Canada，2002：103－108．

［10］STAUDTMEISTER K，ZAPF D，LEUGER B．The influence of different loading scenarios on the thermo －mechanical behavior of a gas storage cavern［C］∥SMRI Spring Meeting，Galveston，2011：203－211．

［11］ROKOAHR R B，STAUDTMEISTER K，ZAPF D．Rock mechanical design for a planned gas cavern field in the Preesall project area，Lancashire，UK［C］∥SMRI Fall Meeting，New York，2011：83－88．

［12］DHARMANDA K，KINGSBURY N，SINGH H．Underground gas storage：Issues beneath the surface［C］∥paper 88491presented at the SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference 18－20October 2004，Perth，Australia．New York：SPE，2004．

［13］馬小明，余貝貝，馬東博，等．砂巖枯竭型氣藏改建地下儲氣庫方案設(shè)計配套技術(shù)［J］．天然氣工業(yè)，2010，30（8）：67－71．MA Xiaoming，YU Beibei，MA Dongbo，et al．Project design and matching technologies for underground gas storage based on a depleted sandstone gas reservoir［J］．Natural Gas Industry，2010，30（8）：67－71．

［14］吳建發(fā)，鐘兵，馮曦，等．相國寺石炭系氣藏改建地下儲氣庫運行參數(shù)設(shè)計［J］．天然氣工業(yè)，2012，32（2）：91－94．WU Jianfa，ZHONG Bing，F(xiàn)ENG Xi，et al．Operation parameter design of the Xiangguosi underground gas storage based on the Carboniferous gas reservoir［J］．Natural Gas Industry，2012，32（2）：91－94．

［15］肖學蘭．地下儲氣庫建設(shè)技術(shù)研究現(xiàn)狀及建議［J］．天然氣工業(yè)，2012，32（2）：79－82．XIAO Xuelan．Research and proposals on underground gas storage construction technologies［J］．Natural Gas Industry，2012，32（2）：79－82．