低壓低滲枯竭型砂巖儲(chǔ)氣庫鉆井工程方案設(shè)計(jì)

侯樹剛 胡建均 李勇軍 夏丹丹 夏 彬

（1.中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001；2. 中原石油工程有限公司海外工程公司，河南濮陽 457001）

低壓低滲枯竭型砂巖儲(chǔ)氣庫鉆井工程方案設(shè)計(jì)

侯樹剛1胡建均1李勇軍2夏丹丹1夏 彬1

（1.中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001；2. 中原石油工程有限公司海外工程公司，河南濮陽 457001）

由于枯竭型儲(chǔ)氣庫的產(chǎn)層壓力低、運(yùn)行周期長、注采氣量大的特點(diǎn)，給鉆井和固井質(zhì)量提出了更高的要求。針對文23的地質(zhì)特征和儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)要求，考慮儲(chǔ)層保護(hù)、固井質(zhì)量及鹽層井段，提出三開次井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，生產(chǎn)套管設(shè)計(jì)金屬氣密封、P110鋼級177.8 mm套管；技術(shù)套管段設(shè)計(jì)雙密度水泥漿體系一次固井，生產(chǎn)套管段設(shè)計(jì)采用非滲透防竄增韌水泥漿體系，采用尾管懸掛+套管回接方式固井；三開設(shè)計(jì)使用低密度微泡鉆井液體系，配合凝膠暫堵技術(shù)減少漏失及儲(chǔ)層污染。形成的文23儲(chǔ)氣庫鉆井工程方案，為國內(nèi)低壓低滲枯竭型儲(chǔ)氣庫鉆井設(shè)計(jì)提供了技術(shù)借鑒。

文23氣田；低壓低滲枯竭型；砂巖儲(chǔ)氣庫；微泡鉆井液；非滲透防竄增韌水泥漿體系

文23儲(chǔ)氣庫是中國石化新疆煤制天然氣外輸管道（新粵浙）項(xiàng)目的配套工程，位于河南省濮陽市的中原油田文23氣田，是我國中部地區(qū)陸上探明規(guī)模最大的整裝砂巖干氣田。文23儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)最大庫容體積是104.21×108m3，建成后將是我國中部地區(qū)最大的儲(chǔ)氣庫。按照“分步（期）建設(shè)、滾動(dòng)實(shí)施”的原則，文23儲(chǔ)氣庫共部署注采井107口，其中新鉆井89口（直井9口、定向井70口、水平井10口），老井利用18口。

地下儲(chǔ)氣庫兼具注氣和采氣的雙重功能，能夠較好地解決城市用氣不均勻性問題，起到季節(jié)調(diào)峰作用，同時(shí)當(dāng)輸氣干線發(fā)生突發(fā)性重大自然災(zāi)害或管道泄漏等事故造成短時(shí)間供氣中斷時(shí)，還可兼作應(yīng)急后備氣源，大大提高了供氣的可靠性［1］。儲(chǔ)氣庫的生產(chǎn)運(yùn)行中注采氣量大，要求使用壽命長、安全性高，因而對鉆完井質(zhì)量提出了更高的要求。鉆井工程設(shè)計(jì)必須以地質(zhì)特征和儲(chǔ)氣庫的具體要求為依據(jù)。

1 方案設(shè)計(jì)要求

（1）文23儲(chǔ)氣庫為枯竭型氣藏型儲(chǔ)氣庫，含氣層位于新生界第三系沙河街組沙四段，氣層壓力低（現(xiàn)目的層地層壓力系數(shù)最低只有0.15），鉆井過程中易漏失，儲(chǔ)層保護(hù)要求高。

（2）通過對文23氣田已完鉆井的鹽層分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，文23氣田主要鉆遇文23鹽，鹽層分布范圍廣、厚度大，作為儲(chǔ)氣庫的蓋層，對固井質(zhì)量及套管強(qiáng)度要求高。

（3）儲(chǔ)氣庫運(yùn)行周期長（一般為30～50年），注采井要求強(qiáng)注強(qiáng)采，并且周期循環(huán)，因此對生產(chǎn)套管的強(qiáng)度和固井質(zhì)量要求高。

針對以上鉆井設(shè)計(jì)要求，在井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、優(yōu)選鉆井液體系和固井水泥漿體系等方面開展了大量的研究工作，形成了適合低壓低滲枯竭型儲(chǔ)氣庫的鉆井工程設(shè)計(jì)方案。

2 井身結(jié)構(gòu)及套管柱設(shè)計(jì)

2.1 井身結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)主要儲(chǔ)氣庫井都采用叢式定向井井型，文23儲(chǔ)氣庫以直井和定向井為主，以滿足控制氣庫儲(chǔ)量、充分發(fā)揮縱向上氣層優(yōu)勢的要求。結(jié)合氣藏特征和儲(chǔ)氣庫運(yùn)行要求，考慮從以下三個(gè)原則優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)：

（1）技術(shù)套管封隔上部復(fù)雜地層和鹽層，有利于減少鉆井漏失及儲(chǔ)層保護(hù)；

（2）鹽層段采用雙套管、雙水泥環(huán)，以保證長期強(qiáng)注強(qiáng)采的需要；

（3）井眼和套管間隙大，以降低鉆進(jìn)、下套管風(fēng)險(xiǎn)，保證固井質(zhì)量。

根據(jù)以上要求，結(jié)合節(jié)約鉆井成本和鉆井周期考慮，設(shè)計(jì)采用三開次井身結(jié)構(gòu)（表1）。

表1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）二開套管封目的層以上地層，為下步使用低密度鉆井液或空氣泡沫鉆開目的層創(chuàng)造條件；

（2）二開采用?320 mm鉆頭下?273.1 mm套管，三開采用?241.3 mm鉆頭下?177.8 mm套管，井眼和套管間隙大，保證套管的順利下入和固井質(zhì)量；

（3）定向井剖面采用“直—增—穩(wěn)”三段制剖面類型，以降低摩阻扭矩。

2.2 生產(chǎn)套管

儲(chǔ)氣庫運(yùn)行周期長，注采井要求強(qiáng)注強(qiáng)采，并且周期循環(huán)，因此生產(chǎn)套管必須能承受強(qiáng)注強(qiáng)采交變應(yīng)力的影響。生產(chǎn)套管完全處于全掏空狀態(tài)，應(yīng)將抗擠安全系數(shù)提高到1.125，提高套管在掏空狀態(tài)下的安全性［1］?；谝陨弦?，通過計(jì)算選用?177.8 mm，壁厚10.36，P110鋼級的套管作為生產(chǎn)套管（性能見表 2）。

在護(hù)理學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)中引入護(hù)理臨床差錯(cuò)案例，加強(qiáng)護(hù)生護(hù)理風(fēng)險(xiǎn)教育，是對護(hù)理學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容的延伸與拓展，不僅拉近了理論教學(xué)與臨床實(shí)際工作的距離，更增強(qiáng)了護(hù)生的法律意識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)防范意識(shí)，順利實(shí)現(xiàn)護(hù)理教育與臨床工作的對接。

儲(chǔ)氣庫注采氣量大，對螺紋的氣密封性能要求高，普通采油井上常用的API STD 5B標(biāo)準(zhǔn)螺紋套管不能滿足儲(chǔ)氣庫注采井生產(chǎn)套管的需求。因此，生產(chǎn)套管設(shè)計(jì)采用金屬與金屬密封的特殊螺紋扣型，具有較好的氣密封性能，大幅度地提高了螺紋的抗過扭矩、抗壓縮及抗彎曲變形能力，螺紋連接強(qiáng)度基本達(dá)到了管體強(qiáng)度，以滿足儲(chǔ)氣庫注采井抗泄漏要求。

表2 生產(chǎn)套管性能

2.3 鹽層加厚套管

文23氣田頂部為一套文23鹽，該套鹽膏巖厚度大、分布廣。針對中原油田鹽膏層特性和埋深情況，認(rèn)為目前解決復(fù)合鹽膏層套損比較有效的辦法是使用高強(qiáng)度套管、加厚壁套管。因此，二開套管計(jì)算后選用?273.1 mm，壁厚12.57 mm，TP95T鋼級的套管（表3）。

表3 鹽層套管性能

3 固井設(shè)計(jì)

儲(chǔ)氣庫在使用過程中，地層壓力要反復(fù)變化，因而對水泥石強(qiáng)度、致密性及水泥環(huán)與套管、井壁的膠結(jié)質(zhì)量提出了更高的要求，不能出現(xiàn)氣體的漏失、竄移［2］。

3.1 固井質(zhì)量要求

儲(chǔ)氣庫運(yùn)行時(shí)間長，井筒完整性要求高，對各級套管封固質(zhì)量要求嚴(yán)格：

（1）技術(shù)套管下至沙四頂部，為保證氣藏蓋層密封性，要求儲(chǔ)氣層頂部蓋層段連續(xù)優(yōu)質(zhì)水泥段不小于25 m，為更好地保證儲(chǔ)氣庫質(zhì)量，要求鹽底下部優(yōu)質(zhì)封固段不少于30 m。

（2）三開固井質(zhì)量采用SBT或IBC測定，要求生產(chǎn)套管固井段膠結(jié)良好長度不小于70%，氣層頂部優(yōu)質(zhì)封隔段不小于200 m。

3.2 固井方式

（1）一開。表層套管尺寸較大，為減少水泥漿竄槽，提高固井質(zhì)量，采用內(nèi)插法固井。

（2）二開。二開鉆遇多套地層，重點(diǎn)封固文23鹽層，采用雙密度水泥漿體系一次固井，高密度水泥漿封固段長1 000～1 500 m，保證鹽層封固質(zhì)量；上部采用低密度水泥漿封固，解決固井易漏失問題。

（3）三開。為便于后期改造，采用射孔完井，固井方式有2種：

方案1：尾管懸掛、套管回接，懸掛器過鹽頂100 m，套管回接至井口。

方案2：全井下套管固井，水泥返至地面。

方案1能盡可能地降低施工壓力，防止壓漏地層，華北油田永22儲(chǔ)氣庫及中原油田文96儲(chǔ)氣庫均采用該固井方式，缺點(diǎn)是費(fèi)用高，完井周期長，懸掛器位置的封固質(zhì)量能影響整個(gè)井筒的完整性；方案2為常規(guī)目的層固井方式，通常采用雙密度水泥漿體系，但施工壓力大，易壓漏地層，同時(shí)低密度封固質(zhì)量不如高密度，難以滿足儲(chǔ)氣庫強(qiáng)注強(qiáng)采的需要。推薦采用方案1（表4）。

表4 固井方式選擇

3.3 水泥漿體系設(shè)計(jì)

（1）低密度水泥漿體系。普通低密度水泥漿存在漿體穩(wěn)定性差、抗壓強(qiáng)度（特別是頂部抗壓強(qiáng)度）低、防竄性能差的問題，不能滿足儲(chǔ)氣庫固井的需要。為此優(yōu)選了非滲透性防漏防竄高強(qiáng)低密度水泥漿體系。該體系在G級高抗油井水泥中加入中空玻璃微珠（漂珠），漂珠粒徑為40～250 μm，水泥粒徑為20～45 μm，漿體穩(wěn)定性好、水泥石強(qiáng)度高、防竄性能好、稠化時(shí)間易調(diào)（表5）。

配方：G級水泥+漂珠+微硅+分散劑+降失水劑+早強(qiáng)劑+穩(wěn)定劑+緩凝劑。

表5 非滲透防漏防竄高強(qiáng)低密度水泥漿體系性能

（2）鹽層段水泥漿。針對鹽層易污染水泥漿影響固井質(zhì)量，產(chǎn)層水泥環(huán)耐久性和防竄性能要求高的問題，優(yōu)選了非滲透防竄增韌水泥漿體系（表6）。該體系通過加入改性PVA類降失水劑，改善水泥石長期力學(xué)性能，可實(shí)現(xiàn)零析水，防止游離液對鹽層的溶融及鹽對水泥漿的污染；加入功能型增韌防竄劑，填充水泥石微裂隙，補(bǔ)償水泥石收縮，消除水泥環(huán)與套管間的微環(huán)隙，提高長期防竄能力及水泥石韌性，可適應(yīng)長期注采。采用膨脹早強(qiáng)劑調(diào)節(jié)稠化時(shí)間，持續(xù)產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，提高界面膠結(jié)質(zhì)量，由于體系中不含Cl-，避免了Cl-對套管產(chǎn)生腐蝕，利于水泥石長期穩(wěn)定。

配方：G級水泥+分散劑+改性PVA類降失水劑+膨脹早強(qiáng)劑+增韌防竄劑。

表6 非滲透防竄增韌水泥漿體系性能

4 鉆井液及儲(chǔ)層保護(hù)

4.1 鉆井液體系優(yōu)選

文23氣田是典型的低壓低滲枯竭型砂巖油氣藏，產(chǎn)層壓力低，鉆井易漏失，儲(chǔ)層保護(hù)難度大。為解決這個(gè)問題，優(yōu)選了適合產(chǎn)層的微泡鉆井液體系。該體系具有密度低（0.6～0.8 g/cm3）、流變性好（表 7）、封堵能力強(qiáng)、可重復(fù)使用、不需要特殊充氣設(shè)備、綜合成本低等技術(shù)優(yōu)勢，是解決低壓地層鉆井及油氣層保護(hù)的有效手段，可滿足文23氣田儲(chǔ)層段工程及地質(zhì)需求。

表7 微泡鉆井液性能

4.2 儲(chǔ)層保護(hù)設(shè)計(jì)

鑒于枯竭型氣藏型儲(chǔ)氣庫對儲(chǔ)層保護(hù)的高要求［3-6］，在使用低密度鉆井液的前提下，配合凝膠暫堵技術(shù)預(yù)防因鉆井液漏失而導(dǎo)致儲(chǔ)層污染。凝膠暫堵劑主要以凝膠微球?yàn)橹鲃瑥?fù)合礦物類顆粒架橋材料、纖維材料、可變形細(xì)粒徑填充材料組成。室內(nèi)試驗(yàn)表明（表8），加量為3.5%暫堵劑與鉆井液具有良好配伍性。60～90目砂床封堵強(qiáng)度達(dá)15 MPa，15%鹽酸酸溶率達(dá)95%。

表8 防漏劑配方配伍性評價(jià)

5 結(jié)論

（1）文23儲(chǔ)氣庫是典型的低壓低滲枯竭型砂巖儲(chǔ)氣庫，對固井質(zhì)量、套管強(qiáng)度、儲(chǔ)層保護(hù)要求高。

（2）二開套管封目的層以上地層，目的層可使用低密度鉆井液或空氣泡沫鉆，有利于減少鉆井漏失及儲(chǔ)層保護(hù)；鹽層段采用雙套管、雙水泥環(huán)，可有效保證長期強(qiáng)注強(qiáng)采的需要；井眼和套管間隙大，可降低下鉆、下套管風(fēng)險(xiǎn)，保證固井質(zhì)量。

（3）微泡防漏鉆井液密度低，流變性好，防漏效果好，成本低，可滿足文23氣田儲(chǔ)層段工程及地質(zhì)需求。

（4）非滲透防竄增韌水泥漿體系能夠增加水泥漿彈性，消除水泥環(huán)與套管間的微環(huán)隙，提高長期防竄能力，并能提高水泥石韌性，可適應(yīng)長期注采。

［1］ 董德仁，于成水，何衛(wèi)濱，等. 枯竭油氣藏儲(chǔ)氣庫鉆井技術(shù)［J］. 天然氣工業(yè)，2004，24（9）：148-152.

［2］ 鐘福海，李合龍，韓俊杰. 大張坨地下儲(chǔ)氣庫注采井固井實(shí)踐［J］. 石油鉆采工藝，2000，22（6）：11-13.

［3］ 劉在桐，董德仁，王雷，等. 大張坨儲(chǔ)氣庫鉆井液技術(shù)［J］. 天然氣工業(yè)，2004，24（6）：153-155.

［4］ 李建中，徐定宇，李春. 利用枯竭油氣藏建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫工程的配套技術(shù)[J]. 天然氣工業(yè)，2009(9)：97-99.

［5］ 宋德琦，蘇建華，任啟瑞，等. 天然氣輸送與儲(chǔ)存工程[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2004.

［6］ 奧林·弗拉尼根. 儲(chǔ)氣庫的設(shè)計(jì)與實(shí)施［M］. 北京:石油工業(yè)出版社，2004.

（修改稿收到日期 2013-08-26）

〔編輯 薛改珍〕

Drilling engineering design of low pressure & low permeability depleted sandstone gas storage

HOU Shugang1, HU Jianjun1, LI Yongjun2, XIA Dandan1, XIA Bin1
（1. Drilling Engineering and Technology Institute,Zhongyuan Petroleum Engineering Co. Ltd,Puyang457001,China;2. ZPEB International,Zhongyuan Petroleum Engineering Co. Ltd,Puyang457001,China）

The depleted gas storage is characterized by low formation pressure, long operational cycle and large quantity of injection and production, which requires higher quality of drilling and cementing. Based on the geologic feature and design requirement of gas storage Well Wen23, and taking the reservoir protection, cementing quality and salt formation interval into account, the paper made the optimization of well profile, casing string, cementing, drilling fluid system and reservoir protection, and formed the drilling engineering design of Well Wen23. It provided a technical reference for drilling design of depleted gas storage of low pressure and low permeability reservoir in China.

Wen 23 gas field; low pressure and low permeability depleted type; sandstone gas storage; micro foam drilling fluid;impervious anti-channeling toughening cement system

侯樹剛，胡建均，李勇軍，等.低壓低滲枯竭型砂巖儲(chǔ)氣庫鉆井工程方案設(shè)計(jì)［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（5）：36-39.

TE243

：A

1000–7393（2013） 05–0036–04

侯樹剛，1974年生。2004年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)工程（鉆井）專業(yè)，現(xiàn)主要從事鉆井技術(shù)研究及技術(shù)管理工作，工學(xué)博士，高級工程師。電話：0393-4899603，13513902866。E-mail：houshugang@sina.corn。