頁(yè)巖氣“瘦身井”結(jié)構(gòu)優(yōu)化

郭 強(qiáng)

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

0 引言

頁(yè)巖氣是一種重要的非常規(guī)天然氣資源，是儲(chǔ)量巨大的清潔能源，預(yù)測(cè)全球頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量相當(dāng)于煤層氣和致密砂巖氣的總和，約456 萬(wàn)億立方米，主要分布在北美、中亞、中國(guó)和拉美等地區(qū)[1-2]。我國(guó)頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量豐富，廣泛分布于海相、陸相盆地，在全國(guó)范圍內(nèi)各地質(zhì)歷史時(shí)期都存在頁(yè)巖氣資源，可采資源量達(dá)21.8萬(wàn)億立方米。目前探明儲(chǔ)量已達(dá)2 萬(wàn)億立方米，2020 年頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)200 億立方米，居世界第二，已成為新增天然氣能源的主力軍。隨著國(guó)家對(duì)頁(yè)巖氣減征資源稅幅度逐年降低，結(jié)合美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，以及頁(yè)巖氣井的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)產(chǎn)能力和可采儲(chǔ)量等因素情況，目前國(guó)內(nèi)各大油田都在調(diào)整頁(yè)巖氣井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)降低頁(yè)巖氣開(kāi)采成本。

頁(yè)巖氣井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要緊密結(jié)合地質(zhì)、地層情況以及設(shè)備能力、鉆具組合等因素綜合確定[3-6]。本文結(jié)合川渝地區(qū)某區(qū)塊地質(zhì)情況，對(duì)實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣井身結(jié)構(gòu)瘦身優(yōu)化進(jìn)行了闡述和分析，提出了井身結(jié)構(gòu)“瘦身”優(yōu)化方案。

1 頁(yè)巖氣井常規(guī)井身結(jié)構(gòu)

頁(yè)巖氣開(kāi)采是由美國(guó)最先開(kāi)始研究的，在經(jīng)歷了很長(zhǎng)一段時(shí)間的頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)探索之后，目前大部分頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)井為水平井加多段壓裂組合。美國(guó)頁(yè)巖氣井井身結(jié)構(gòu)通常為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），一開(kāi)井眼尺寸為444.5mm，套管尺寸為Φ 339.72mm，井深約為200m；二開(kāi)井眼尺寸為311.1mm 或314.3mm，套管尺寸為Φ244.48mm，井深約為2100～3000m；三開(kāi)井眼尺寸為222.2mm 或215.9mm，套管尺寸為Φ139.7mm，井眼垂深約為4000m。

與美國(guó)相比，中國(guó)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層較深，以垂深3500m 為界，埋深超過(guò)3500m 的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中淺層，深層儲(chǔ)量是中淺層儲(chǔ)量的2 倍左右，因此，中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)難度遠(yuǎn)高于美國(guó)，開(kāi)發(fā)成本也比美國(guó)高。中國(guó)的頁(yè)巖氣主要在川渝地區(qū)，常用的井身結(jié)構(gòu)為常規(guī)的三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)[7-9]。

相比于美國(guó)頁(yè)巖氣井身結(jié)構(gòu)，三個(gè)開(kāi)次的套管使用的外徑都相同，井眼尺寸也相同，不同之處在于套管使用的壁厚和下入深度不同，尤其是生產(chǎn)套管，由于地層壓力不同，中國(guó)的頁(yè)巖氣井使用生產(chǎn)套管的抗擠毀強(qiáng)度和抗內(nèi)壓要求更高。因此，中國(guó)頁(yè)巖氣壓裂使用的生產(chǎn)套管鋼級(jí)一般在125ksi 或140ksi 鋼級(jí)，套管壁厚更厚，以此來(lái)保證高的抗擠毀強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度。中國(guó)常用井身結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖1、圖2 井身結(jié)構(gòu)對(duì)比可知，雖然井身結(jié)構(gòu)開(kāi)次類似，但是下深不同。我國(guó)頁(yè)巖氣藏埋深2000米至4500米，其中65%以上資源超過(guò)3000米，受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，地址條件復(fù)雜。隨著頁(yè)巖氣資源埋藏深度的增加，氣井產(chǎn)能呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，氣田有效開(kāi)發(fā)難度逐漸增大，氣井鉆探費(fèi)用快速上升。目前，中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)成本較美國(guó)高出30%左右，持續(xù)降低頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)成本勢(shì)在必行[10-14]。

圖1 美國(guó)頁(yè)巖氣井常用井身結(jié)構(gòu)

圖2 中國(guó)頁(yè)巖氣井常用井身結(jié)構(gòu)

2 頁(yè)巖氣“瘦身井”結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化目的

頁(yè)巖氣“瘦身井”井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是降成本。隨著中淺層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的全面開(kāi)展，對(duì)地質(zhì)、地層情況和設(shè)備能力等情況了解程度的深入，可以對(duì)現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行瘦身設(shè)計(jì)。頁(yè)巖氣水平井“瘦身”有助于降低套管用量與固井成本。

2.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化套管使用性能要求

“瘦身”后頁(yè)巖氣井用套管對(duì)非標(biāo)尺寸以及特殊性能套管具有針對(duì)性的需求，套管應(yīng)具備以下使用要求：

（1）對(duì)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度、抗外擠強(qiáng)度有更高要求，能滿足大規(guī)模高壓改造施工要求。

（2）對(duì)套管尺寸非標(biāo)化、接箍外徑以及相關(guān)性能有要求，需滿足瘦身井眼長(zhǎng)水平套管下入等相關(guān)要求。

（3）對(duì)套管接頭強(qiáng)度、扭矩等性能有新要求，需滿足復(fù)雜軌道井、長(zhǎng)水平段旋轉(zhuǎn)下入套管需求。

2.3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后性能對(duì)比

2.3.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)的分析，對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

方案一：優(yōu)化后井身結(jié)構(gòu)如表1 所示，套管井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后套管的抗擠毀強(qiáng)和抗內(nèi)壓強(qiáng)度的使用性能對(duì)比如表2所示。

表1 優(yōu)化前后使用套管

表2 優(yōu)化前后套管使用性能

方案二：優(yōu)化后井身結(jié)構(gòu)如表3 所示，套管井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后套管的抗擠毀強(qiáng)和抗內(nèi)壓強(qiáng)度的使用性能對(duì)比如表4所示。

表3 優(yōu)化前后使用套管

表4 優(yōu)化前后套管使用性能

2.3.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案對(duì)比分析

對(duì)兩套井身套管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比分析：

（1）方案一、二的表層套管和技術(shù)套管使用分別進(jìn)行了不同程度的縮小井眼尺寸。

（2）方案一表層套管井眼縮小了約67mm，優(yōu)化后的生產(chǎn)套管只能使用Φ114.3mm×9.65mm 套管，套管內(nèi)徑為Φ95mm，原生產(chǎn)套管尺寸為Φ 139.7mm×12.34mm，內(nèi)徑為115.02mm，優(yōu)化后套管內(nèi)徑比原套管尺寸內(nèi)徑小了約20mm，壓裂排量會(huì)受到影響。

（3）方案二表層套管井眼縮小了約40mm，優(yōu)化后的生產(chǎn)套管環(huán)空間隙可以滿足下入Φ139.7mm×12.34mm 套管?？紤]到頁(yè)巖氣壓裂井為大斜度水平井，環(huán)空間隙越大，下入越順利，如果環(huán)空間隙縮小，需要考慮套管接頭旋轉(zhuǎn)下入的螺紋接頭能力和抗過(guò)扭矩能力。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后套管使用分析

頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中，管柱承受住各種交變載荷，保證井筒抵抗結(jié)構(gòu)性破壞、維持井筒功能的重要屬性是鉆井工程井下安全的保證，也是提高頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量的工程保障。在表層套管和技術(shù)套管方面，對(duì)比井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的抗擠毀強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度，從表2和表4可知，優(yōu)化后的套管性能參數(shù)和優(yōu)化前的套管性能參數(shù)相當(dāng)，滿足管串設(shè)計(jì)方面的要求。

而生產(chǎn)套管的要求則非?？量?，主要有以下3各方面的考量：目前頁(yè)巖氣井水平段大都在2000m以上，套管下入過(guò)程容易遇阻，主要下入方式有上提下放和旋轉(zhuǎn)下入兩種方式，套管下入對(duì)接頭性能考量主要是抗壓縮性能和大扭矩要求，尤其套管旋轉(zhuǎn)下入方式對(duì)接頭的屈服扭矩有較高要求。壓裂過(guò)程中，技術(shù)套管要承受大狗腿度彎曲對(duì)套管的影響，溫度變化引發(fā)的拉伸受力及高內(nèi)壓工況影響，壓裂沖蝕以及多段壓裂過(guò)程中套管疲勞的影響。生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)套管要考慮生產(chǎn)時(shí)溫度變化引發(fā)的壓縮載荷影響和接頭氣密封性能的影響。

綜上所述，井身結(jié)構(gòu)瘦身優(yōu)化之后，表層套管和技術(shù)套管在抗擠毀性能和抗內(nèi)壓使用性能方面與優(yōu)化前套管使用性能相當(dāng)。因生產(chǎn)套管需要使用氣密封扣，對(duì)接頭的性能要求更高，優(yōu)化后套管的使用性能方面與優(yōu)化前使用性能相當(dāng)，能夠保證井筒抵抗結(jié)構(gòu)性破壞、維持井筒功能性，保證鉆井工程井下安全。在下入深度相同的情況下，套管本身重量減輕，鉆井孔徑小有助于鉆進(jìn)速度，大大節(jié)約鉆井時(shí)間，因此，瘦身后井身結(jié)構(gòu)會(huì)極大降低鉆井成本和套管使用成本，對(duì)于頁(yè)巖氣開(kāi)采降成本起到極大助力作用。

對(duì)于現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)的瘦身計(jì)劃，需要滿足以下技術(shù)要求：

（1）套管的使用性能，如抗擠毀強(qiáng)度、抗內(nèi)壓強(qiáng)度等重要指標(biāo)不能低于原設(shè)計(jì)?？箶D毀強(qiáng)度主要是解決套管變形、剪切破壞等，抗內(nèi)壓強(qiáng)度主要滿足于后期壓裂施工。

（2）生產(chǎn)套管抗壓縮性能是特殊扣性能指標(biāo)的重要參數(shù)之一，對(duì)于大角度水平井，頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)套管下入是頁(yè)巖氣水平井常用的下套管方式，抗壓縮性能是旋轉(zhuǎn)下入套管方式的重要指標(biāo)，需要考慮特殊扣接頭的抗壓縮性能等同于管體壓縮能力。

（3）優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)井眼、井口縮小，需要考慮壓裂配套工具，壓裂施工排量等要求。

4 結(jié)語(yǔ)

頁(yè)巖氣井瘦身最主要的目的是降本增效，做好增產(chǎn)降本加減法是頁(yè)巖氣整體高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵所在。對(duì)現(xiàn)有頁(yè)巖氣井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體尺寸縮小和“瘦身”，是控制頁(yè)巖氣開(kāi)采成本的有效措施。

（1）井身結(jié)構(gòu)“瘦身”，可降低鉆井成本，提高機(jī)械鉆速和時(shí)效，促進(jìn)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)向低成本高效益模式邁進(jìn)。

（2）套管尺寸降低，同鋼級(jí)的情況下，套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度和抗擠毀強(qiáng)度性能相當(dāng)甚至更高，能滿足后續(xù)壓裂工序高壓力的要求，高抗擠毀強(qiáng)度也能有效防止套管變形，同時(shí)可以降低套管串重量，減少鉆井時(shí)間，保證總成本降低。

（3）做好各工序之間的配合與各工序內(nèi)工程安排，兼顧了時(shí)間與成本考慮，采用井工廠的方式進(jìn)行鉆井與壓裂，可實(shí)現(xiàn)降成本控制。