低壓低滲枯竭型砂巖儲氣庫鉆井工程方案設計

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氣庫鉆井工程方案設計

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）

由于枯竭型儲氣庫的產層壓力低、運行周期長、注采氣量大的特點，給鉆井和固井質量提出了更高的要求。針對文23的地質特征和儲氣庫設計要求，考慮儲層保護、固井質量及鹽層井段，提出三開次井身結構設計，生產套管設計金屬氣密封、P110鋼級177.8 mm套管；技術套管段設計雙密度水泥漿體系一次固井，生產套管段設計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；三開設計使用低密度微泡鉆井液體系，配合凝膠暫堵技術減少漏失及儲層污染。形成的文23儲氣庫鉆井工程方案，為國內低壓低滲枯竭型儲氣庫鉆井設計提供了技術借鑒。

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

文23儲氣庫是中國石化新疆煤制天然氣外輸管道（新粵浙）項目的配套工程，位于河南省濮陽市的中原油田文23氣田，是我國中部地區陸上探明規模最大的整裝砂巖干氣田。文23儲氣庫設計最大庫容體積是104.21×108m3，建成后將是我國中部地區最大的儲氣庫。按照“分步（期）建設、滾動實施”的原則，文23儲氣庫共部署注采井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，起到季節調峰作用，同時當輸氣干線發生突發性重大自然災害或管道泄漏等事故造成短時間供氣中斷時，還可兼作應急后備氣源，大大提高了供氣的可靠性［1］。儲氣庫的生產運行中注采氣量大，要求使用壽命長、安全性高，因而對鉆完井質量提出了更高的要求。鉆井工程設計必須以地質特征和儲氣庫的具體要求為依據。

1 方案設計要求

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

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

（3）儲氣庫運行周期長（一般為30～50年），注采井要求強注強采，并且周期循環，因此對生產套管的強度和固井質量要求高。

針對以上鉆井設計要求，在井身結構優化、優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氣庫的鉆井工程設計方案。

2 井身結構及套管柱設計

2.1 井身結構

目前國內主要儲氣庫井都采用叢式定向井井型，文23儲氣庫以直井和定向井為主，以滿足控制氣庫儲量、充分發揮縱向上氣層優勢的要求。結合氣藏特征和儲氣庫運行要求，考慮從以下三個原則優化井身結構：

（1）技術套管封隔上部復雜地層和鹽層，有利于減少鉆井漏失及儲層保護；

（2）鹽層段采用雙套管、雙水泥環，以保證長期強注強采的需要；

（3）井眼和套管間隙大，以降低鉆進、下套管風險，保證固井質量。

根據以上要求，結合節約鉆井成本和鉆井周期考慮，設計采用三開次井身結構（表1）。

表1 井身結構設計

（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量；

（3）定向井剖面采用“直—增—穩”三段制剖面類型，以降低摩阻扭矩。

2.2 生產套管

儲氣庫運行周期長，注采井要求強注強采，并且周期循環，因此生產套管必須能承受強注強采交變應力的影響。生產套管完全處于全掏空狀態，應將抗擠安全系數提高到1.125，提高套管在掏空狀態下的安全性［1］。基于以上要求，通過計算選用?177.8 mm，壁厚10.36，P110鋼級的套管作為生產套管（性能見表 2）。

在護理學基礎教學中引入護理臨床差錯案例，加強護生護理風險教育，是對護理學基礎課程內容的延伸與拓展，不僅拉近了理論教學與臨床實際工作的距離，更增強了護生的法律意識和風險防范意識，順利實現護理教育與臨床工作的對接。

儲氣庫注采氣量大，對螺紋的氣密封性能要求高，普通采油井上常用的API STD 5B標準螺紋套管不能滿足儲氣庫注采井生產套管的需求。因此，生產套管設計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，螺紋連接強度基本達到了管體強度，以滿足儲氣庫注采井抗泄漏要求。

表2 生產套管性能

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，認為目前解決復合鹽膏層套損比較有效的辦法是使用高強度套管、加厚壁套管。因此，二開套管計算后選用?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 固井設計

儲氣庫在使用過程中，地層壓力要反復變化，因而對水泥石強度、致密性及水泥環與套管、井壁的膠結質量提出了更高的要求，不能出現氣體的漏失、竄移［2］。

3.1 固井質量要求

儲氣庫運行時間長，井筒完整性要求高，對各級套管封固質量要求嚴格：

（1）技術套管下至沙四頂部，為保證氣藏蓋層密封性，要求儲氣層頂部蓋層段連續優質水泥段不小于25 m，為更好地保證儲氣庫質量，要求鹽底下部優質封固段不少于30 m。

（2）三開固井質量采用SBT或IBC測定，要求生產套管固井段膠結良好長度不小于70%，氣層頂部優質封隔段不小于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，提高固井質量，采用內插法固井。

（2）二開。二開鉆遇多套地層，重點封固文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儲氣庫及中原油田文96儲氣庫均采用該固井方式，缺點是費用高，完井周期長，懸掛器位置的封固質量能影響整個井筒的完整性；方案2為常規目的層固井方式，通常采用雙密度水泥漿體系，但施工壓力大，易壓漏地層，同時低密度封固質量不如高密度，難以滿足儲氣庫強注強采的需要。推薦采用方案1（表4）。

表4 固井方式選擇

3.3 水泥漿體系設計

（1）低密度水泥漿體系。普通低密度水泥漿存在漿體穩定性差、抗壓強度（特別是頂部抗壓強度）低、防竄性能差的問題，不能滿足儲氣庫固井的需要。為此優選了非滲透性防漏防竄高強低密度水泥漿體系。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，漿體穩定性好、水泥石強度高、防竄性能好、稠化時間易調（表5）。

配方：G級水泥+漂珠+微硅+分散劑+降失水劑+早強劑+穩定劑+緩凝劑。

表5 非滲透防漏防竄高強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量，產層水泥環耐久性和防竄性能要求高的問題，優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性能，可實現零析水，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，補償水泥石收縮，消除水泥環與套管間的微環隙，提高長期防竄能力及水泥石韌性，可適應長期注采。采用膨脹早強劑調節稠化時間，持續產生膨脹應力，提高界面膠結質量，由于體系中不含Cl-，避免了Cl-對套管產生腐蝕，利于水泥石長期穩定。

配方：G級水泥+分散劑+改性PVA類降失水劑+膨脹早強劑+增韌防竄劑。

表6 非滲透防竄增韌水泥漿體系性能

4 鉆井液及儲層保護

4.1 鉆井液體系優選

文23氣田是典型的低壓低滲枯竭型砂巖油氣藏，產層壓力低，鉆井易漏失，儲層保護難度大。為解決這個問題，優選了適合產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、可重復使用、不需要特殊充氣設備、綜合成本低等技術優勢，是解決低壓地層鉆井及油氣層保護的有效手段，可滿足文23氣田儲層段工程及地質需求。

表7 微泡鉆井液性能

4.2 儲層保護設計

鑒于枯竭型氣藏型儲氣庫對儲層保護的高要求［3-6］，在使用低密度鉆井液的前提下，配合凝膠暫堵技術預防因鉆井液漏失而導致儲層污染。凝膠暫堵劑主要以凝膠微球為主劑，復合礦物類顆粒架橋材料、纖維材料、可變形細粒徑填充材料組成。室內試驗表明（表8），加量為3.5%暫堵劑與鉆井液具有良好配伍性。60～90目砂床封堵強度達15 MPa，15%鹽酸酸溶率達95%。

表8 防漏劑配方配伍性評價

5 結論

（1）文23儲氣庫是典型的低壓低滲枯竭型砂巖儲氣庫，對固井質量、套管強度、儲層保護要求高。

（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層保護；鹽層段采用雙套管、雙水泥環，可有效保證長期強注強采的需要；井眼和套管間隙大，可降低下鉆、下套管風險，保證固井質量。

（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氣田儲層段工程及地質需求。

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

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

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

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

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

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

［6］ 奧林·弗拉尼根. 儲氣庫的設計與實施［M］. 北京:石油工業出版社，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氣庫鉆井工程方案設計［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年畢業于中國地質大學地質工程（鉆井）專業，現主要從事鉆井技術研究及技術管理工作，工學博士，高級工程師。電話：0393-4899603，13513902866。E-mail：houshugang@sina.corn。