相國寺儲氣庫安全快速鉆完井技術集成應用

譚 賓

1中國石油集團川慶鉆探工程技術有限公司 2國家能源高含硫氣藏開采研發中心

0 引言

類似于分布式能源系統，地下儲氣庫因其儲存方便、應變快、運行穩定，已逐步取代長途管道輸送供氣，成為解決供、需方地理位置差異及天然氣市場旺、淡季需求量不同而造成的供需不平衡矛盾的主要手段，實現削峰填谷、應急保供和戰略儲備，關乎國計民生大事，具有重大的社會效益[1- 4]。地下儲氣庫建設始于1915年，由加拿大在Wellland氣田利用枯竭氣藏建成的世界上第一座地下儲氣庫[5- 6]。根據國際天然氣協會(CEDIGAZ)2021年發布的《全球地下儲氣庫2021》報告[7]，截至2020年底，全球現有661座儲氣庫在運行，另有91座在建設或計劃建設中。我國第一座商業用儲氣庫大港大張坨儲氣庫始建于1999年[8]，經過20余年的技術發展，儲氣庫在建設數量和建設規模上已進入世界前列。伴隨著碳中和的戰略目標，我國能源供需結構將發生深刻的轉變，天然氣的消費也將迎來大規模增長，地下儲氣庫在未來的經濟建設與小康社會建設中起到不可或缺的作用，而我國地下儲氣庫的數量和規模還遠遠未達到此要求[9]。

儲氣庫按儲集空間類型分為枯竭型油氣藏儲氣庫、含水層儲氣庫、鹽穴型儲氣庫和礦坑及巖洞儲氣庫[10]。其中，枯竭型氣藏儲氣庫因地質情況清楚、具有氣藏剩余氣量可作為基礎墊底氣的優勢成為當前主要的儲氣庫選址對象[11]。國外在歷經了上百年的技術積累后已有較完整的建庫配套技術[12]。國內在此領域總體起步較晚，相關學者雖已做了較多的研究[13- 20]，儲氣庫建庫技術也得到了明顯進步，但在復雜地質條件下安全快速鉆完井、儲層保護及井筒完整性控制等方面還面臨挑戰[21]。本文就西南地區首座儲氣庫——中衛—貴陽聯絡線上配套相國寺儲氣庫在建設中面臨的問題、技術及應用成效進行了闡述，通過技術集成應用成功解決了儲氣庫建設的經濟性難題和各功能井的井筒完整性控制難題，為國內同類型儲氣庫的安全快速建設提供參考。

1 相國寺構造地質特點

相國寺儲氣庫儲集層在氣藏開采中采空率已達96.60%，為典型的枯竭型氣藏儲氣庫。由于受其地理位置及構造運動的影響，除了具有與其它枯竭型氣藏共有的低壓易漏失特性外，還存在以下地質特點。

1.1 上部地層破碎

庫區內地質構造主要以須家河組地層出露，中上部地層為雷口坡組和嘉陵江組。須家河組地層膠結差或未膠結，裂縫和洞穴發育；雷口坡組受印支運動影響，剝蝕嚴重；嘉陵江組以碳酸鹽巖為主，溶孔、溶洞、大裂縫發育。老井在鉆井過程中普遍表現為長段、失返型的惡性井漏，鉆井液漏失量在數千至數萬立方米不等，是制約儲氣庫經濟性建設的重大瓶頸之一。新鉆注采井XC7井在采用空氣鉆進的情況下仍鉆遇三個嚴重漏失段，表現為井口無巖屑及氣體返出，在增加氣體排量至300 m3/h后井口才僅有氣體返出；XC8井因繞障作業需要采用鉆井液鉆進，鉆至井深163 m即出現嚴重井漏，邊鉆邊堵，耗時28 d鉆至井深337 m中止，隨后經過14 d專項堵漏無果后轉換為充氣工藝才得以繼續鉆進，后續又在421～424 m、435～471 m鉆遇多處洞穴。

1.2 礦產資源豐富

根據《相國寺儲氣庫井位影響范圍內礦區調查報告》，庫區內礦產分布區域幾乎布滿整個背斜山脈，礦種以煤礦和石膏礦為主，少量硫鐵礦，存在大片淺部采空區，如圖1所示。

注：圖中距離為距礦產登記邊界距離。

1.3 典型高陡地質構造

相國寺區域構造屬于川東南中隆高陡構造區華鎣山構造群南端的一個局部構造[22- 25]，呈北東向展布。構造東西翼各發育一條長度大致與背斜軸線相當、走向與軸線一致的大型傾軸逆斷層，主體為斷壘式不對稱長軸背斜，如圖2所示[22]。除斷層及裂縫發育外，高陡、地層橫向變化快、應力復雜使構造更加復雜化。儲集層石炭系呈薄層狀，厚度僅10 m 左右，且受傾角、斷層影響，地層傾角變化大。

圖2 高陡構造地震剖面圖

1.4 低壓氣藏與常壓氣藏互層

經過多年的立體開采，目前茅口組氣藏地層壓力系數僅0.2左右，因縫洞發育，氣藏采空度高，形成了易嚴重漏失的縫洞發育區；石炭系氣藏地層壓力系數僅0.1；而茅口組之上的長興組開發力度不大，茅口組之下的棲霞組未進行開發，均為常壓層。

1.5 儲集層完整性受廢棄老井影響

庫內的老井主要以儲集層或儲集層以上的氣藏為目的層，經過多年開采，老井井口裝置、油層套管、水泥環質量等均受到不同程度腐蝕損傷，不但不能承擔起注采井重任，還在一定程度上影響儲集層的完整性。

2 安全快速鉆完井技術

面對復雜地質條件給鉆完井工程帶來的挑戰，相國寺儲氣庫的建設首先要考慮的是在復雜地質條件下安全作業，然后才是經濟建庫。

2.1 軌跡個性化設計與控制技術

增大井眼與儲層的接觸面積是增強儲氣庫注采井能力的重要手段之一。相國寺注采井總體采用了沿構造傾向或軸向斜穿儲層的三維地質靶體方式來增加儲層段鉆進進尺，如圖3所示；同時，也受同場井、礦產采空坑道、斷層/縫洞發育區、頁巖/煤垮塌層的影響,新部署的注采井在設計過程中需要根據單井情況將井眼相碰、鉆井介質漏入采空坑道、軌跡觸頂穿底等風險納入關鍵點控制，風險控制主要通過軌跡個性化設計來實現，即避開煤礦采空坑道、縫洞發育區、斷層，拉開與同場井的距離，縮短易垮塌地層進尺，著陸之前根據著陸點儲集層傾角調整井斜角。如圖4所示，軌跡個性化設計前將從茅口組縫洞發育區中穿過，軌跡個性化設計后成功繞過茅口組縫洞發育區，避免鉆遇縫洞型井漏。

圖3 XC1井靶體投影示意圖

圖4 CX10井地質繞障軌跡優化設計

大尺寸井眼在定向繞障井段，宜選用尺寸較大、剛性較強的螺桿、鉆鋌及鉆桿等，減少斷鉆具事件；固井前宜分段多次通井，通井鉆具組合的剛度宜逐步增加。

高陡構造中，若靶點深度、傾角及視傾角預測不準確，易導致脫靶、提前入靶或入靶角度不理想，在儲集層有限空間里很難進行有效調整，因此，提前預判入靶點深度、入靶所需井斜角和方位至關重要。施工中，利用測井數據、三維地震數據、實鉆地質數據、鉆井數據等對實鉆地質剖面進行實時恢復，從不同方位的過井剖面展開對設計入靶點深度、靶體視傾角等關鍵數據精準預測，落實軌跡控制中每個細節，確保井眼軌跡按預期中靶，降低軌跡進入儲集層后調整難度。

2.2 氣體鉆井技術

庫區內中上部地層破碎，部分井段存在裂縫、溶洞等，采用鉆井液鉆進時井漏嚴重，漏程長，漏失量大，堵漏周期長且效果不理想。氣體鉆井技術在川渝地區已是成熟技術，在相國寺構造集成應用氣體鉆井工藝是優快鉆井和經濟建庫行之有效的方法。針對惡性井漏、地層出水、井底有沉砂等井下復雜，應在裝備配置及應急預防方面做足準備。在嚴重井漏井段采用大排量提升氣體攜屑能力；在地層出水井段根據出水量大小擇機實施霧化和充氣工藝的轉換；在確認井底有沉砂時，分段多次舉砂清砂，保持井眼清潔。

2.3 超低壓枯竭氣藏儲層保護技術

相國寺石炭系儲集層裂縫、孔隙發育程度高，滲透率值區間為55.912～1 151.6 mD，地層壓力下降91.68%，鉆井液中固相顆粒容易在正壓差作用下對孔喉、裂縫造成嚴重傷害。集成應用多級架橋屏蔽暫堵技術是超低壓枯竭氣藏儲層保護的有效途徑，借助正壓差作用在近井壁形成屏蔽暫堵環，阻止鉆井液中固相顆粒對儲層造成傷害。相國寺石炭系儲集層孔喉直徑多是小于0.5 mm、裂縫寬度也小于1 mm，利用D90架橋原理，分別采用D90為0.83 mm、0.43 mm的礦物類一級、二級架橋顆粒和D90為0.15 mm的可變形類三級架橋顆粒實施橋堵，具體配方為：鉆井液+2.5%～5%一級架橋顆粒+1.5%～2.5%二級架橋顆粒+0.1%～0.3%三級架橋顆粒。該配方酸溶率≥93.82%，對鉆井液流變性、潤滑性影響小，巖心損害率由41.87%降低至18.33%。多級架橋顆粒性能參數見表1，加入多級架橋顆粒后鉆井液性能評價見表2。

表1 多級架橋顆粒粒徑分布優化

表2 多級架橋顆粒鉆井液性能評價

2.4 注采管柱安全下入工藝

注采管柱安全下入工藝是枯竭型氣藏注采井完井工藝中的關鍵技術?？萁咝蜌獠剡B通性好，建庫初期儲集層壓力系數低，建庫后期隨著注氣量增加壓力系數也將增大，為控制管柱下入時的井控安全風險和提高作業時效，井漏嚴重、管柱下入過程中存在漏轉噴風險的井采用分段下入工藝，在帶壓作業井口裝置的協助下，先快速下入帶斷銷式盲堵的BWD插管封隔器管柱，如圖5(a)所示，坐封建立安全屏障后，再回插可取式封隔器+油管+井下安全閥管串，如圖5(b)所示，環空注液氮或保護液保護套管；而漏失量小、井內壓力可以控制的井則采用一次性下入工藝，將支撐儲層的防砂篩管、油管和井下安全閥等管串一次性下入到底，雖然一次性下入氣密封油管所耗周期較長，但井內壓力可控，井下風險較小，可有效節省一次起下鉆作業周期。

圖5 注采管柱分段下入工藝流程示意圖

3 井筒完整性控制技術

儲氣庫井筒完整性是儲氣庫長期安全有效運行的重要保障, 井筒完整性不僅包括新建注采井井筒完整性，還應包括老井治理的完整性。

3.1 注采井井筒完整性控制技術

注采井運行期間在強注、強采的交變載荷作用下易產生如圖6所示的泄漏通道，成為儲氣庫全生命周期完整性隱患。以生產套管為界限，在管外儲集層天然氣穿過套管鞋經水泥環縫隙或薄弱蓋層上竄至地面或者其它低壓層，形成管外通道；在管內經密封不嚴的封隔器膠筒、油管絲扣、油管掛等竄至井口。為降低生產套管內外氣體泄漏風險，從井身結構、管內外密封完整性方面著手，強化井屏障部件，保障井筒密封完整性，從而提高注采井全生命周期。

圖6 注采井潛在的泄漏通道示意圖

3.1.1 井身結構優化

相國寺構造地質條件復雜，從地表至儲集層存在多個薄弱點，如圖7所示，通過井身結構優化，建立多級管外屏障，逐級屏蔽地層復雜，阻止儲集層氣體經各個薄弱點上竄至低壓氣層或井口，防止形成管外泄漏通道。其中，生產套管鞋位于儲集層頂，用管外封隔器+水泥環隔斷儲集氣與蓋層及以上地層的接觸；技術套管鞋處于低壓區底部，用管外封隔器+水泥環加強套管與地層之間的密封。

圖7 XGS注采井井身結構優化圖

3.1.2 管外密封完整性控制技術

相國寺注采井生產套管固井質量主要受長興組、棲霞組氣藏及茅口組縫洞發育區影響，存在水泥環不能完全充填、氣竄和環空帶壓的風險。在強注強采的交變載荷下，套管絲扣、管外水泥環均易受損出現微裂縫。提高套管密封性、水泥環完整性有利于管外密封、延緩微裂縫發展速度和規模。

生產套管采用了懸掛回接方式，使用了氣密封套管、防氣竄彈性水泥漿、管外封隔器等固井材料及工具，集成應用了通井管柱等效剛度設計、套管居中度評估與優化技術、預應力固井技術、全過程精細控壓固井技術、套管氣密封檢測技術等多種固井工藝技術[21]，以保障固井作業時井眼通暢、套管居中，控制井底壓力波動，避免因井漏或氣竄不受控制影響固井質量。

川慶鉆探公司自主研發的全過程全自動精細控壓固井技術通過固井全參數采集、井筒壓力實時動態計算、目標當量密度與井口套壓實時聯動控制等，實現了固井不同工況的井筒壓力精確計算、控壓指令快速切換和環空壓力的精確控制，降低了人工計算的誤差值，克服了在窄密度窗口條件下固井作業的溢漏復雜，大幅提高了固井質量和生產時效。

彈性水泥漿主要通過降低水泥石的彈性模量和滲透率，增加水泥石的抗壓和抗拉強度，最大程度提高頻繁強注強采條件下水泥環密封效果。表3為防竄彈性水泥漿性能與中石油集團公司、相國寺儲氣庫對儲氣庫建設用水泥漿性能要求的對比[25]。其中，實測數據是防竄彈性水泥漿養護7 d后的水泥石力學性能。從表3可以看出，防竄彈性水泥漿性能滿足中石油集團公司及相國寺儲氣庫建設方對儲氣庫建設用水泥漿性能的要求。

表3 防竄彈性水泥漿性能對比表

固井前降低井內鉆井液密度和粘切，保障套管居中度，采用高效沖洗液、合理的施工參數和水泥漿流變性能充分提高環控頂替效率，注水泥后通過施加外擠壓力使套管、地層具備彈性能，利用預應力原理，在水泥石發生徑向體積收縮時，釋放彈性能，從而彌補體積收縮產生套管與水泥石之間的微間隙，確保套管與環空之間的密封性，增加水泥環的完整性。

3.1.3 管內密封完整性控制技術

儲氣庫注采井生產套管內注采管柱承擔著注氣和采氣兩個循環生產過程，長時間與高速流動的氣體接觸，注采管柱及井口裝置的密封完整性需滿足長期生產要求。

注采管柱完整性的屏障組件主要由井下安全閥、油管和完井封隔器組成。優選滿足防腐、耐壓、密封要求的9Cr1Mo、35 MPa自平衡式井下安全閥，即使在井口或地面出現異常情況也可實現自動或人為關閉油氣通道，以保障氣庫的安全性；儲層段以上井段選用?114.3 mm或?177.8 mm的80S氣密封油管(注采氣量小于150×104m3/d的井選用?114.3 mm油管，注采氣量小于420×104m3/d的井則選用?177.8 mm油管)，其通徑、強度、密封性、抗沖蝕能力均滿足長期注采要求；儲層段則采用中心管?127 mm、95S的沖鋒防砂篩管，利于氣體均勻進出儲層與井筒的同時能有效阻擋地層砂或巖屑進入井筒；9Cr1Mo、35 MPa、177 ℃完井封隔器保障有效密封油套環空，實現了注采期間井完整性的可靠控制。

按照API 14E標準井口沖蝕產量為256×104m3/d，注采氣量小于150×104m3/d的井采用“十”字形采氣井口裝置，注采氣量大于150×104m3/d的井采用“Y”型整體鍛造采氣井口裝置，井口裝置安全余量充足，滿足長期安全生產需求。

3.2 老井井筒完整性控制技術

相國寺儲氣庫內的老井主要以儲集層或儲集層以上的氣藏為目的層，通過對采氣井口裝置、油層套管、固井質量檢測和評估，發現井屏障基本功能喪失，需要進行封堵重新建立井筒完整性。英國石油和天然氣行業協會發布的《棄井指南》要求具有流動潛力的滲透區域都有1道永久屏障或者2道合適屏障進行隔離，全井筒整體必須有2道屏障，并提出“蓋層修復”概念；挪威也提出棄井兩級井筒屏障，以及層間流動井筒屏障，另外，對管外環空水泥膠結不好的井還要求鍛銑重新建立屏障；而美國在這方面的要求不高，旨在保護淡水層和封堵油氣資源，僅建議作業商在淡水層最底部及表層各注一橋塞，封堵可能會產出碳氫化合物的層段和注水層，防止地表水滲入井筒內。

3.2.1 低壓易漏失地層暫堵壓井一體化技術

儲集層地層壓力系數極低，連通性好，治理過程中存在高密度壓井液大量漏失的風險，對低壓井先采用清水或清潔鹽水(如KCl溶液)進行試壓井；若有井漏且漏失量較大，則可先用堵漏效果好、污染輕的固化水進行暫堵壓井；如固化水仍漏失嚴重，轉為凝膠暫堵修井液進行暫堵壓井。

3.2.2 封堵棄井技術

壓井成功后對含氣層進行永久性水泥封堵，徹底隔絕天然氣進入井筒或者上部地層。為達到永久封堵效果，選用具有良好流變性和地層穿透性的超細水泥漿體系作為永久封堵的堵劑。超細水泥漿凝固后，根據油層套管剩余強度值及儲氣庫運行壓力對水泥塞進行試壓，滿足要求后再在水泥塞之上下機械橋塞進行封閉，進一步提升封堵效果。為防止高密度水泥漿大量漏進儲層和影響水泥塞質量，可先注入一定量的快凝水泥漿或者堵漏水泥漿，再向產層擠注一定量的常規水泥漿。進入產層的水泥漿總量應根據產層厚度、孔隙度以及封堵半徑核定，在確保封閉效果的情況下盡量減少擠占儲層空間。

對生產套管磨損和腐蝕嚴重或生產套管外水泥環質量很差以及B環空竄氣的井，采用套管鍛銑技術對蓋層段的生產套管進行鍛銑擴眼，然后對蓋層進行徹底封閉，以杜絕氣庫天然氣外溢風險。單個鍛銑長度一般大于30 m為宜；在套壓允許的范圍內采用高壓擠注工藝進行注塞施工，并帶壓候凝、驗封。

對于技術套管外環空竄氣的井，進行竄氣氣質分析，判斷氣源。若是產層氣，則應對產層進行擠注水泥封堵，并視情況對儲集層上部套管進行鍛銑，重新擠注水泥塞進行環空封堵。對固井水泥漿未返至地面的老井，進行“反打”灌入水泥漿至地面，采用“戴帽子”的方法進行環空封堵。

3.2.3 封堵棄井實踐

經過評估，相國寺庫區內有老井18口需要封堵棄井。其中，8口井固井質量合格率低于60%，6口井生產套管壁厚損傷在3 mm以上。根據目的層不同分為兩個類型：目的層為儲集層或目的層為儲集層+其它產層；目的層為其它產層。考慮各井對氣庫全生命周期的影響程度，對目的層為儲集層的8口老井進行高標準、高質量棄井作業：清洗井筒，變形套管進行整形，打撈、磨銑井底落魚，射孔地層擠注水泥封堵，儲集層段復合暫堵后注水泥塞封堵，蓋層段水泥環質量不滿足要求的鍛銑擴眼、蓋層修復，橋塞+水泥塞+橋塞+水泥塞封堵井筒，下光油管完井。如表4所示，蓋層鍛銑長度多數在30 m以上，井筒內水泥塞封堵長度除X25井外段長在1 223.35～1 615.44 m，滿足阻斷集氣層氣體向其它滲透性地層流動或沿井筒內上竄的風險，見圖8。

表4 儲集層中重點老井棄井評估及封堵數據表

圖8 儲集層的老井封堵示意圖

4 氣庫運行情況

相國寺儲氣庫共計完成注采井及監測井的鉆完井作業24口，成功率100%，實現了開鉆一口井即成功一口井。其中，XC4井僅用88 d完成鉆井作業，完井周期103 d，實現了相國寺高陡構造復雜地質條件下主采井90 d內完鉆的安全快速鉆完井理想目標。2013年XC8井第一次試注成功；2014年12月成功調峰采氣，開始為季節調峰保供出力，實現由“采氣”到“儲氣”的華麗轉身；截止2021年9月,相國寺儲氣庫共完成8注7采，進入第9注氣期，累計注入天然氣124×108m3，累計調峰采氣85.94×108m3。

經過9年的注采驗證，相國寺儲氣庫注采能力完全滿足季節調峰設計要求，注采井未發現環空帶壓問題，井筒完整密封、安全可靠，運行良好，有力地保障了冬季天然氣的供應。

隨著2021年9月21日最后一口注采井XC20井的完鉆，相國寺儲氣庫擴容達產鉆井工程圓滿完成。相國寺儲氣庫天然氣調峰能力將進一步增強，日采氣量最高可達到2 855×104m3，單期調峰將具備23×108m3的能力。

5 結論與建議

(1)相國寺儲氣庫建設以控制建設成本、保障井筒完整性為目標，系統研究和集成應用了具有自主知識產權的軌跡優化設計與控制技術、氣體鉆井技術、超低壓儲層保護技術、井筒完整性控制技術，形成了枯竭型氣藏儲氣庫鉆完井配套技術。

(2)相國寺儲氣庫的成功建設不僅對區域的調峰保供起到了重要作用，更是西部大開發的重要能源動脈。后續黃草峽等多個儲氣庫建成后，四川盆地作為重要產氣區，將為大西南經濟騰飛作出貢獻。

(3)儲氣庫建設的裝備及技術在未來一段時間內還需要繼續提升。從相國寺儲氣庫建設鉆井時效占比情況來看，油套管的氣密檢測、惡性井漏封堵的時間還占有很大比例，下步可在氣密封檢測裝備及技術上進一步加強攻關，以縮短氣密封油套管入井的周期；另外，我國多數枯竭型氣藏都存在構造破碎、埋藏深、斷層發育，形成成熟的堵漏技術體系，也是下步工作的重點。