頁巖氣“瘦身井”結構優化

郭 強

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

0 引言

頁巖氣是一種重要的非常規天然氣資源，是儲量巨大的清潔能源，預測全球頁巖氣資源儲量相當于煤層氣和致密砂巖氣的總和，約456 萬億立方米，主要分布在北美、中亞、中國和拉美等地區[1-2]。我國頁巖氣資源儲量豐富，廣泛分布于海相、陸相盆地，在全國范圍內各地質歷史時期都存在頁巖氣資源，可采資源量達21.8萬億立方米。目前探明儲量已達2 萬億立方米，2020 年頁巖氣產量達200 億立方米，居世界第二，已成為新增天然氣能源的主力軍。隨著國家對頁巖氣減征資源稅幅度逐年降低，結合美國頁巖氣開發的經驗和技術，以及頁巖氣井的經濟性、穩產能力和可采儲量等因素情況，目前國內各大油田都在調整頁巖氣井的井身結構設計，以實現降低頁巖氣開采成本。

頁巖氣井的井身結構設計要緊密結合地質、地層情況以及設備能力、鉆具組合等因素綜合確定[3-6]。本文結合川渝地區某區塊地質情況，對實現頁巖氣井身結構瘦身優化進行了闡述和分析，提出了井身結構“瘦身”優化方案。

1 頁巖氣井常規井身結構

頁巖氣開采是由美國最先開始研究的，在經歷了很長一段時間的頁巖氣開采技術探索之后，目前大部分頁巖氣開發井為水平井加多段壓裂組合。美國頁巖氣井井身結構通常為三開井身結構（見圖1），一開井眼尺寸為444.5mm，套管尺寸為Φ 339.72mm，井深約為200m；二開井眼尺寸為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。

與美國相比，中國的頁巖氣儲層較深，以垂深3500m 為界，埋深超過3500m 的頁巖氣儲量要遠遠高于中淺層，深層儲量是中淺層儲量的2 倍左右，因此，中國頁巖氣開發難度遠高于美國，開發成本也比美國高。中國的頁巖氣主要在川渝地區，常用的井身結構為常規的三開井身結構[7-9]。

相比于美國頁巖氣井身結構，三個開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，尤其是生產套管，由于地層壓力不同，中國的頁巖氣井使用生產套管的抗擠毀強度和抗內壓要求更高。因此，中國頁巖氣壓裂使用的生產套管鋼級一般在125ksi 或140ksi 鋼級，套管壁厚更厚，以此來保證高的抗擠毀強度和抗內壓強度。中國常用井身結構如圖2所示。

從圖1、圖2 井身結構對比可知，雖然井身結構開次類似，但是下深不同。我國頁巖氣藏埋深2000米至4500米，其中65%以上資源超過3000米，受多期構造運動影響，地址條件復雜。隨著頁巖氣資源埋藏深度的增加，氣井產能呈現降低趨勢，氣田有效開發難度逐漸增大，氣井鉆探費用快速上升。目前，中國頁巖氣開發成本較美國高出30%左右，持續降低頁巖氣開發成本勢在必行[10-14]。

圖1 美國頁巖氣井常用井身結構

圖2 中國頁巖氣井常用井身結構

2 頁巖氣“瘦身井”結構優化

2.1 井身結構優化目的

頁巖氣“瘦身井”井身結構優化的目的是降成本。隨著中淺層頁巖氣勘探開發的全面開展，對地質、地層情況和設備能力等情況了解程度的深入，可以對現有井身結構進行瘦身設計。頁巖氣水平井“瘦身”有助于降低套管用量與固井成本。

2.2 井身結構優化套管使用性能要求

“瘦身”后頁巖氣井用套管對非標尺寸以及特殊性能套管具有針對性的需求，套管應具備以下使用要求：

（1）對套管抗內壓強度、抗外擠強度有更高要求，能滿足大規模高壓改造施工要求。

（2）對套管尺寸非標化、接箍外徑以及相關性能有要求，需滿足瘦身井眼長水平套管下入等相關要求。

（3）對套管接頭強度、扭矩等性能有新要求，需滿足復雜軌道井、長水平段旋轉下入套管需求。

2.3 井身結構優化前后性能對比

2.3.1 井身結構優化方案

通過對現有井身結構的分析，對井身結構進行優化。

方案一：優化后井身結構如表1 所示，套管井身結構優化前后套管的抗擠毀強和抗內壓強度的使用性能對比如表2所示。

表1 優化前后使用套管

表2 優化前后套管使用性能

方案二：優化后井身結構如表3 所示，套管井身結構優化前后套管的抗擠毀強和抗內壓強度的使用性能對比如表4所示。

表3 優化前后使用套管

表4 優化前后套管使用性能

2.3.2 井身結構優化方案對比分析

對兩套井身套管結構優化方案進行對比分析：

（1）方案一、二的表層套管和技術套管使用分別進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，優化后的生產套管只能使用Φ114.3mm×9.65mm 套管，套管內徑為Φ95mm，原生產套管尺寸為Φ 139.7mm×12.34mm，內徑為115.02mm，優化后套管內徑比原套管尺寸內徑小了約20mm，壓裂排量會受到影響。

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

3 結構優化后套管使用分析

頁巖氣開采過程中，管柱承受住各種交變載荷，保證井筒抵抗結構性破壞、維持井筒功能的重要屬性是鉆井工程井下安全的保證，也是提高頁巖氣單井產量的工程保障。在表層套管和技術套管方面，對比井身結構優化前后的抗擠毀強度和抗內壓強度，從表2和表4可知，優化后的套管性能參數和優化前的套管性能參數相當，滿足管串設計方面的要求。

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

綜上所述，井身結構瘦身優化之后，表層套管和技術套管在抗擠毀性能和抗內壓使用性能方面與優化前套管使用性能相當。因生產套管需要使用氣密封扣，對接頭的性能要求更高，優化后套管的使用性能方面與優化前使用性能相當，能夠保證井筒抵抗結構性破壞、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速度，大大節約鉆井時間，因此，瘦身后井身結構會極大降低鉆井成本和套管使用成本，對于頁巖氣開采降成本起到極大助力作用。

對于現有井身結構的瘦身計劃，需要滿足以下技術要求：

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

（2）生產套管抗壓縮性能是特殊扣性能指標的重要參數之一，對于大角度水平井，頂驅旋轉套管下入是頁巖氣水平井常用的下套管方式，抗壓縮性能是旋轉下入套管方式的重要指標，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）優化后的井身結構井眼、井口縮小，需要考慮壓裂配套工具，壓裂施工排量等要求。

4 結語

頁巖氣井瘦身最主要的目的是降本增效，做好增產降本加減法是頁巖氣整體高效開發的關鍵所在。對現有頁巖氣井井身結構設計整體尺寸縮小和“瘦身”，是控制頁巖氣開采成本的有效措施。

（1）井身結構“瘦身”，可降低鉆井成本，提高機械鉆速和時效，促進頁巖氣開發向低成本高效益模式邁進。

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

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