文23 儲氣庫鉆井工程關鍵技術

廖權文 胡建均 史懷忠 宋恒宇

1. 中石化中原石油工程有限公司；2. 中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室；3. 中國石油集團工程技術研究院有限公司

0 引言

儲氣庫作為戰略儲備、季節調峰保供手段，被廣泛應用［1-2］。國外儲氣庫建設已有上百年歷史，1915 年加拿大建設了世界首座儲氣庫［3］，截至2017 年底，全世界在役儲氣庫總工作氣量可達4 164 億m3，占當年天然氣消費量的11%，主要集中于美國、歐盟、俄羅斯［4］，這些儲氣庫以氣藏型儲氣庫為主，約占67%［5-7］。儲氣庫建設有自身的特殊性，需要滿足長周期交替注采工況下的運行安全，因此對其井筒質量有較高的要求。針對儲氣庫的特殊需求，前人已開展了大量研究，形成了一系列的關鍵技術。袁光杰等［8］開展了國內地下儲氣庫鉆完井技術現狀分析，詳細介紹了國外儲氣庫建設在注采井壽命、鉆井方式及井型、井身結構、鉆進工藝、固井、完井、老井封堵和注采等方面采用的最新理念和技術。陳顯學等［9］重點開展了儲氣庫固井技術研究，根據鉆遇地層的特點及時調整鉆井液性能和密度，并進行隨鉆堵漏和承壓堵漏，為固井施工創造良好條件，應用高強低密度水泥漿降低靜液柱壓力，蓋層段應用膠乳水泥漿固井，增強防氣竄能力。譚賓［10］針對相國寺儲氣庫面對的工程難題，系統研究了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，形成枯竭型氣藏儲氣庫鉆完井配套技術，在相國寺儲氣庫建設過程中取得了較好的應用效果。黨文輝等［11］針對呼圖壁儲氣庫鉆完井中井筒工作液深度侵入儲層造成儲層嚴重損害難題，提出了強化抑制能力、弱化巖石表面液體潤濕性、提高暫堵能力的鉆井液技術，優選了胺基抑制劑、ABSN 等處理劑優化現場鉆井液體系。

文23 儲氣庫建設規模巨大，建設完成后整個儲氣庫群存儲容量達100 多億m3，居國內首位［12］。2019 年3 月，一期工程66 口新井全部完鉆后陸續投注，截至2019 年7 月15 日，日注氣量1 400 萬m3/d，氣庫累計注氣量13.87 億m3。

文23 儲氣庫構造上位于東濮凹陷中央隆起帶北部文留構造高部位，構造總體為基巖隆起背景上繼承發育的斷層復雜化的背斜，區域斷層將氣田分割為主塊、東塊、西塊、南塊4 個獨立斷塊區。氣田地層層序自下而上為：中生界，新生界下第三系沙河街組、東營組，新生界上第三系館陶組、明化鎮組及第四系平原組。沙河街組又細分為沙四段、沙三段、沙二段、沙一段。含氣層系為沙河街組沙四段，埋藏深度2 750～3 120 m，地層壓力4.44～24.42 MPa，壓力系數0.15～0.80，為超低壓系統。儲氣庫蓋層為沙三段文23 鹽，分布廣、厚度大(400～600 m)。由于儲氣庫建設特殊性和文23 氣田地質特征，給高質量鉆完井帶來巨大挑戰，主要有以下幾個方面：(1)地層壓力系統紊亂，呈現“高-低”或者“低-高-低”特征，對井身結構、儲層保護和固井等提出更高要求。(2)以巨厚鹽膏層為蓋層儲氣庫，國內外無相關建庫經驗，巨厚鹽膏層固井質量及套管強度要求高。(3)要求儲氣庫有50 年壽命，30 年不動管，注采井強注強采，周期循環，套管和環空水泥強度、密封性須能承受壽命周期內強注強采要求，保證儲氣庫安全平穩運行。(4)文23 氣田斷層發育，易發生井漏，嚴重影響安全鉆井和固井質量［13］。

1 井身結構設計

具有復雜地層特性的儲氣庫井，其設計方法不同于普通井［14］。綜合考慮傳統設計法中的壓力(井筒內的壓力與地層壓力)平衡、自上而下設計法對地層不可預見性、必封點等因素，以及目前的裝備及技術水平與后續的注采工藝要求，以保證蓋層和目的層固井質量為最終目標，考慮必須要封固的特殊點位，設計出符合要求的井身結構［15］。本儲氣庫井身結構設計原則如下［16］。

(1)針對“高-低”地層壓力特征的儲氣庫井，立足“一個專打”的原則，即儲層專打，提出了三開次井身結構方案。其中二開封固儲層以上地層，保證儲層專打。三開次井身結構方案見表1。

表1 三開次井身結構設計Table 1 Casing program design for the third casing section

(2)針對“低-高-低”地層壓力特征的儲氣庫井，立足“兩個專打”的井身結構設計原則，即蓋層專打、儲層專打，提出了四開次井身結構方案。其中二開封固低壓易漏地層，保證蓋層專打，為蓋層安全鉆進和固井質量創造條件；三開封固儲層以上高壓地層，保證儲層專打；三開采用?330 mm 鉆頭，下?273.1 mm 套管；四開需要保證套管與井眼之間環空間隙的尺寸，進而保障固井質量。四開次井身結構方案見表2。

表2 四開次井身結構設計Table 2 Casing program design for the fourth casing section

2 鉆井液及儲層保護技術

2.1 微泡防漏鉆井液體系

針對文23 儲氣庫儲層段低壓、易漏等特點，通過承壓封堵性、抑制性、潤滑性、儲層保護等方面優化，研制出抗溫120 ℃、密度0.85～1.0 g/cm3可調微泡防漏鉆井液體系，配方為：3%～5%膨潤土漿+0.5%～1%發泡劑+0.2%～0.4%XC +1.5%～2.5%降濾失劑+0.5%～2%抑制劑+1%～2%膠束促進劑+0.1%～0.3%殺菌劑，能滿足文23 儲氣庫儲層段安全施工和儲層保護要求。微泡防漏鉆井液通過物理攪拌產生均勻泡沫，這些泡沫具有“聚能”作用，表現出一定的剛性，在井底高壓條件下具有低密度而且流變性好特點，微泡防漏鉆井液性能參數見表3，不影響鉆井液循環及MWD 等井下工具的使用，同時能有效防止低壓裂縫性地層漏失(見圖1、圖2)，保護油氣層，降低鉆井成本，能滿足文23 儲氣庫低壓枯竭油氣層的安全施工和儲層保護要求。

圖1 微泡防漏鉆井液抗壓縮性能Fig. 1 Compression resistance of micro-foam lost circulationpreventive drilling fluid

圖2 微泡防漏鉆井液承壓封堵性能Fig. 2 Pressure-bearing plugging performance of micro-foam lost circulation-preventive drilling fluids

表3 微泡防漏鉆井液性能Table 3 Performance of micro-foam lost circulationpreventive drilling fluids

文23 儲氣庫三開儲層段雖然部分井段地層壓力系數僅為0.1～0.3，但仍存在部分未開發層地層壓力系數在0.8～1.2。當鉆遇異常高壓地層，必須對微泡防漏鉆井液體系快速加重時，利用儲氣庫二開飽和鹽水鉆井液與微泡防漏鉆井液混合，加快鉆井液配制時間。微泡防漏鉆井液與二開1.50 g/cm3飽和鹽水鉆井液不同配比實驗結果見表4，可以看出，微泡鉆井液與現場二開飽和鹽水鉆井液混合后鉆井液流變性、黏切等各項性能可以滿足現場施工要求，為文23 儲氣庫三開儲層段鉆進做好了準備。

表4 不同配比微泡防漏鉆井液與飽和鹽水鉆井液混合后性能Table 4 Performance of mixture of micro-foam drilling fluid and saturated brine drilling fluids with different proportions

2.2 儲層保護設計

枯竭型氣藏儲氣庫對儲層保護要求高，要保證氣注得進、采得出［17-19］。通過儲層傷害因素分析，文23 儲氣庫地層的主要傷害因素為固相顆粒侵入、水敏、鹽敏、水鎖傷害、針對性篩選多組配方并經巖心實驗驗證，設計了自降解儲層保護體系，配方為：現場鉆井液+2%剛性架橋封堵劑YBS-2+6%油氣層可變形封堵劑WTS+0.5%自降解儲層保護劑MPA，其配伍性評價性能參數見表5。

表5 儲層保護配方配伍性評價Table 5 Compatibility evaluation of the reservoir damage prevention formula

優選自降解儲層保護材料MPA，其致密封堵能力強，封堵層強度可達到10～20 MPa，減少了鉆井液固相和液相侵入儲層的深度；可完全降解，其在合成時引入自降解單體，具有解堵特性，可在10～20 d 完全降解，儲層滲透率恢復率達到80%，能恢復儲層孔道滲流能力；具有防漏能力，能夠有效封堵微裂縫及孔喉發育儲層，減輕鉆井液滲漏量；可消除水鎖，乳液中的表面活性劑可有效降低鉆井液濾液界面張力，降低巖心水鎖效應。

3 井筒密封完整性技術

3.1 套管的選擇

為了保證儲氣庫井井筒完整性，滿足長期強注強采要求，技術套管和生產套管采用金屬氣密封扣，鹽層段采用外(內)加厚高強度技術套管。考慮氣源的多樣性和文23 儲氣庫的地層流體環境，生產套管按一類氣標準設計，懸掛器以下選用鋼級P110S-13Cr 抗腐蝕套管，懸掛器以上選用鋼級P110 的套管。套管力學參數要滿足相應的行業標準［20］，性能參數見表6。

表6 套管性能參數Table 6 Performance parameters of casing

3.2 水泥漿體系

3.2.1 技術套管段非鹽層水泥漿體系

針對技術套管段地層承壓能力低這一問題，根據顆粒級配及緊密堆積原理，在水泥漿體系中添加0.6～0.7 g/cm3中空玻璃微珠，構成了低密度體系的基本框架，加入納米級微硅填充空隙，使漿體穩定且水泥石致密，加入降濾失劑有效降低失水、穩定漿體，加入穩定劑進一步提高漿體穩定性，加入膨脹早強劑提高早期強度，抑制水泥石收縮，加入優質中溫緩凝劑調節稠化時間。以上配方構成了適用于技術套管段非鹽層段固井的抗鹽增韌高強低密度水泥漿體系，其密度1.35～1.50 g/cm3，稠化時間200～400 min(可調)，FLAPI不大于50 mL，游離液不大于0.5 mL，上下密度差不大于0.03 g/cm3，頂部抗壓強度不小于3.5 MPa，底部抗壓強度不小于14 MPa，SPN值不大于4。

3.2.2 技術套管段鹽層水泥漿體系

以抗鹽增韌高強度低密度水泥漿體系為基礎，去掉中空玻璃微珠(漂珠)，加入AMPS 多元共聚物類中溫抗鹽降濾失劑，有效控制鹽水中的水泥漿濾失量，形成抗鹽污染能力強、韌性高的抗鹽增韌水泥漿體系。抗鹽增韌水泥漿體系性能：水泥漿密度1.85～1.90 g/cm3，稠化時間60～260 min(可調)，FLAPI不大于50 mL，游離液0，抗壓強度不小于14 MPa，抗折強度增長率不小于15%，抗沖擊功增長率不小于20%，SPN值不大于3。

3.2.3 生產套管段水泥漿體系

儲氣庫投產后，每年均進行高壓注采氣，壓力及溫度變化對水泥環的長期耐久性及防竄性能提出了更高要求；儲層為枯竭型氣藏，同時還要遏制或杜絕固井井漏［21］。針對儲層特性和儲氣庫井的要求，研制出滿足生產套管固井要求的常規密度彈韌性水泥漿體系和高強度低密度彈韌性水泥漿體系。

在漿體中加入黏彈性降濾失劑，形成的分散連續相可填充水泥顆粒空隙，增加水泥漿彈性，復合增韌劑填充水泥石微裂隙，提高水泥石抗沖擊能力及阻裂能力，界面增強劑可改善水泥石與界面的膠結程度，膨脹早強劑能提高水泥石強度，抑制水泥石收縮，避免界面因體積收縮而形成氣竄通道。該彈韌性水泥漿體系彈性模量降低了40%以上，為8～9 GPa，抗折強度增加100%以上，模擬注采壓力35 MPa，經歷100 個周期的加壓-放壓后，依然能保持良好的密封性，無氣竄發生。同時保持了較高的抗壓強度，常溫常壓下24 h 即能達17 MPa 以上。

常規密度彈韌水泥漿體系性能：水泥漿密度1.85～1.90 g/cm3，稠化時間為施工時間+30～150 min，FLAPI不大于50 mL，游離液不大于0.5 mL，抗壓強度不小于14 MPa，抗折強度增長率不小于15%，彈性模量降低率不小于25%，SPN值不大于3。高強低密度彈韌水泥漿體系性能：水泥漿密度1.35～1.50 g/cm3，稠化時間為施工時間+150～180 min，FLAPI不大于100 mL，游離液不大于0.5 mL，抗壓強度不小于14 MPa，SPN值不大于3。

3.3 固井技術

3.3.1 井眼準備

文23 儲氣庫屬于枯竭型氣藏儲氣庫，初始地層壓力38.6 MPa，壓力系數1.25～1.35，經過多年開采，地層壓力下降明顯，目前主力區塊壓力系數已降至0.15～0.18，最小地層壓力4.44 MPa；同時為保證井筒完整性，需對全井段進行封固，封固段長達3 000 m以上，固井中極易發生漏失。因此，固井前井眼準備尤為重要，清潔規則的井眼和足夠的承壓能力是保證固井質量的關鍵。

在鉆井過程中使用隨鉆堵漏材料、復合材料靜止堵漏和化學堵漏工藝提高井眼抗破能力。環空返速不低于1.2 m/s，稠漿攜巖，使井眼清潔暢通。下套管前進行靜態承壓試驗，井眼當量破裂壓力達到固井施工要求后再進行下套管作業。下套管時，套管到位后采用水泥車頂通和泵循環相結合方式，防止激動壓力壓漏地層。

3.3.2 低壓易漏地層固井技術

為保證低壓易漏地層固井一次成功率和固井質量，采用尾管懸掛+套管回接方式，通過優化套管下入程序，形成了全井封固固井技術。

對固井工藝進行優化，采用欠平衡漿柱：平衡液+隔離液+1.50 g/cm3低密度領漿+1.90 g/cm3中間漿+1.90 g/cm3尾漿，降低環空壓力，防止井漏；采用三凝水泥漿體系，通過延長水泥漿體各段稠化時間，用漿體自身壓力壓穩封固層段。一般領漿稠化時間為400～500 min，中間漿稠化時間為200～260 min，尾漿稠化時間比施工時間長10 min，逐級壓穩，防止失重。最終達到“以快制動”，高效封固鹽膏層。施工結束后，根據水泥漿稠化時間對環空進行控量分段加回壓。

3.3.3 鹽層固井技術

文23 鹽作為蓋層將文23 儲氣庫全部覆蓋，鹽層厚，鹽性純，且為鹽膏層、泥巖交互韻律層，蓋層封固質量直接影響氣庫密封性。影響鹽層固井難題：一是大肚子井眼，頂替效率難以保證；二是鹽層被溶蝕，溶解的鹽侵入水泥漿對其性能造成破壞。

通過優化井身結構，將?320 mm 鉆頭更換為?340 mm 鉆頭，保證井徑不小于330 mm，保證環空間隙，提高頂替效率，固井質量明顯提高；采用平衡壓力固井技術，固井前最后一周將鉆井液密度降低0.05～0.07 g/cm3；采用先導漿+清油型沖洗隔離液+清油型加重沖洗隔離液+稀水泥漿，紊流接觸時間達到20～25 min，返速達到1.1 m/s，清洗套管壁及井眼濾餅、油膜，提高井眼環空驅替效率。

由于井漏和井眼條件限制，無法實現全井段大排量頂替，采用紊流+塞流頂替，注水泥漿排量接近循環最大排量，替漿前期排量控制在1.1 m/s 返速，利用前面低密度水泥漿對井眼環空進行二次驅替，后期排量0.3 m/s，使后面高密度水泥漿以塞流的方式進入環空。嚴格控制替漿時間與水泥漿稠化時間，縮短水泥漿在環空靜態情況下的初凝時間，從而有效控制鹽侵對水泥漿膠結強度的破壞。

3.4 應用效果

井身結構方案為現場安全鉆完井、儲層保護和井筒密封完整性創造了很好的井筒條件；微泡防漏鉆井液防漏效果突出，有利于井壁穩定，有利于儲層保護，低壓儲層漏失發生率僅為13.6% ，目的層平均井徑擴大率不大于5% ，鉆井液侵入地層深度0.8～1.6 m；儲層保護效果明顯，滲透率恢復值有較大提升，現場單井注氣能力比設計平均提高1.5 倍；蓋層(鹽層)段固井質量合格率100%，生產套管固井質量優質率100%。

4 結論與認識

(1)優化形成了適用于文23 儲氣庫井的三開次和四開次井身結構設計方案，解決了多套壓力體系共存井漏頻繁的問題，有利于提高鹽蓋層段固井質量和低壓儲層保護要求；微泡防漏鉆井液、自降解儲層保護技術解決了超低壓易漏失、儲層保護等難題，保證了儲氣庫井“注得進、采得出”，儲層保護效果好，安全鉆進效率高；自主研發的抗鹽、彈韌性水泥漿體系可滿足鹽蓋層和超低壓儲層固井質量要求，保證儲氣庫井“封得住”。

(2)形成了適用于文23 儲氣庫建設的鉆井工程關鍵技術，有效保護了枯竭儲層，提高了井筒完整性，進而保障了儲氣庫后續運行安全，但目前仍有一些井在復雜工況下出現了環空帶壓問題，后續會針對這一問題，繼續開展井身質量控制、韌性水泥漿性能提高、固井工藝優化以及井筒完整性保障等方面研究，以保證安全高效、高質量完成文23 儲氣庫后續建設。