溫西超低壓儲氣庫鉆完井工程技術優化

陳芳 馬平平 楊立軍 劉文超

中國石油吐哈油田分公司工程技術研究院

溫西一儲氣庫位于新疆鄯善縣境內，是吐哈油田溫吉桑儲氣庫群一期工程，其功能定位一是滿足油田周邊用氣；二是參與西氣東輸調峰，滿足沿線城市供氣安全。溫西一西山窯氣藏已進入開發后期，地層壓力系數低，加之儲層滲透性好，裂縫發育，上部井段發育煤層，蓋層泥巖易垮塌，儲氣庫鉆完井技術面臨極大挑戰。前期先導試驗井鉆完井過程中表現出惡性井漏頻發、承壓堵漏難度大、井徑超標、鉆井周期長等問題。通過不斷積累試驗井經驗，優化研究鉆完井工藝技術，目前完鉆直井、水平井均能滿足儲氣庫注采井要求，為國內同類型儲氣庫優快完鉆井提供參考。

1 溫西一氣庫鉆完井工程地質難點

溫西一氣田1991 年發現，地層自上而下分別是第三系、白堊系、侏羅系(齊古組、七克臺組、三間房組、西山窯組)，縱向上主要發育3 套油氣藏，分別為七克臺至三間房組帶氣頂的輕質油藏，西山窯組上段的凝析氣藏和下段的低飽和度油藏。溫西一儲氣庫的目的層為西山窯組上段的凝析氣藏，埋深為2 725～2 852 m，原始地層壓力為28.2 MPa，壓力系數為0.996，目前平均地層壓力為6.1 MPa，壓力系數為0.21。前期開展了W6、W10H 等注采井先導試驗，鉆完井過程主要體現的難點如下。

1.1 惡性漏失頻發，堵漏及承壓困難

三間房地層砂巖滲透性好，西山窯儲層壓力虧空嚴重，垂直裂縫發育，裂縫寬度差異大，0.5～10 mm 不等，鉆完井過程中漏失嚴重，且下套管前承壓難度大。先導試驗井W10H 三開累計漏失鉆井液6 394 m3，W12 井中完下套管前承壓堵漏8 次，用時389 h，二級固井中仍然發生井漏失返。

1.2 齊古組至三間房泥巖垮塌嚴重，井徑擴大率普遍超標

泥巖井段黏土含量41.2%～50.9%，伊蒙混層、伊利石含量高，易水化剝落，井壁穩定性較差，尤其是蓋層紫紅色泥巖，平均井徑擴大率大于15%，最大可達64%，多處存在“大肚子”和“糖葫蘆”井眼。

1.3 大尺寸井眼造斜效率低，定向施工難度大

二開?333.4 mm 井眼采用牙輪鉆頭平均機械鉆速僅1.49 m/h，趟鉆進尺84 m，頻繁起下鉆加劇井漏及井壁失穩；采用常規PDC 鉆頭配合單彎螺桿造斜率僅有4.5～5 (°)/30 m，平均復合鉆進進尺比例10%，嚴重影響鉆井周期。

1.4 儲層潛在傷害大

溫西一目的層西山窯組平均孔隙度為14.4%，平均滲透率為28.1×10-3μm2，屬中低孔、中低滲儲層。儲層黏土礦物含量占15.8%～16.9%，水敏指數53.18%，屬中等偏強水敏。鉆井液固相和濾液侵入儲層造成近井地帶污染以及水敏傷害，導致滲透率下降，鉆遇裂縫發生惡性漏失造成儲層深度污染，同時在一定程度上占用了庫容，影響整體建庫［1-2］。

1.5 井筒質量完整性難以保證

儲氣庫注采井對蓋層封固質量比常規油氣井要求高，固井過程中存在水泥漿漏失、堵漏劑黏附井壁上影響二界面膠結質量、大井徑、不規則井眼套管居中度難以保證、頂替效率差等問題，技術套管固井質量問題較突出。

2 鉆完井工藝優化

2.1 井身結構優化技術

結合地層三壓力分析、管流計算和產能預測，溫西一庫直井采用?508 mm 表層套管+?273 mm技術套管+?177.8 mm 生產套管結構；水平井水平段較長，為提高造斜效率和水平段鉆進效率，同時滿足水泥環厚度及配采要求，三開選用?216 mm 鉆頭，生產套管設計?177.8 mm+?139.7 mm 復合套管串。

由于蓋層段泥巖井壁穩定性差，目的層地層壓力系數低，合理的技套下深是解決塌漏同層矛盾、提升井身質量及固井質量的關鍵因素，開展了3 種技套下深方案探索實踐［3-6］。

(1)技套下至西山窯儲層頂界以上5～10 m，不進儲層。由于未完全封固蓋層段紫紅色泥巖，三開低密度鉆井液與大段泥巖井壁穩定矛盾突出，W10H 井三開頂部大斜度段泥巖蓋層平均井徑擴大率達到30%，嚴重影響固井質量。

(2)技套進入西山窯儲層垂深1～2 m。二開為平衡上部泥巖坍塌應力采用1.30 g/cm3鉆井液，當揭開西山窯超低壓地層即發生惡性漏失，W12 井二開揭開儲層后漏失達584 m3，增加蓋層固井承壓及施工難度。

(3)技套下至西山窯儲層頂界以上1～2 m，完全封固蓋層段紫紅色泥巖，減少二開井段漏失的同時確保三開低密度鉆井液不會造成儲層上部地層坍塌。實踐證實，該井身結構能夠顯著降低井漏，為后續施工提供良好的井眼條件［2］。

目前溫西一氣庫直井、水平井井身結構設計如表1 所示。

表1 溫西一氣庫直井、水平井井身結構設計Table 1 Casing program of vertical and horizontal wells in West Wenjisang No.1 UGS

2.2 個性化鉆頭與高效造斜鉆具匹配技術

為解決大尺寸井眼造斜效率低，定向施工難度大問題，二開造斜段選用高效牙輪-PDC 復合鉆頭，采用小高差設計，牙輪齒略高PDC 齒1～2 mm，有利于提高鉆頭的攻擊性，穩定PDC 齒吃入深度，確保工具面穩定。改進螺桿與鉆具結構，縮短?244 mm大尺寸螺桿彎點及下扶正器距鉆頭位置，無磁鉆鋌由?203 mm 優化為?228 mm，在提高鉆具造斜率的同時，降低鉆具剛性差，縮減中完通井次數［7］。通過復合鉆頭+高造斜螺桿+鉆具結構匹配優化，造斜段機械鉆速達到3.27 m/h，單只鉆頭進尺251 m，二開井段機械鉆速同比前期提高119%，趟鉆進尺提高198%。

2.3 鉆井液及儲層保護技術

2.3.1 鉆井液體系優選及性能參數設計

西山窯儲氣層建庫初期地層壓力低，漏失嚴重，如采用氣體(泡沫)鉆井液進行近(欠)平衡鉆井，不能滿足直井取心和水平井MWD 儀器信號傳輸，若采用油基鉆井液費用高(尤其在發生惡性漏失時)、環保處理壓力大。先導試驗階段應用聚胺鉆井液取得了一定效果，在此基礎上進一步完善了配方，增加了以甲酸鈉、氯化鉀為主的有機鹽和無機鹽，進一步提高了鉆井液抑制性能，同時也降低了濾液中自由水的活度。該體系泥頁巖一次滾動回收率達93.4%，抑制性明顯優于聚磺鉆井液體系，能有效抑制黏土礦物水化膨脹和分散；鉆井液動塑比＞0.6，靜切力適宜，具有良好的動態攜砂和靜態懸砂能力，能保障水平井井眼凈化要求；泥餅黏滯系數0.043 7～0.052 4，潤滑性滿足水平井鉆井要求［8-10］。

一開井段鉆遇第四系、上第三系地層，使用膨潤土鉆井液，密度1.05～1.08 g/cm3。二開七克臺至三間房泥巖發育井段井壁穩定性較差，鉆井液以減少鉆井復雜和降低井徑擴大率為目的，用聚胺抑制劑、有機鹽、無機鹽增強抑制性，配合可變性封堵劑強化封堵造壁能力，鉆井液密度控制在1.15～1.25 g/cm3；三開井儲層段專打，以減少漏失和保護儲層為主，鉆井液密度控制在1.05～1.08 g/cm3，降低自由水活度，濾失量控制在3.5 mL 以內，性能參數設計見表2。

2.3.2 儲層保護技術

應用理想充填儲層保護技術［11］，根據孔喉尺寸加入具有連續粒徑序列分布的暫堵劑顆粒,有效封堵儲層中大小不等的各種孔喉及暫堵顆粒之間形成的孔隙，形成合理的粒徑序列分布，形成濾失量極低的致密泥餅，進而有效保護儲層。根據溫西一西山窯儲層平均滲透率，用軟件優化形成了暫堵劑顆粒分布見表3，最大限度地降低鉆井液的濾失量及減輕對儲層造成的損害(如進入儲層段發生井漏，應根據漏失量按比例加入儲層保護劑)。形成了鉆進過程中儲層保護方案，三開鉆前調整鉆井液性能的同時，加入改善固相粒度分布的儲層保護劑：質量分數3%的QCX 超細碳酸鈣(wQCXⅡ∶wQCXⅠ=4∶1)、質量分數1.5%的白瀝青、質量分數1%的單向壓力封閉劑。

表3 理想充填優化暫堵粒度分布Table 3 Optimal temporary-plugging particle size distribution for ideal filling

將配制的聚胺強抑制鉆井液性能調整好，密度控制在1.06 g/cm3，加入儲層保護劑使密度升高至1.07 g/cm3。采用2 塊巖心做了滲透率恢復實驗，滲透率恢復值分別達到93.4%、92.8%，具體數據見表4，驗證了儲層保護方案效果。

表4 巖心污染評價實驗Table 4 Core damage evaluation experiments

2.4 防漏堵漏與承壓堵漏優化技術

為了降低漏失，減少堵漏施工對儲層的傷害，不斷優化防漏堵漏工藝、配方及承壓措施。鉆進過程中以防漏為主，鉆井液盡可能低黏切，在兼顧井控和井壁穩定條件下，密度盡量走下限，采用隨鉆堵漏劑做好防漏。發生漏失后采取堵漏措施，根據漏速依次采用隨鉆堵漏、常規復合堵漏、凝膠復合堵漏及承壓堵漏技術措施。堵漏材料立足于保護儲層，儲層段盡量采用酸溶和油溶性材料進行堵漏，配方整體酸溶度達到85%以上，優選不同類型、不同形狀、不同尺寸堵漏材料，優化堵漏材料粒徑級配，確保堵漏效果。表5 中，ZYD 為鉆井液用高強度抗高溫酸溶堵漏劑，分別有B 型、D 型、E 型；QCX 為超細碳酸鈣堵漏劑；DF-1 為鉆井液用油層保護劑棉籽殼粉；801 為鉆井液用隨鉆堵漏劑；SQD-98 為鉆井液用橋塞堵漏劑為酸溶型礦物纖維；SDL 為鉆井液用隨鉆堵漏劑改性植物纖維；TDL-2 為鉆井液用堵漏劑凝膠聚合物。

漏失量在10 m3/h 以下采用隨鉆堵漏，增加隨鉆堵漏劑濃度，提高地層承壓能力減少漏失；漏失量在10～50 m3/h 采用常規復合堵漏；漏失量在50 m3/h以上或失返性漏失，非儲層段采用凝膠復合堵漏，儲層段盡量避免使用凝膠類堵漏劑(減少儲層傷害)，選用壓裂用繩結式暫堵劑或自降解堵漏劑實施承壓堵漏［12-16］。

為提高完井承壓成功率，水平段采用分段承壓的方式，每鉆進150 m 進行一次專項承壓，確保已鉆井段承壓能力均能滿足要求。個別井在水平井鉆進過程中安裝了能夠多次打開和關閉的旁通閥(安裝位置在無磁鉆鋌上部)，在發生漏失時可以實現不起鉆換鉆具直接堵漏，節約了起下鉆時間。

3 固井工藝優化

溫西一氣庫技術套管封固段長、地層承壓能力低，選用分級固井工藝。大尺寸環空固井面臨井漏、水泥返至地面困難、井徑擴大率大、井眼難清理、頂替效率低等諸多挑戰，結合先導試驗井情況，優化了固井工藝措施［17-18］。

(1)漿柱結構設計。前置液采用低密度輕漿和沖洗液，總長度＞1 000 m，加大對大肚子井段、不規則井段的沖洗攜帶，增強頂替效率；技術套管一級水泥漿，采用常規密度韌性水泥漿，當量密度控制在1.40 g/cm3左右；二級固井采用1.40 g/cm3低密度水泥漿，漿柱當量密度控制在1.47 g/cm3左右。

(2)地層承壓措施。采取分段承壓措施，根據漿柱結構，軟件模擬計算固井施工過程中的最高環空當量密度(ECD)進行分段及全井筒地層承壓試驗，下套管前最終承壓6 MPa，滿足要求后，在進行下套管作業。

(3)扶正器設計。根據實測井斜、井徑、方位數據，在井徑不規則井段及蓋層段套管安放異形扶正器及旋流發生器，提高套管居中度，降低套管下放摩阻，同時提高頂替效率。

(4)施工參數設計。采取大排量紊流注水泥及頂替技術，提高沖洗效率和頂替效率。固井采用三部水泥車注水泥，排量3.0～3.3 m3/min，確保返速1.0 m/s 以上，避免注水泥過程中水泥漿與鉆井液在管內發生竄槽，形成大段混漿。前期頂替排量為3.0～3.6 m3/min，以提高沖洗液的紊流清洗效果，沖刷虛泥餅。

4 現場應用

通過工藝優化，溫西一儲氣庫2021 年完鉆3 口注采直井(定向井)W2、W4、W8，平均鉆井周期由先導試驗井的136 d 縮短至92 d，單井漏失量由1 598 m3降至504 m3，其中W8 井用時73 d 完成鉆井作業，全井無漏失，實現了超低壓地層直井安全快速鉆完井的目標。

2022 年已完成二開大井眼施工水平井5 口，技術套管水泥均返至地面，固井膠結合格比例大于70%，自儲層頂以上蓋層段累計或連續優質均超過50 m（見表6)，固井質量較先導試驗井有了顯著提升，滿足儲氣庫注采井技術套管封固要求。

5 結論

(1)通過對先導試驗井鉆完井資料分析，進一步分析認識了溫西一庫注采井鉆井工程地質難點，建立了鉆井復雜剖面，為方案及措施優化提供了技術思路。

(2)根據溫西一庫氣藏壓力特征和工程地質難點，提出并應用了井身結構優化、鉆具匹配，防漏堵漏、儲層保護及固井工藝優化等鉆完井措施，形成了適應溫西一庫注采井的安全快速鉆完井技術系列。

(3)通過配套技術在W4、W8、W1H、W9H 等井的現場成功應用，鉆井效率顯著提升，同時有效解決了上部易垮塌地層與枯竭氣藏鉆完井過程中塌漏同層等難題，為固井作業提供良好井眼條件，井筒完整性得到有效保障。