低压低渗枯竭型砂岩储气库钻井工程方案设计

侯树刚 胡建均 李勇军 夏丹丹 夏 彬

（1.中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001；2. 中原石油工程有限公司海外工程公司，河南濮阳 457001）

低压低渗枯竭型砂岩储气库钻井工程方案设计

侯树刚1胡建均1李勇军2夏丹丹1夏 彬1

（1.中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001；2. 中原石油工程有限公司海外工程公司，河南濮阳 457001）

由于枯竭型储气库的产层压力低、运行周期长、注采气量大的特点，给钻井和固井质量提出了更高的要求。针对文23的地质特征和储气库设计要求，考虑储层保护、固井质量及盐层井段，提出三开次井身结构设计，生产套管设计金属气密封、P110钢级177.8 mm套管；技术套管段设计双密度水泥浆体系一次固井，生产套管段设计采用非渗透防窜增韧水泥浆体系，采用尾管悬挂+套管回接方式固井；三开设计使用低密度微泡钻井液体系，配合凝胶暂堵技术减少漏失及储层污染。形成的文23储气库钻井工程方案，为国内低压低渗枯竭型储气库钻井设计提供了技术借鉴。

文23气田；低压低渗枯竭型；砂岩储气库；微泡钻井液；非渗透防窜增韧水泥浆体系

文23储气库是中国石化新疆煤制天然气外输管道（新粤浙）项目的配套工程，位于河南省濮阳市的中原油田文23气田，是我国中部地区陆上探明规模最大的整装砂岩干气田。文23储气库设计最大库容体积是104.21×108m3，建成后将是我国中部地区最大的储气库。按照“分步（期）建设、滚动实施”的原则，文23储气库共部署注采井107口，其中新钻井89口（直井9口、定向井70口、水平井10口），老井利用18口。

地下储气库兼具注气和采气的双重功能，能够较好地解决城市用气不均匀性问题，起到季节调峰作用，同时当输气干线发生突发性重大自然灾害或管道泄漏等事故造成短时间供气中断时，还可兼作应急后备气源，大大提高了供气的可靠性［1］。储气库的生产运行中注采气量大，要求使用寿命长、安全性高，因而对钻完井质量提出了更高的要求。钻井工程设计必须以地质特征和储气库的具体要求为依据。

1 方案设计要求

（1）文23储气库为枯竭型气藏型储气库，含气层位于新生界第三系沙河街组沙四段，气层压力低（现目的层地层压力系数最低只有0.15），钻井过程中易漏失，储层保护要求高。

（2）通过对文23气田已完钻井的盐层分布情况进行统计，文23气田主要钻遇文23盐，盐层分布范围广、厚度大，作为储气库的盖层，对固井质量及套管强度要求高。

（3）储气库运行周期长（一般为30～50年），注采井要求强注强采，并且周期循环，因此对生产套管的强度和固井质量要求高。

针对以上钻井设计要求，在井身结构优化、优选钻井液体系和固井水泥浆体系等方面开展了大量的研究工作，形成了适合低压低渗枯竭型储气库的钻井工程设计方案。

2 井身结构及套管柱设计

2.1 井身结构

目前国内主要储气库井都采用丛式定向井井型，文23储气库以直井和定向井为主，以满足控制气库储量、充分发挥纵向上气层优势的要求。结合气藏特征和储气库运行要求，考虑从以下三个原则优化井身结构：

（1）技术套管封隔上部复杂地层和盐层，有利于减少钻井漏失及储层保护；

（2）盐层段采用双套管、双水泥环，以保证长期强注强采的需要；

（3）井眼和套管间隙大，以降低钻进、下套管风险，保证固井质量。

根据以上要求，结合节约钻井成本和钻井周期考虑，设计采用三开次井身结构（表1）。

表1 井身结构设计

（1）二开套管封目的层以上地层，为下步使用低密度钻井液或空气泡沫钻开目的层创造条件；

（2）二开采用Ø320 mm钻头下Ø273.1 mm套管，三开采用Ø241.3 mm钻头下Ø177.8 mm套管，井眼和套管间隙大，保证套管的顺利下入和固井质量；

（3）定向井剖面采用“直—增—稳”三段制剖面类型，以降低摩阻扭矩。

2.2 生产套管

储气库运行周期长，注采井要求强注强采，并且周期循环，因此生产套管必须能承受强注强采交变应力的影响。生产套管完全处于全掏空状态，应将抗挤安全系数提高到1.125，提高套管在掏空状态下的安全性［1］。基于以上要求，通过计算选用Ø177.8 mm，壁厚10.36，P110钢级的套管作为生产套管（性能见表 2）。

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储气库注采气量大，对螺纹的气密封性能要求高，普通采油井上常用的API STD 5B标准螺纹套管不能满足储气库注采井生产套管的需求。因此，生产套管设计采用金属与金属密封的特殊螺纹扣型，具有较好的气密封性能，大幅度地提高了螺纹的抗过扭矩、抗压缩及抗弯曲变形能力，螺纹连接强度基本达到了管体强度，以满足储气库注采井抗泄漏要求。

表2 生产套管性能

2.3 盐层加厚套管

文23气田顶部为一套文23盐，该套盐膏岩厚度大、分布广。针对中原油田盐膏层特性和埋深情况，认为目前解决复合盐膏层套损比较有效的办法是使用高强度套管、加厚壁套管。因此，二开套管计算后选用Ø273.1 mm，壁厚12.57 mm，TP95T钢级的套管（表3）。

表3 盐层套管性能

3 固井设计

储气库在使用过程中，地层压力要反复变化，因而对水泥石强度、致密性及水泥环与套管、井壁的胶结质量提出了更高的要求，不能出现气体的漏失、窜移［2］。

3.1 固井质量要求

储气库运行时间长，井筒完整性要求高，对各级套管封固质量要求严格：

（1）技术套管下至沙四顶部，为保证气藏盖层密封性，要求储气层顶部盖层段连续优质水泥段不小于25 m，为更好地保证储气库质量，要求盐底下部优质封固段不少于30 m。

（2）三开固井质量采用SBT或IBC测定，要求生产套管固井段胶结良好长度不小于70%，气层顶部优质封隔段不小于200 m。

3.2 固井方式

（1）一开。表层套管尺寸较大，为减少水泥浆窜槽，提高固井质量，采用内插法固井。

（2）二开。二开钻遇多套地层，重点封固文23盐层，采用双密度水泥浆体系一次固井，高密度水泥浆封固段长1 000～1 500 m，保证盐层封固质量；上部采用低密度水泥浆封固，解决固井易漏失问题。

（3）三开。为便于后期改造，采用射孔完井，固井方式有2种：

方案1：尾管悬挂、套管回接，悬挂器过盐顶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能尽可能地降低施工压力，防止压漏地层，华北油田永22储气库及中原油田文96储气库均采用该固井方式，缺点是费用高，完井周期长，悬挂器位置的封固质量能影响整个井筒的完整性；方案2为常规目的层固井方式，通常采用双密度水泥浆体系，但施工压力大，易压漏地层，同时低密度封固质量不如高密度，难以满足储气库强注强采的需要。推荐采用方案1（表4）。

表4 固井方式选择

3.3 水泥浆体系设计

（1）低密度水泥浆体系。普通低密度水泥浆存在浆体稳定性差、抗压强度（特别是顶部抗压强度）低、防窜性能差的问题，不能满足储气库固井的需要。为此优选了非渗透性防漏防窜高强低密度水泥浆体系。该体系在G级高抗油井水泥中加入中空玻璃微珠（漂珠），漂珠粒径为40～250 μm，水泥粒径为20～45 μm，浆体稳定性好、水泥石强度高、防窜性能好、稠化时间易调（表5）。

配方：G级水泥+漂珠+微硅+分散剂+降失水剂+早强剂+稳定剂+缓凝剂。

表5 非渗透防漏防窜高强低密度水泥浆体系性能

（2）盐层段水泥浆。针对盐层易污染水泥浆影响固井质量，产层水泥环耐久性和防窜性能要求高的问题，优选了非渗透防窜增韧水泥浆体系（表6）。该体系通过加入改性PVA类降失水剂，改善水泥石长期力学性能，可实现零析水，防止游离液对盐层的溶融及盐对水泥浆的污染；加入功能型增韧防窜剂，填充水泥石微裂隙，补偿水泥石收缩，消除水泥环与套管间的微环隙，提高长期防窜能力及水泥石韧性，可适应长期注采。采用膨胀早强剂调节稠化时间，持续产生膨胀应力，提高界面胶结质量，由于体系中不含Cl-，避免了Cl-对套管产生腐蚀，利于水泥石长期稳定。

配方：G级水泥+分散剂+改性PVA类降失水剂+膨胀早强剂+增韧防窜剂。

表6 非渗透防窜增韧水泥浆体系性能

4 钻井液及储层保护

4.1 钻井液体系优选

文23气田是典型的低压低渗枯竭型砂岩油气藏，产层压力低，钻井易漏失，储层保护难度大。为解决这个问题，优选了适合产层的微泡钻井液体系。该体系具有密度低（0.6～0.8 g/cm3）、流变性好（表 7）、封堵能力强、可重复使用、不需要特殊充气设备、综合成本低等技术优势，是解决低压地层钻井及油气层保护的有效手段，可满足文23气田储层段工程及地质需求。

表7 微泡钻井液性能

4.2 储层保护设计

鉴于枯竭型气藏型储气库对储层保护的高要求［3-6］，在使用低密度钻井液的前提下，配合凝胶暂堵技术预防因钻井液漏失而导致储层污染。凝胶暂堵剂主要以凝胶微球为主剂，复合矿物类颗粒架桥材料、纤维材料、可变形细粒径填充材料组成。室内试验表明（表8），加量为3.5%暂堵剂与钻井液具有良好配伍性。60～90目砂床封堵强度达15 MPa，15%盐酸酸溶率达95%。

表8 防漏剂配方配伍性评价

5 结论

（1）文23储气库是典型的低压低渗枯竭型砂岩储气库，对固井质量、套管强度、储层保护要求高。

（2）二开套管封目的层以上地层，目的层可使用低密度钻井液或空气泡沫钻，有利于减少钻井漏失及储层保护；盐层段采用双套管、双水泥环，可有效保证长期强注强采的需要；井眼和套管间隙大，可降低下钻、下套管风险，保证固井质量。

（3）微泡防漏钻井液密度低，流变性好，防漏效果好，成本低，可满足文23气田储层段工程及地质需求。

（4）非渗透防窜增韧水泥浆体系能够增加水泥浆弹性，消除水泥环与套管间的微环隙，提高长期防窜能力，并能提高水泥石韧性，可适应长期注采。

［1］ 董德仁，于成水，何卫滨，等. 枯竭油气藏储气库钻井技术［J］. 天然气工业，2004，24（9）：148-152.

［2］ 钟福海，李合龙，韩俊杰. 大张坨地下储气库注采井固井实践［J］. 石油钻采工艺，2000，22（6）：11-13.

［3］ 刘在桐，董德仁，王雷，等. 大张坨储气库钻井液技术［J］. 天然气工业，2004，24（6）：153-155.

［4］ 李建中，徐定宇，李春. 利用枯竭油气藏建设地下储气库工程的配套技术[J]. 天然气工业，2009(9)：97-99.

［5］ 宋德琦，苏建华，任启瑞，等. 天然气输送与储存工程[M]. 北京：石油工业出版社，2004.

［6］ 奥林·弗拉尼根. 储气库的设计与实施［M］. 北京:石油工业出版社，2004.

（修改稿收到日期 2013-08-26）

〔编辑 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

侯树刚，胡建均，李勇军，等.低压低渗枯竭型砂岩储气库钻井工程方案设计［J］. 石油钻采工艺，2013，35（5）：36-39.

TE243

：A

1000–7393（2013） 05–0036–04

侯树刚，1974年生。2004年毕业于中国地质大学地质工程（钻井）专业，现主要从事钻井技术研究及技术管理工作，工学博士，高级工程师。电话：0393-4899603，13513902866。E-mail：houshugang@sina.corn。