页岩气“瘦身井”结构优化

郭 强

（天津钢管制造有限公司，天津 300301）

0 引言

页岩气是一种重要的非常规天然气资源，是储量巨大的清洁能源，预测全球页岩气资源储量相当于煤层气和致密砂岩气的总和，约456 万亿立方米，主要分布在北美、中亚、中国和拉美等地区[1-2]。我国页岩气资源储量丰富，广泛分布于海相、陆相盆地，在全国范围内各地质历史时期都存在页岩气资源，可采资源量达21.8万亿立方米。目前探明储量已达2 万亿立方米，2020 年页岩气产量达200 亿立方米，居世界第二，已成为新增天然气能源的主力军。随着国家对页岩气减征资源税幅度逐年降低，结合美国页岩气开发的经验和技术，以及页岩气井的经济性、稳产能力和可采储量等因素情况，目前国内各大油田都在调整页岩气井的井身结构设计，以实现降低页岩气开采成本。

页岩气井的井身结构设计要紧密结合地质、地层情况以及设备能力、钻具组合等因素综合确定[3-6]。本文结合川渝地区某区块地质情况，对实现页岩气井身结构瘦身优化进行了阐述和分析，提出了井身结构“瘦身”优化方案。

1 页岩气井常规井身结构

页岩气开采是由美国最先开始研究的，在经历了很长一段时间的页岩气开采技术探索之后，目前大部分页岩气开发井为水平井加多段压裂组合。美国页岩气井井身结构通常为三开井身结构（见图1），一开井眼尺寸为444.5mm，套管尺寸为Φ 339.72mm，井深约为200m；二开井眼尺寸为311.1mm 或314.3mm，套管尺寸为Φ244.48mm，井深约为2100～3000m；三开井眼尺寸为222.2mm 或215.9mm，套管尺寸为Φ139.7mm，井眼垂深约为4000m。

与美国相比，中国的页岩气储层较深，以垂深3500m 为界，埋深超过3500m 的页岩气储量要远远高于中浅层，深层储量是中浅层储量的2 倍左右，因此，中国页岩气开发难度远高于美国，开发成本也比美国高。中国的页岩气主要在川渝地区，常用的井身结构为常规的三开井身结构[7-9]。

相比于美国页岩气井身结构，三个开次的套管使用的外径都相同，井眼尺寸也相同，不同之处在于套管使用的壁厚和下入深度不同，尤其是生产套管，由于地层压力不同，中国的页岩气井使用生产套管的抗挤毁强度和抗内压要求更高。因此，中国页岩气压裂使用的生产套管钢级一般在125ksi 或140ksi 钢级，套管壁厚更厚，以此来保证高的抗挤毁强度和抗内压强度。中国常用井身结构如图2所示。

从图1、图2 井身结构对比可知，虽然井身结构开次类似，但是下深不同。我国页岩气藏埋深2000米至4500米，其中65%以上资源超过3000米，受多期构造运动影响，地址条件复杂。随着页岩气资源埋藏深度的增加，气井产能呈现降低趋势，气田有效开发难度逐渐增大，气井钻探费用快速上升。目前，中国页岩气开发成本较美国高出30%左右，持续降低页岩气开发成本势在必行[10-14]。

图1 美国页岩气井常用井身结构

图2 中国页岩气井常用井身结构

2 页岩气“瘦身井”结构优化

2.1 井身结构优化目的

页岩气“瘦身井”井身结构优化的目的是降成本。随着中浅层页岩气勘探开发的全面开展，对地质、地层情况和设备能力等情况了解程度的深入，可以对现有井身结构进行瘦身设计。页岩气水平井“瘦身”有助于降低套管用量与固井成本。

2.2 井身结构优化套管使用性能要求

“瘦身”后页岩气井用套管对非标尺寸以及特殊性能套管具有针对性的需求，套管应具备以下使用要求：

（1）对套管抗内压强度、抗外挤强度有更高要求，能满足大规模高压改造施工要求。

（2）对套管尺寸非标化、接箍外径以及相关性能有要求，需满足瘦身井眼长水平套管下入等相关要求。

（3）对套管接头强度、扭矩等性能有新要求，需满足复杂轨道井、长水平段旋转下入套管需求。

2.3 井身结构优化前后性能对比

2.3.1 井身结构优化方案

通过对现有井身结构的分析，对井身结构进行优化。

方案一：优化后井身结构如表1 所示，套管井身结构优化前后套管的抗挤毁强和抗内压强度的使用性能对比如表2所示。

表1 优化前后使用套管

表2 优化前后套管使用性能

方案二：优化后井身结构如表3 所示，套管井身结构优化前后套管的抗挤毁强和抗内压强度的使用性能对比如表4所示。

表3 优化前后使用套管

表4 优化前后套管使用性能

2.3.2 井身结构优化方案对比分析

对两套井身套管结构优化方案进行对比分析：

（1）方案一、二的表层套管和技术套管使用分别进行了不同程度的缩小井眼尺寸。

（2）方案一表层套管井眼缩小了约67mm，优化后的生产套管只能使用Φ114.3mm×9.65mm 套管，套管内径为Φ95mm，原生产套管尺寸为Φ 139.7mm×12.34mm，内径为115.02mm，优化后套管内径比原套管尺寸内径小了约20mm，压裂排量会受到影响。

（3）方案二表层套管井眼缩小了约40mm，优化后的生产套管环空间隙可以满足下入Φ139.7mm×12.34mm 套管。考虑到页岩气压裂井为大斜度水平井，环空间隙越大，下入越顺利，如果环空间隙缩小，需要考虑套管接头旋转下入的螺纹接头能力和抗过扭矩能力。

3 结构优化后套管使用分析

页岩气开采过程中，管柱承受住各种交变载荷，保证井筒抵抗结构性破坏、维持井筒功能的重要属性是钻井工程井下安全的保证，也是提高页岩气单井产量的工程保障。在表层套管和技术套管方面，对比井身结构优化前后的抗挤毁强度和抗内压强度，从表2和表4可知，优化后的套管性能参数和优化前的套管性能参数相当，满足管串设计方面的要求。

而生产套管的要求则非常苛刻，主要有以下3各方面的考量：目前页岩气井水平段大都在2000m以上，套管下入过程容易遇阻，主要下入方式有上提下放和旋转下入两种方式，套管下入对接头性能考量主要是抗压缩性能和大扭矩要求，尤其套管旋转下入方式对接头的屈服扭矩有较高要求。压裂过程中，技术套管要承受大狗腿度弯曲对套管的影响，温度变化引发的拉伸受力及高内压工况影响，压裂冲蚀以及多段压裂过程中套管疲劳的影响。生产过程中，生产套管要考虑生产时温度变化引发的压缩载荷影响和接头气密封性能的影响。

综上所述，井身结构瘦身优化之后，表层套管和技术套管在抗挤毁性能和抗内压使用性能方面与优化前套管使用性能相当。因生产套管需要使用气密封扣，对接头的性能要求更高，优化后套管的使用性能方面与优化前使用性能相当，能够保证井筒抵抗结构性破坏、维持井筒功能性，保证钻井工程井下安全。在下入深度相同的情况下，套管本身重量减轻，钻井孔径小有助于钻进速度，大大节约钻井时间，因此，瘦身后井身结构会极大降低钻井成本和套管使用成本，对于页岩气开采降成本起到极大助力作用。

对于现有井身结构的瘦身计划，需要满足以下技术要求：

（1）套管的使用性能，如抗挤毁强度、抗内压强度等重要指标不能低于原设计。抗挤毁强度主要是解决套管变形、剪切破坏等，抗内压强度主要满足于后期压裂施工。

（2）生产套管抗压缩性能是特殊扣性能指标的重要参数之一，对于大角度水平井，顶驱旋转套管下入是页岩气水平井常用的下套管方式，抗压缩性能是旋转下入套管方式的重要指标，需要考虑特殊扣接头的抗压缩性能等同于管体压缩能力。

（3）优化后的井身结构井眼、井口缩小，需要考虑压裂配套工具，压裂施工排量等要求。

4 结语

页岩气井瘦身最主要的目的是降本增效，做好增产降本加减法是页岩气整体高效开发的关键所在。对现有页岩气井井身结构设计整体尺寸缩小和“瘦身”，是控制页岩气开采成本的有效措施。

（1）井身结构“瘦身”，可降低钻井成本，提高机械钻速和时效，促进页岩气开发向低成本高效益模式迈进。

（2）套管尺寸降低，同钢级的情况下，套管的抗内压强度和抗挤毁强度性能相当甚至更高，能满足后续压裂工序高压力的要求，高抗挤毁强度也能有效防止套管变形，同时可以降低套管串重量，减少钻井时间，保证总成本降低。

（3）做好各工序之间的配合与各工序内工程安排，兼顾了时间与成本考虑，采用井工厂的方式进行钻井与压裂，可实现降成本控制。