儲氣庫水平井井身結構優化技術及應用

＊張延兵 李錄科 史配銘

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司 陜西 710018）

國內儲氣庫注采井普遍采用“大尺寸井眼+儲層專打”的井身結構理念，長慶油田陜224井區儲氣庫也按照此理念采用四開大尺寸井眼注采水平井完井3口，平均鉆井周期239.5d，井下故障復雜處理時效平均12.83d/口，鉆井周期長，復雜故障時效高，主要問題該區塊地層復雜，鉆遇地層存在承壓能力低的易漏地層，砂泥互層及大段連續碳質泥巖和煤層發育，井壁極易失穩垮塌的地層，各開次井眼尺寸大，機械鉆速低，攜砂困難，大斜度井段地層鉆進過程中起下鉆遇阻嚴重、劃眼困難、卡鉆、井漏等井下故障和復雜頻繁發生。為此，對儲氣庫水平井井身結構進行了優化，縮小各開次井眼尺寸，提高井壁穩定性及各開次機械鉆速；優化技術套管下深，有效封隔低承壓易漏地層，實現塌漏分治，確定合理的井身結構，有效避免井下故障復雜的發生，縮短鉆井周期，降低鉆井成本，實現高效益開發。

1.地質特點及原四開井身結構存在問題

(1)地質情況

自上而下鉆遇第四系，白堊系洛河組，侏羅系安定組、直羅組、延安組、富縣組，三疊系延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、石盒子組、山西組、太原組，石炭系本溪組，奧陶系馬家溝組。其中劉家溝組灰綠砂巖夾淺棕泥巖，該組地層承壓能力低，易發生漏失；石千峰組、石盒子組（簡稱“雙石層”）棕紅色泥巖夾肉紅色砂巖互層，可鉆性級值5.3～5.6[1]，山西組、太原組、石炭系本溪組煤層及碳質泥巖發育，煤層單層厚1～2m，易坍塌；奧陶系馬家溝組以褐灰色白云巖、泥質白云巖夾膏云巖為主，可鉆性級值6.1，頂部存在裂縫、孔洞發育，易漏失。

(2)原四開井身結構存在問題

陜224區塊儲氣庫水平井目的層為馬家溝組，屬于碳酸鹽巖氣藏，儲氣庫水平井勘探開發初期完井3口，均采用“導管+大井眼”四開井身結構（見圖1），該井身結構能有效分隔易復雜地層和不同壓力系數地層，但施工過程仍然存在漏、塌、卡等復雜故障問題，導致鉆井周期長、施工效率低，無法滿足鉆井提速提效和高效經濟勘探開發要求，通過實際情況分析該井身結構存在以下問題[2-3]：

圖1 原四開井身結構圖

①井眼尺寸大，環空返速低，井眼凈化難度大，機械鉆速低。一開、二開、三開井眼尺寸分別為Φ660.6mm、Φ444.5mm、Φ311.2mm，井眼尺寸大，在相同60L/s排量下各開次環空返速不足1m/s，較低；全井平均機械鉆速1.92m/h，機械鉆速低。

②二開Φ339.7mm技術套管下深淺，設計要求進入石千峰組10～30m，不能夠有效封隔易漏劉家溝組地層，三開為穩定井壁提高鉆井液密度至1.35g/cm3，套管腳易發生漏失。

③斜井段Φ311.2mm井眼，井眼尺寸大，地層結構應力降低，井壁垮塌嚴重。斜井段大井眼大井斜鉆遇山西組、太原組、本溪組多套連續性煤層、碳質泥巖等穩定性極差地層，井壁失穩垮塌嚴重（見圖2），復雜處理時間長達到278h/口，嚴重制約鉆井提速。

圖2 斜井段煤、碳質泥巖掉塊

2.井身結構優化技術

(1)井眼尺寸優化

①井眼尺寸優化，提高機械鉆速。由鉆速方程[4-5]可知：同一地層、相同鉆壓、水功率及鉆頭切削單元設計相同的情況下，鉆頭直徑與機械鉆速成反比關系，因此縮小鉆頭尺寸，可以提高鉆頭單位面積機械破巖能力，進而提高機械鉆速。

②井眼尺寸優化，增強井壁穩定性。利用Hoek-Brown巖石尺寸效應經驗模型[6-7]推導出坍塌壓力、破裂壓力與井眼直徑的定量關系，隨著井眼尺寸縮小，坍塌壓力逐步減小，破裂壓力逐步增大，井壁穩斜性增強，鉆井液安全密度窗口范圍逐步增大，穩定井壁的鉆井液密度逐步降低。為此，基于鉆速方程及巖石尺寸效應經驗公式分析井眼尺寸與機械鉆速、井眼井壁穩定性之間關系，將原井眼尺寸優化縮小，提高機械鉆速，增強井壁穩定性，降低井下故障復雜，實現安全高效鉆井。

(2)必封點確定

根據鉆遇地質特性及工程難點，結合三壓力剖面曲線（圖3）提示分析，確定必封點[8-9]：①第四系為欠壓實流沙層，膠結程度低，巖性松散，易垮塌，因此，采用導管封固欠壓實流沙層；②白堊系洛河組存在淺水層，易出水，砂泥互層及斜層理發育，易垮塌，因此采用表層套管封隔淺水層及易塌層；③三疊系劉家溝組地層承壓能力低，實鉆鉆井液密度1.25g/cm3，發生失返性漏失，由三壓力剖面圖可知：進入劉家溝組（垂深2250m）破裂壓力梯度由2.0MPa/100m逐步降至1.55MPa/100m左右，進入石千峰組破裂壓力梯度逐步升至2.0MPa/100m，因此，二開技術套管必須下至石千峰組，封隔易漏劉家溝組地層。④二疊系石千峰組、石盒子組、山西組泥巖發育，石炭系本溪組存在連續煤層及大段碳質泥巖，均易發生垮塌，由三壓力剖面圖可知地層坍塌壓力由0.5～0.75MPa/100m逐步升高至0.75～1.0MPa/100m左右，低密度鉆井液不能夠有效穩定井壁，極易發生井壁失穩垮塌。為此，采用技術套管封隔易垮塌復雜井段，為四開儲層專打提供有利條件。

圖3 三壓力剖面曲線圖

(3)二開技術套管下深優化

二開技術套管旨在封隔低承壓劉家溝組地層，為三開提高鉆井液密度安全施工易垮塌雙石層、山西組煤層碳泥層做好準備，但根據前期實際施工情況分析發現，二開技術套管下深進入石千峰組10～30m，不能夠有效封隔劉家溝組地層，鉆井液密度提高至1.35g/cm3，套管腳存在漏失現象，漏速4～6m3/h，隨著鉆井液密度逐步提高，漏失量逐步增大。為此，將石千峰組上部棕紅色含鈣質結核泥巖及肉紅色砂巖作為標記層，通過現場地質錄井巖屑分析及鄰井垂深比對分析確定技術套管下深，進入石千峰組50～100m，有效封隔易漏劉家溝組地層。

(4)井身結構優化確定

為避免鉆井過程中漏、塌、卡、斷鉆具等復雜故障情況發生，提高鉆井速度，同時滿足儲氣庫大流量強注強采需要，在精細分析地質特性及工程技術難點的基礎上，依據地層三壓力剖面及井眼尺寸優化，將原“導管+四開”大尺寸井眼井身結構，通過“瘦身”優化為“導管+四開”小井眼井身結構[10]，具體井身結構優化圖（見圖4）。

圖4 優化后井身結構圖

3.現場應用效果

通過井身結構優化，機械鉆速提高顯著，鉆井周期大幅度降低，提速效果明顯，具體見表1，現場應用完井2口，平均鉆井周期120.25d，平均機械鉆速5.28m/h，平均鉆機月速度1310m/臺月，較采用原井身結構完成井平均鉆井周期縮短49.79%，平均機械鉆速提高174.72%，平均鉆機月速度提高228.23%，現以JP22井區施工完成井為例介紹現場應用情況。

表1 井身結構優化前后完成井平均技術指標對比

JP22井區為陜224儲氣庫項目施工井區，施工初期采用“大井眼”四開井身結構完井3口，因井眼尺寸大，機械鉆速低，井下故障復雜頻繁，導致鉆井周期長，通過井身結構優化在JP22-4-4、S17-Z1-H2井實踐應用。JP22-4-4井采用Φ660.6mm鉆頭鉆至井深42m，下Φ520mm導管至井深42m，封固第四系；一開采用Φ444.5mm鉆頭鉆至井深509m，進入安定組紫紅色泥巖56m，下Φ339.7mm套管至508.67m封固洛河組淺水層；二開采用Φ346.1mm鉆頭鉆穿劉家溝組，進入石千峰組地層75m，下Φ273.1mm套管至2805.55m封固承壓能力低的劉家溝組地層；三開采用Φ241.3mm鉆頭鉆穿易垮塌雙石層、山西組煤層及碳泥地層，進入馬家溝組入窗，下Φ177.8mm套管封固斜井段易復雜井段；四開采用Φ152.4mm鉆頭鉆至設計井深5086m，下Φ114.3mm“尾管+篩管”至5080.57m固井完井。

采用優化后井身結構應用完井2口，平均單井鉆完井周期137.0d,實鉆過程無井下故障復雜發生。由表2所示，與采用原井身結構完井3口井相比，平均單井鉆完井周期縮短48.11%，平均單井復雜時效減少4.85%；各開次機械鉆速大幅度提高，鉆井周期縮短明顯，由表3所示：應用優化井身結構完成井各開次平均機械鉆速分別23.14m/s、8.86m/s、3.18m/s、5.23m/s，較原井身結構平均機械鉆速分別提高356.98%、146.78%、113.74%、42.09%，各開次鉆井周期分別3.02d、15.06d、35.67d、19.23d，較原井身結構各開次鉆井周期分別縮短69.7%、73.93%、38.44%、56.56%，提速效果顯著。

表2 井身結構優化前后各開次鉆井周期及機械鉆速對比

表3 井身結構優化前后完成井各開次平均鉆井周期及平均機械鉆速對比

4.結論

（1）通過井眼尺寸、技術套管下深兩方面進行儲氣庫水平井井身結構優化，不僅提高了鉆井速度，降低了鉆井開發成本，同時有效解決了井下復雜故障問題，實現了儲氣庫水平井高效鉆井施工。

（2）采用縮小井眼尺寸方式優化井身結構，在提高機械鉆速的同時，能夠有效降低井壁坍塌壓力，提高破裂壓力，降低鉆井液密度，解決了原井身結構井壁失穩垮塌問題，實現提高鉆井速度、降低井下復雜目的。

（3）技術套管下深確定必須將設計垂深、實鉆地層錄井標記層以及鉆遇地層復雜特性有利結合綜合確定，確保下深能夠準確有效封隔復雜地層。

（4）井身結構優化時需要充分分析鉆遇地層特征及工程技術難點，以經濟高效鉆井為目的，預防井下復雜故障為前提，合理確定井眼尺寸、必封點，滿足現場復雜多變的地質要求。