淺層枯竭型氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)鉆井關(guān)鍵技術(shù)

馬金龍

1.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工藝研究院（黑龍江大慶 163453）2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（黑龍江大慶 163453）

0 引言

S儲(chǔ)氣庫(kù)是由SZ和C51兩個(gè)小型枯竭氣田改建而成，屬于中俄東線黑河-永清北段（黑河-長(zhǎng)嶺干線）天然氣管道配套工程，以期達(dá)到為哈爾濱市和大慶市季節(jié)調(diào)峰和應(yīng)急供氣的功能[1]。SZ 和C51 氣田在1990年前后分別投入開(kāi)發(fā)，多年的開(kāi)采證實(shí)氣藏是無(wú)邊水的封閉彈性氣驅(qū)氣藏，現(xiàn)已進(jìn)入開(kāi)采末期，生產(chǎn)能力較低，因其具有埋藏淺、滲透率高、構(gòu)造完整、地質(zhì)情況清楚、氣藏剩余氣量可作為基礎(chǔ)墊底氣等優(yōu)勢(shì)成為氣庫(kù)選址對(duì)象[2-3]。氣庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容6.49×108m3，工作氣量3.97×108m3，低于世界儲(chǔ)氣庫(kù)平均工作氣量5×108m3，屬于小型儲(chǔ)氣庫(kù)[4]。經(jīng)多年開(kāi)發(fā)，氣藏衰竭程度較高，壓力系數(shù)低，儲(chǔ)層保護(hù)困難；注采井井筒面臨注采過(guò)程中溫度和壓力的周期性變化，井筒完整性不易控制，這兩點(diǎn)是枯竭型儲(chǔ)氣庫(kù)的主要難點(diǎn)問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)對(duì)井身結(jié)構(gòu)、鉆井液屏蔽暫堵體系、套管選材和氣密封扣、水泥漿體系等鉆井關(guān)鍵技術(shù)的研究及應(yīng)用，解決了儲(chǔ)層保護(hù)和井筒完整性控制難題，實(shí)現(xiàn)了淺層枯竭型氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)井的高效開(kāi)發(fā)，為國(guó)內(nèi)類(lèi)似儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)提供了借鑒。

1 地質(zhì)特征

1.1 巖性及物性特征

構(gòu)造位于松遼盆地中央坳陷區(qū)的朝陽(yáng)溝階地，構(gòu)造較完整、圈閉面積大，是理想的地下儲(chǔ)氣構(gòu)造。目的層為姚家組一段葡萄花儲(chǔ)層，埋藏淺，頂面埋深為570～723 m，厚度一般為25～40 m。葡萄花儲(chǔ)層是一套夾于大段深湖相黑色泥巖中的灰綠色泥巖與粉砂巖、細(xì)砂巖組合?？紫额?lèi)型以原生粒間孔為主，有一定的非均質(zhì)性，膠結(jié)類(lèi)型以接觸式為主，膠結(jié)程度中等。平均孔隙度為27.4%，平均滲透率為550.1×10-3μm2。

1.2 溫度、壓力及流體特征

葡萄花地層溫度37.5 ℃，溫度梯度為6.0 ℃/100 m，為正常溫度系統(tǒng)的氣藏。原始?jí)毫^(qū)地層壓力一般為5.8～7.3 MPa，壓力系數(shù)為0.96～1.02，為正常壓力系統(tǒng)；生產(chǎn)井區(qū)經(jīng)多年開(kāi)發(fā)，壓力枯竭，壓力僅為2.6～4.3 MPa，壓力系數(shù)為0.36～0.60，為極低壓力系統(tǒng)。地層水總礦化度為19 427.63 mg/L，水型為NaHCO3型。地層水中HCO3—成垢離子質(zhì)量濃度較高，易與外來(lái)鉆井液產(chǎn)生無(wú)機(jī)沉淀，堵塞孔喉，對(duì)儲(chǔ)層造成傷害[4]。

2 鉆井難點(diǎn)分析

2.1 儲(chǔ)層保護(hù)困難

經(jīng)過(guò)30多年的開(kāi)發(fā)，氣田葡萄花地層處于壓力枯竭狀態(tài)，地層虧空嚴(yán)重，生產(chǎn)井周?chē)A(yù)測(cè)壓力系數(shù)在0.36～0.60，承壓能力低，施工過(guò)程中易發(fā)生虧空性井漏，甚至失返性井漏。葡萄花儲(chǔ)層孔隙度大、滲透率高，鉆井和完井過(guò)程中工作液液相及固相顆粒易進(jìn)入儲(chǔ)層，造成儲(chǔ)層損害。區(qū)塊內(nèi)布置了多口水平井，暴露面積大，污染區(qū)域大，滲透率恢復(fù)難，儲(chǔ)層保護(hù)困難[5]。

2.2 井筒完整性不易控制

注入的氣源氣含CO2并且儲(chǔ)層發(fā)育地層水，因此在采出過(guò)程中管柱可能會(huì)受到腐蝕，并且管柱要長(zhǎng)期承受運(yùn)行壓力、溫度等載荷的不斷變化，密封完整性難以控制。長(zhǎng)期注采產(chǎn)生的交變載荷也易導(dǎo)致注采井固井水泥環(huán)破裂，第I、II膠結(jié)面的失效，導(dǎo)致儲(chǔ)層氣通過(guò)失效的固井水泥環(huán)進(jìn)入其他地層或沿井筒泄漏至地面，影響儲(chǔ)氣庫(kù)的安全運(yùn)行，甚至儲(chǔ)氣庫(kù)的整體報(bào)廢[6]。

3 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

3.1 井身結(jié)構(gòu)

3.1.1 井身結(jié)構(gòu)要求

根據(jù)砂體展布特征，優(yōu)選儲(chǔ)層有利部位布署注采井，采用直井+水平井進(jìn)行注采，水平井充分結(jié)合沉積特征，以沿河道方向?yàn)橹?。結(jié)合氣藏特征和注采工程要求，考慮從以下幾個(gè)原則進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化[7-8]：

1）能夠滿足儲(chǔ)氣庫(kù)注采和周期交變載荷的需要，滿足長(zhǎng)期安全生產(chǎn)要求；氣庫(kù)運(yùn)行壓力及注采氣量相對(duì)較小。井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)秉持既安全可靠又經(jīng)濟(jì)節(jié)約的理念。

2）蓋層壓力系數(shù)大，儲(chǔ)層壓力系數(shù)小，為更好地實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層保護(hù)，應(yīng)滿足儲(chǔ)層專(zhuān)打的要求，以此來(lái)確定各開(kāi)次套管下入深度。

3）根據(jù)完井方式和油管尺寸，由內(nèi)向外確定各層套管尺寸，各層套管環(huán)空間隙應(yīng)滿足水泥環(huán)長(zhǎng)期密封要求，保障井筒完整性。

3.1.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了提高注采能力及保護(hù)儲(chǔ)層，注采工程要求采用儲(chǔ)層篩管完井方式，同時(shí)考慮儲(chǔ)層專(zhuān)打的要求，確定最下面的開(kāi)次應(yīng)從蓋層底以上10 m 鉆至青山口組（未鉆穿），完全鉆穿葡萄花儲(chǔ)層。篩管尺寸過(guò)大不經(jīng)濟(jì)節(jié)約，篩管尺寸過(guò)小不利于下入生產(chǎn)完井管柱及井下工具，因此選擇127 mm 的篩管，匹配常用的152.4 mm 鉆頭。篩管由膨脹式尾管懸掛器掛在上層套管鞋以上50 m處。

再上一層套管封固上部地層及蓋層，可以用于生產(chǎn)，從井口下入到蓋層底以上10 m。注采工程要求直井使用88.9 mm 油管，水平井使用114.3 mm 的油管，油管外封隔器的尺寸分別為145 mm 和152 mm，所以生產(chǎn)套管的尺寸選定為177.8 mm。生產(chǎn)套管與井眼之間有一定的間隙，如果間隙太大不經(jīng)濟(jì)節(jié)約，間隙太小導(dǎo)致下套管困難及注水泥后水泥過(guò)早脫水形成水泥橋，同時(shí)在替漿過(guò)程中鉆井液和水泥漿流動(dòng)阻力大，易造成混竄，固井質(zhì)量差水泥環(huán)薄，強(qiáng)度低[7]。為保障井筒完整性，套管環(huán)空間隙滿足水泥環(huán)長(zhǎng)期密封要求，避免小間隙固井，間隙應(yīng)大于25 mm，選用241.3 mm的鉆頭。

最上面下入表層套管封固飲用水層，套管固井水泥漿均返至地面，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

3.2 鉆井液屏蔽暫堵體系

3.2.1 屏蔽暫堵體系優(yōu)選

通過(guò)分析S 儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)特點(diǎn)可知，儲(chǔ)層黏土含量較少，使用鉆井液屏蔽暫堵技術(shù)可有效改善鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害，為此開(kāi)展了鉆井液屏蔽暫堵技術(shù)研究及應(yīng)用。為了優(yōu)選屏蔽暫堵劑架橋粒子和填充粒子的尺寸和加量，開(kāi)展了4 因素3 水平的正交實(shí)驗(yàn)。儲(chǔ)層平均孔隙半徑為5.590 μm，基于“2/3架橋規(guī)則”，架橋粒子尺寸一般為平均孔喉尺寸的1/2～2/3，因此架橋粒子尺寸設(shè)4.0、5.0、6.0 μm 3 個(gè)水平；架橋粒子加量設(shè)1%、2%、3%3個(gè)水平；填充粒子尺寸設(shè)1.5、2.0、2.5 μm 3個(gè)水平；填充粒子加量設(shè)0.5%、1%、1.5%3個(gè)水平。根據(jù)高溫高壓濾失量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)架橋粒子尺寸為5.0 μm、架橋粒子加量為3%、填充粒子尺寸為2.5 μm、填充粒子加量為0.5%時(shí)，該體系通過(guò)滲透率為500×10-3μm2巖心，濾失量最低為4.4 mL，濾失量變化最大為71.14%；通過(guò)滲透率為750×10-3μm2巖心，濾失量最低為5.6 mL，濾失量變化最大為66.67%，屏蔽效果最好。

3.2.2 暫堵效果室內(nèi)評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)該屏蔽暫堵體系對(duì)儲(chǔ)層的暫堵、解堵性能，通過(guò)室內(nèi)巖心樣品流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，選取3塊巖心分別測(cè)定加屏蔽暫堵劑前、加屏蔽暫堵劑后和解堵后的滲透率，見(jiàn)表2。未加優(yōu)選出的屏蔽暫堵劑前，巖心樣品表皮系數(shù)很高，說(shuō)明污染嚴(yán)重；加入屏蔽暫堵劑后，巖心樣品表皮系數(shù)大幅度下降，說(shuō)明該屏蔽暫堵體系能有效改善鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害；進(jìn)一步酸化解堵后，由于屏蔽暫堵體系和部分巖石顆粒被酸化溶解，表皮系數(shù)為負(fù)值，巖心滲透率恢復(fù)值高于初始滲透率，平均增加了9.66%。

表2 加屏蔽暫堵劑前后及解堵后巖樣滲透率數(shù)據(jù)對(duì)比表

3.3 套管選材及氣密封扣

3.3.1 套管選材

氣庫(kù)自產(chǎn)的天然氣中，CO2體積分?jǐn)?shù)為0.04%～0.25%，分壓不超過(guò)0.015 MPa，不含硫化氫。氣源CO2體積分?jǐn)?shù)為2%～3%，最高分壓為0.19 MPa，不含硫化氫，氣源注入過(guò)程中由于不含水不會(huì)產(chǎn)生腐蝕。氣庫(kù)儲(chǔ)層可能有見(jiàn)水的風(fēng)險(xiǎn)，因此氣源在采出過(guò)程中CO2遇水會(huì)對(duì)套管產(chǎn)生腐蝕，最高分壓0.19 MPa，為輕度腐蝕環(huán)境。根據(jù)材質(zhì)抗腐蝕評(píng)價(jià)的全浸實(shí)驗(yàn)，溫度為40 ℃、CO2分壓為0.21 MPa 時(shí)，L80(1Cr)腐蝕速率為0.107 mm/a，N80 腐蝕速率為0.141 mm/a，J55 腐蝕速率為0.413 mm/a。L80（1Cr）腐蝕速率小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)0.125 mm/a，因此套管選擇L80（1Cr）材質(zhì)。

3.3.2 氣密封扣

為了確保管柱的密封性，儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱和生產(chǎn)套管柱必須選用氣密封螺紋接頭，其結(jié)構(gòu)完整性、密封性和抗粘扣性能應(yīng)達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)各儲(chǔ)氣庫(kù)選用的氣密封螺紋接頭各異，大多數(shù)對(duì)接頭的抗壓縮能力沒(méi)有任何要求，存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，易造成環(huán)空帶壓[9]?？紤]管柱載荷的交變情況，接頭應(yīng)按管柱承受的最大拉伸載荷和最大壓縮載荷選擇，優(yōu)選使用THB 特殊氣密封螺紋接頭。該接頭是金屬對(duì)金屬密封的接箍型螺紋接頭，接頭的拉伸、壓縮、抗內(nèi)壓和抗外壓強(qiáng)度與管體100%一致，具有卓越的氣密封性能；堅(jiān)固耐用的粗牙螺紋和大錐度深對(duì)扣設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)輕松上扣；扭矩范圍廣，抗過(guò)扭矩能力強(qiáng)，抗粘扣性能好，可以反復(fù)上卸扣而不損傷螺紋。

3.4 水泥漿體系

3.4.1 性能要求

考慮長(zhǎng)期注采產(chǎn)生的交變應(yīng)力對(duì)水泥環(huán)完整性的影響，蓋層段固井應(yīng)使用韌性水泥漿體系。注采井設(shè)計(jì)的注采壓力區(qū)間為2～6 MPa，按照最大注氣壓力不超過(guò)運(yùn)行上限壓力3 MPa 計(jì)算可知，注采過(guò)程中，井底壓力區(qū)間為2～9 MPa，交變壓力為7 MPa。由于交變壓力較小，井深較淺，氣庫(kù)注采井固井按照《儲(chǔ)氣庫(kù)固井韌性水泥技術(shù)要求（試行）》執(zhí)行，水泥石膨脹率為0，強(qiáng)度為28 MPa，彈性模量為6 GPa，即可滿足密封完整性要求。

為了儲(chǔ)層保護(hù)，固井水泥漿失水量應(yīng)不大于50 mL/（30 min×6.9 MPa），游離液應(yīng)控制0 mL，沉降穩(wěn)定性試驗(yàn)的密度差應(yīng)小于0.02 g/cm3。

3.4.2 體系研發(fā)

注采井井底溫度低，強(qiáng)度發(fā)展更不易保證，對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度等性能要求高。針對(duì)蓋層段固井水泥性能要求，在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了水泥漿體系研究：降低水泥石彈性模量、提高水泥石抵抗外力的能力；加速水泥漿水化速度，提高水泥漿體系的抗竄阻力；改善水泥環(huán)界面過(guò)渡層結(jié)構(gòu)，提高水泥環(huán)界面膠接強(qiáng)度和變形能力；降低水泥環(huán)的滲透率。最終研制開(kāi)發(fā)了低溫增韌防竄水泥漿體系，該體系主要由G 級(jí)水泥+5%DZ750 低溫增韌劑+16%DCK（早強(qiáng)劑、防竄劑、降失水劑）組成。

DZ750 低溫增韌劑由低彈模、高回彈有機(jī)環(huán)氧樹(shù)脂等主要組分組成，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定含有羥基、醚鍵等極性基團(tuán)和苯環(huán)的含量和比例，在低溫下使水泥分子間有機(jī)結(jié)合，降低水泥石彈性模量，達(dá)到了水泥石增韌的效果，克服目前增韌劑降低水泥石抗壓強(qiáng)度，沉降穩(wěn)定性差，水泥漿初始稠度高等缺點(diǎn)。根據(jù)水泥石拉伸實(shí)驗(yàn)得到力學(xué)性能對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。加5%增韌劑的水泥石抗壓強(qiáng)度為30.7 MPa，彈性模量為3.5 GPa。與常規(guī)水泥漿相比，加入增韌劑后彈性模量降低了53%，抗壓強(qiáng)度僅降低了9.1%，對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大。滿足儲(chǔ)氣庫(kù)韌性水泥漿標(biāo)準(zhǔn)中提出水泥石的抗壓強(qiáng)度≥28 MPa，彈性模量≤6 GPa的要求[10]。

表3 力學(xué)性能對(duì)比數(shù)據(jù)表

3.4.3 室內(nèi)評(píng)價(jià)

原漿水泥石與低溫增韌防竄水泥石在27 ℃時(shí)滲透率隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化見(jiàn)表4，低溫增韌防竄水泥石的滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原漿水泥石的滲透率，約為其1/10。說(shuō)明低溫增韌防竄水泥石結(jié)構(gòu)更加緊密，膠結(jié)更強(qiáng)更致密，固井質(zhì)量能夠明顯提高。

表4 水泥石滲透率對(duì)比表

不同溫度下原漿與低溫增韌防竄水泥漿體系的常規(guī)性能對(duì)比見(jiàn)表5。低溫增韌防竄水泥漿與原漿相比，稠化時(shí)間明顯縮短；8 h 和24 h 的抗壓強(qiáng)度大幅提升，說(shuō)明具有較高的早期強(qiáng)度；7 d 彈性模量大幅下降，韌性較好；具有較快的凝結(jié)時(shí)間，凝結(jié)時(shí)間降低了近一半。低溫增韌防竄水泥漿在低溫下，基本性能滿足固井施工要求，同時(shí)具有較低的濾水量，有利于提高固井質(zhì)量和儲(chǔ)層保護(hù)。

表5 不同溫度下低溫增韌防竄水泥漿體系常規(guī)性能

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 典型井分析

S 試平1 井是S 儲(chǔ)氣庫(kù)第一口先導(dǎo)試驗(yàn)水平井，通過(guò)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，二開(kāi)鉆打蓋層時(shí)使用防塌、造壁性好的低固相鹽水鉆井液體系，密度調(diào)整為1.29～1.32 g/cm3，以穩(wěn)定地層。三開(kāi)需要儲(chǔ)層專(zhuān)打，在鉆井液體系中加入屏蔽暫堵劑，降低密度為1.05～1.15 g/cm3。通過(guò)加入屏蔽暫堵體系及降低鉆井液密度，能有效防止鉆井液侵入，降低泥餅滲透率，起到保護(hù)儲(chǔ)層的作用。施工后進(jìn)行酸化解堵處理，試氣壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)解釋儲(chǔ)層表皮系數(shù)值為-0.75，表明屏蔽暫堵技術(shù)取得較好的效果。

利用IBC 測(cè)井對(duì)固井質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，共720 m的封固段中，優(yōu)質(zhì)井段占428.9 m，優(yōu)質(zhì)率為69.71%；合格井段占521.8 m，合格率為84.80%；蓋層段固井質(zhì)量連續(xù)優(yōu)質(zhì)段長(zhǎng)度有兩段，分別為29.68 m 和35.20 m，說(shuō)明應(yīng)用低溫增韌防竄水泥漿體系封固質(zhì)量好，對(duì)儲(chǔ)層能夠起到封閉作用，滿足儲(chǔ)氣庫(kù)井固井質(zhì)量的要求。

4.2 全部井分析

S儲(chǔ)氣庫(kù)已完成全部18口注采井及監(jiān)測(cè)井的鉆完井作業(yè)，使用L80（1Cr）套管搭配THB 氣密封扣，套管入井前進(jìn)行氣密封檢測(cè)，共計(jì)入井1 500 余根，甩出1根，THB 氣密封扣使用效果良好，滿足使用要求。鉆完井過(guò)程中無(wú)復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，施工后管外不冒油、氣、水，環(huán)空各壓力系統(tǒng)不互竄，井筒完整密封、安全可靠，運(yùn)行良好，可有力地保障冬季天然氣的供應(yīng)。

5 結(jié)論

1）針對(duì)S 儲(chǔ)氣庫(kù)，二開(kāi)套管封隔壓力較高的蓋層，實(shí)現(xiàn)下部低壓力地層安全鉆進(jìn)，避免地層漏失；三開(kāi)下入篩管，提高注采能力，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層專(zhuān)打。

2）儲(chǔ)層埋藏淺、壓力系數(shù)極低，存在漏失污染儲(chǔ)層風(fēng)險(xiǎn)。鉆入儲(chǔ)層段后，通過(guò)加入屏蔽暫堵劑和降低鉆井液密度，有利于減少鉆井過(guò)程中的漏失，有效保護(hù)儲(chǔ)層。

3）優(yōu)選滿足儲(chǔ)氣庫(kù)井安全生產(chǎn)的氣密封扣、抗CO2腐蝕套管，保證管柱密封性。研發(fā)使用低溫增韌防竄水泥漿體系，高強(qiáng)度抵御地層載荷，低彈性模量降低載荷傳遞系數(shù)，達(dá)到保持水泥石力學(xué)完整性的目的，確保儲(chǔ)氣庫(kù)井的長(zhǎng)期、高效、安全運(yùn)行。