相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)井筒完整性研究

相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)井筒完整性研究

隨著天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)的天然氣管道形成了，能源結(jié)構(gòu)和天然氣使用結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。城市氣體的比例顯著增加，用戶對(duì)管道天然氣的峰值渴望越來(lái)越多。目前，北京冬夏天然氣年產(chǎn)量超過(guò)10年，川渝地區(qū)天然氣年產(chǎn)量超過(guò)3年。為保障城鎮(zhèn)用戶的穩(wěn)定供氣,長(zhǎng)輸管道必須配套建設(shè)儲(chǔ)氣調(diào)峰設(shè)施,用氣淡季進(jìn)行儲(chǔ)氣,用氣高峰期將儲(chǔ)存的天然氣匯入輸氣管道,保障國(guó)家能源供應(yīng)安全。中衛(wèi)～貴陽(yáng)天然氣管道是一條將我國(guó)三大氣區(qū)連通,并把國(guó)內(nèi)多條東西走向的干線管道相互聯(lián)網(wǎng),形成全國(guó)和區(qū)域的不同層次的大型環(huán)狀管網(wǎng),提高管網(wǎng)調(diào)配靈活性,保障供氣安全的輸氣聯(lián)絡(luò)線管道。相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)作為中衛(wèi)—貴陽(yáng)天然氣管道的主要配套工程,保障平穩(wěn)安全供氣的作用十分突出。相國(guó)寺石炭系氣藏改建儲(chǔ)氣庫(kù)后,能夠?qū)崿F(xiàn)中衛(wèi)～貴陽(yáng)聯(lián)絡(luò)線季節(jié)調(diào)峰、事故應(yīng)急供氣、戰(zhàn)略應(yīng)急供氣和川渝市場(chǎng)季節(jié)調(diào)峰、事故應(yīng)急供氣。一、井筒質(zhì)量與井筒質(zhì)量相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)是采用枯竭型油氣藏建設(shè)的典型,除油氣藏本身的密封可靠性好外(目的油氣藏?zé)o斷層、蓋層好,老井封閉好),對(duì)新鉆注采井的井筒完整性要求非常高:儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行周期長(zhǎng),至少50年以上,注采井要求強(qiáng)注強(qiáng)采,并且周期循環(huán),因此包括井內(nèi)管柱、井口裝置和固井質(zhì)量等井筒質(zhì)量必須能承受強(qiáng)注強(qiáng)采交變應(yīng)力的影響。相國(guó)寺構(gòu)造本身的地質(zhì)特點(diǎn),也給安全鉆井帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面:1.儲(chǔ)層保護(hù)難度相國(guó)寺構(gòu)造有4個(gè)產(chǎn)層生產(chǎn),石炭系、茅口組、棲霞組和長(zhǎng)興組,其中石炭系、茅口組和長(zhǎng)興組三個(gè)儲(chǔ)層通過(guò)30年左右的開發(fā),目前已進(jìn)入開發(fā)末期,地層壓力系數(shù)均低于1.0,特別是儲(chǔ)氣庫(kù)目的層石炭系壓力系數(shù)僅為0.1(見圖1),儲(chǔ)層保護(hù)難度非常大。2.暴露層老，井腐渣嚴(yán)重相國(guó)寺構(gòu)造出露地層為須家河,由于地表水的溶蝕作用,造成須家河、雷口坡和嘉陵江等地層井漏非常嚴(yán)重(見表1),對(duì)鉆進(jìn)和固井帶來(lái)較大麻煩。3.巖石結(jié)構(gòu)，地層自然傾斜規(guī)律嚴(yán)格相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采井以叢式定向井為主,但該構(gòu)造屬于典型的高陡構(gòu)造(見圖2),地層自然井斜規(guī)律性很強(qiáng),因此叢式井組防碰和定向鉆進(jìn)難度大。4.復(fù)雜情況下物理情況龍?zhí)?、梁山組地層極易垮塌,而長(zhǎng)興組、茅口組地層壓力系數(shù)低于1.0,可能出現(xiàn)井漏和垮塌并存的復(fù)雜情況。特別是揭開石炭系地層即為儲(chǔ)層,且壓力系數(shù)僅為0.1,若?177.8mm油層套管下入石炭系頂部,可能造成石炭系地層大漏,污染儲(chǔ)層;若下至梁山組底部,未能封過(guò)梁山組地層,?152.4mm井段鉆井過(guò)程中梁山組底部層段可能出現(xiàn)垮塌復(fù)雜,這也是相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)鉆井的最大難點(diǎn)。5.空區(qū)安全鉆井難度相國(guó)寺構(gòu)造所在地區(qū)煤礦、石膏礦發(fā)育,很多區(qū)域出現(xiàn)采空區(qū),給安全鉆井帶來(lái)較大難度。另外,由于相國(guó)寺構(gòu)造還位于旅游休閑景區(qū)和自然保護(hù)區(qū),有地下水庫(kù),有國(guó)家森林公園,有紅豆杉等珍稀植物,所以環(huán)保難度非常大。二、鉆技術(shù)的對(duì)策1.地層下入深度表層套管下入原則:由于該構(gòu)造處于山區(qū),地形高差大;出露地層為須家河,煤礦較多,因此,為確保安全鉆井和減少井漏等復(fù)雜,確定了表層套管下入深度的原則:(1)表層套管下入深度必須大于井口周圍500m范圍內(nèi)最低位置。(2)表層套管下入深度必須大于煤礦坑道最大深度100m以上。在滿足上述條件下,表層套管最低下入深度500m左右。加深技術(shù)套管下入深度:下川東地區(qū)以石炭系為目的層的井,技術(shù)套管通常下至嘉二3,而相國(guó)寺構(gòu)造嘉陵江、雷口坡地層井漏嚴(yán)重,儲(chǔ)氣庫(kù)注采井若將技術(shù)套管通常下至嘉二3,可能造成固井質(zhì)量差,井筒完整性得不到保證。因此將技術(shù)套管下至長(zhǎng)興組頂,有利于大大提高井筒環(huán)空密封質(zhì)量,確保井筒完整性。油層套管下入深度:前面已經(jīng)分析了油層套管的下入深度是相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)鉆井的最大難點(diǎn),由于石炭系儲(chǔ)層壓力極低,若鉆入石炭系地層再下油層套管,導(dǎo)致井下復(fù)雜事故和儲(chǔ)層嚴(yán)重污染的可能性更大,因此原則上將油層套管下至梁山組底(不揭開石炭系地層)。同時(shí)在先導(dǎo)性試驗(yàn)井相儲(chǔ)7井,開展鉆入石炭系頂再下入油層套管的試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)情況最終確定油層套管下入合理深度。井身結(jié)構(gòu)見圖3。2.加強(qiáng)地下水的保護(hù)針對(duì)相國(guó)寺構(gòu)造復(fù)雜情況,上部井段(飛仙關(guān)組以上層段)采用氣體鉆井方式。表層500m采用空氣鉆井,防止鉆入煤礦坑道,鉆井液淹沒坑道,確保鉆井安全;技術(shù)套管層段含有氣層,采用氮?dú)忏@井,防止井漏等復(fù)雜事故發(fā)生,并達(dá)到鉆井提速的效果。表層和技術(shù)套管層段采用氣體鉆井還有利于地下水資源的保護(hù)。石炭系目的層由于開采多年,壓力系數(shù)極低,并且儲(chǔ)層物性很好,孔隙度和滲透率高,采用鉆井液鉆井,可能造成嚴(yán)重井漏,極大地傷害儲(chǔ)層,并且石炭系儲(chǔ)層目前硫化氫含量極低(10mg/m3以內(nèi)),具備氣體鉆井條件,因此,石炭系儲(chǔ)層設(shè)計(jì)采用氮?dú)忏@井,以防止石炭系儲(chǔ)層鉆進(jìn)井漏,從而有效保護(hù)儲(chǔ)層。3.井眼軌跡優(yōu)化相國(guó)寺構(gòu)造部署新鉆22口注采井,7個(gè)叢式井井場(chǎng),每個(gè)叢式井場(chǎng)布井2～4口,叢式井井場(chǎng)擬采用直線型布井,設(shè)計(jì)叢式井組井口井間距盡可能達(dá)到10m,若受地形條件限制,井場(chǎng)井口間距不小于5m,井場(chǎng)布置應(yīng)盡可能做到各井井眼軌跡水平投影不交叉,以減小井眼軌跡控制難度,防止井眼相碰。井眼軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì):①為確保井筒質(zhì)量,定向井井眼軌跡應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單,以“直—增—穩(wěn)”三段制為主,但由于下川東地區(qū)地層的復(fù)雜性,穩(wěn)斜難度大,因此增加了轉(zhuǎn)盤微增斜井段;②造斜點(diǎn)和增斜段應(yīng)盡可能避開雷口坡、嘉陵江惡性井漏層段;③造斜率的大小應(yīng)能減少套管磨損和確保套管順利下入井底,?311.2mm井眼造斜率15°/100m以內(nèi),?215.9mm井眼造斜率20°/100m以內(nèi)。相儲(chǔ)7井為先導(dǎo)性試驗(yàn)井,為確保井眼軌跡的平滑和更容易控制,井眼軌跡剖面在“三段制”基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)盤微增斜井段,為“直-增(-微增)-增(-微增)-穩(wěn)”,造斜點(diǎn)垂深1550m處于長(zhǎng)興組,增斜井段避開了惡性井漏層段;造斜率為20°/100m以內(nèi),有利于套管的下入(見圖4)。井眼軌跡的監(jiān)控措施見表2。4.固井質(zhì)量分析相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為11.7～28MPa,周期性強(qiáng)注強(qiáng)采,井筒附近壓力、溫度交替變化,井筒水泥環(huán)極易出現(xiàn)微裂紋,從而破壞井筒完整性,影響安全生產(chǎn),縮短井筒壽命,另外由于井漏等復(fù)雜情況也將影響固井質(zhì)量。因此為確保固井質(zhì)量和井筒長(zhǎng)期完整性,主要考慮了以下固井技術(shù)對(duì)策:(1)采用管外封隔器固井。技術(shù)套管和油層套管均采用管外封隔器固井,做到層層封隔,確保全井筒環(huán)空的密封效果。(2)優(yōu)選水泥漿體系。技術(shù)套管采用膨脹纖維水泥漿體系,固井時(shí)水泥漿具有封堵嘉陵江等漏層作用,確保固井質(zhì)量;油層套管采用柔性變密度水泥漿體系,防止固井時(shí)長(zhǎng)興組、茅口組低壓儲(chǔ)層井漏,凝固后的水泥環(huán)具有較好的柔韌性,在交變應(yīng)力作用下不會(huì)產(chǎn)生微裂紋,確保水泥環(huán)的密封效果。(3)采用正反注水泥工藝。技術(shù)套管固井采用正反注水泥工藝,確保水泥漿返至地面。(4)大斜度井段采用剛性扶正器。確保套管居中度,提高水泥漿頂替效率(見圖5)。5.防砂篩管完井下川東石炭系儲(chǔ)層巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,注采井在儲(chǔ)氣庫(kù)正常運(yùn)行條件下,井壁穩(wěn)定,儲(chǔ)層不會(huì)出砂;但滲流條件較差的氣井的生產(chǎn)壓差與臨界出砂壓差非常接近,產(chǎn)量波動(dòng)較大的情況下,存在井壁不穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn),為保障注采井長(zhǎng)期安全運(yùn)行,采用防砂篩管完井。同時(shí)由于石炭系儲(chǔ)層壓力極低,氮?dú)忏@完石炭系儲(chǔ)層后帶壓下入防砂篩管完井,可避免固井時(shí)水泥漿損害儲(chǔ)層,不能滿足強(qiáng)注強(qiáng)采的要求。三、鉆井密度和位相儲(chǔ)7井為相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的先導(dǎo)性試驗(yàn)井,該井設(shè)計(jì)井深2780m。目前實(shí)鉆井深2508.26m,層位為棲霞組。從上部井段實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)、鉆井方式、井眼軌跡控制、固井等技術(shù)應(yīng)用情況表明,提出的鉆井技術(shù)方案合理,將能確保相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采井的安全快速鉆井。1.井結(jié)構(gòu)實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)基本吻合,實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)對(duì)比見表3。實(shí)鉆長(zhǎng)興組地層比設(shè)計(jì)加深180m左右。2.井眼氣體井段二開?444.5mm井眼氣體鉆井井段50.00～437.00m,層位須家河～嘉三。鉆進(jìn)過(guò)程中鉆遇3個(gè)(175.3m、177.3m、287.3m)惡性漏層,通過(guò)加大注氣量(從180m3/min增加至320m3/min),很好解決了嚴(yán)重漏失導(dǎo)致無(wú)法有效攜砂的工程難題。三開?311.2mm井眼氣體鉆井井段437.00～1719.00m,層位嘉三～長(zhǎng)興。二、三開采用氣體鉆井很好地解決了上部地層惡性井漏問(wèn)題,同時(shí)機(jī)械鉆速明顯提高,平均機(jī)械鉆速5.72m/h,平均行程鉆速83.45m/d(見表4)。3.井眼軌跡控制措施由于相國(guó)寺構(gòu)造為高陡構(gòu)造,在實(shí)鉆井眼軌跡中,相儲(chǔ)7井長(zhǎng)興組地層加深,設(shè)計(jì)?311.2mm井眼井深1541.0m,進(jìn)入頂長(zhǎng)興5m下?244.5mm套管,實(shí)鉆至井深1704m為長(zhǎng)興頂界,?215.9mm井眼造斜點(diǎn)下移,但定向鉆進(jìn)井斜控制與設(shè)計(jì)基本吻合,證明井眼軌跡控制措施合理。實(shí)鉆井眼軌跡與設(shè)計(jì)井眼軌跡對(duì)比見圖6。4.表層套管固井質(zhì)量目前相儲(chǔ)7井已經(jīng)完成了表層和技術(shù)套管固井,均采用了氣體介質(zhì)條件下固井技術(shù),其中技術(shù)套管還采用管外封隔器和膨脹纖維水泥漿體系,確保了固井質(zhì)量。?339.7mm表層套管固井質(zhì)量合格率達(dá)90.7%,優(yōu)質(zhì)率89.0%;?244.5mm技術(shù)套管固井質(zhì)量合格率99.9%,優(yōu)質(zhì)率92.3%(見圖7)。四、地層