相國寺儲氣庫井筒完整性研究

相國寺儲氣庫井筒完整性研究

隨著天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，中國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，用戶對管道天然氣的峰值渴望越來越多。目前，北京冬夏天然氣年產(chǎn)量超過10年，川渝地區(qū)天然氣年產(chǎn)量超過3年。為保障城鎮(zhèn)用戶的穩(wěn)定供氣,長輸管道必須配套建設(shè)儲氣調(diào)峰設(shè)施,用氣淡季進(jìn)行儲氣,用氣高峰期將儲存的天然氣匯入輸氣管道,保障國家能源供應(yīng)安全。中衛(wèi)～貴陽天然氣管道是一條將我國三大氣區(qū)連通,并把國內(nèi)多條東西走向的干線管道相互聯(lián)網(wǎng),形成全國和區(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。相國寺儲氣庫作為中衛(wèi)—貴陽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。相國寺石炭系氣藏改建儲氣庫后,能夠?qū)崿F(xiàn)中衛(wèi)～貴陽聯(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)量相國寺儲氣庫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),對新鉆注采井的井筒完整性要求非常高:儲氣庫運行周期長,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。相國寺構(gòu)造本身的地質(zhì)特點,也給安全鉆井帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),主要表現(xiàn)以下幾個方面:1.儲層保護(hù)難度相國寺構(gòu)造有4個產(chǎn)層生產(chǎn),石炭系、茅口組、棲霞組和長興組,其中石炭系、茅口組和長興組三個儲層通過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,特別是儲氣庫目的層石炭系壓力系數(shù)僅為0.1(見圖1),儲層保護(hù)難度非常大。2.暴露層老，井腐渣嚴(yán)重相國寺構(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),對鉆進(jìn)和固井帶來較大麻煩。3.巖石結(jié)構(gòu)，地層自然傾斜規(guī)律嚴(yán)格相國寺儲氣庫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,污染儲層;若下至梁山組底部,未能封過梁山組地層,?152.4mm井段鉆井過程中梁山組底部層段可能出現(xiàn)垮塌復(fù)雜,這也是相國寺儲氣庫鉆井的最大難點。5.空區(qū)安全鉆井難度相國寺構(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),給安全鉆井帶來較大難度。另外,由于相國寺構(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,有國家森林公園,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,而相國寺構(gòu)造嘉陵江、雷口坡地層井漏嚴(yán)重,儲氣庫注采井若將技術(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寺儲氣庫鉆井的最大難點,由于石炭系儲層壓力極低,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)。同時在先導(dǎo)性試驗井相儲7井,開展鉆入石炭系頂再下入油層套管的試驗,根據(jù)試驗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)針對相國寺構(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,采用氮氣鉆井,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,極大地傷害儲層,并且石炭系儲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,石炭系儲層設(shè)計采用氮氣鉆井,以防止石炭系儲層鉆進(jìn)井漏,從而有效保護(hù)儲層。3.井眼軌跡優(yōu)化相國寺構(gòu)造部署新鉆22口注采井,7個叢式井井場,每個叢式井場布井2～4口,叢式井井場擬采用直線型布井,設(shè)計叢式井組井口井間距盡可能達(dá)到10m,若受地形條件限制,井場井口間距不小于5m,井場布置應(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:①為確保井筒質(zhì)量,定向井井眼軌跡應(yīng)盡可能簡單,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7井為先導(dǎo)性試驗井,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)”,造斜點垂深1550m處于長興組,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)量分析相國寺儲氣庫設(shè)計運行壓力為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)量和井筒長期完整性,主要考慮了以下固井技術(shù)對策:(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,防止固井時長興組、茅口組低壓儲層井漏,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層巖心實驗結(jié)果表明,注采井在儲氣庫正常運行條件下,井壁穩(wěn)定,儲層不會出砂;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)量波動較大的情況下,存在井壁不穩(wěn)的風(fēng)險,為保障注采井長期安全運行,采用防砂篩管完井。同時由于石炭系儲層壓力極低,氮氣鉆完石炭系儲層后帶壓下入防砂篩管完井,可避免固井時水泥漿損害儲層,不能滿足強(qiáng)注強(qiáng)采的要求。三、鉆井密度和位相儲7井為相國寺儲氣庫建設(shè)的先導(dǎo)性試驗井,該井設(shè)計井深2780m。目前實鉆井深2508.26m,層位為棲霞組。從上部井段實鉆井身結(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,將能確保相國寺儲氣庫注采井的安全快速鉆井。1.井結(jié)構(gòu)實鉆井身結(jié)構(gòu)與設(shè)計井身結(jié)構(gòu)基本吻合,實鉆井身結(jié)構(gòu)與設(shè)計對比見表3。實鉆長興組地層比設(shè)計加深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)過程中鉆遇3個(175.3m、177.3m、287.3m)惡性漏層,通過加大注氣量(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題,同時機(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寺構(gòu)造為高陡構(gòu)造,在實鉆井眼軌跡中,相儲7井長興組地層加深,設(shè)計?311.2mm井眼井深1541.0m,進(jìn)入頂長興5m下?244.5mm套管,實鉆至井深1704m為長興頂界,?215.9mm井眼造斜點下移,但定向鉆進(jìn)井斜控制與設(shè)計基本吻合,證明井眼軌跡控制措施合理。實鉆井眼軌跡與設(shè)計井眼軌跡對比見圖6。4.表層套管固井質(zhì)量目前相儲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