楊 哲，李曉平，萬夫磊

1西南石油大學2中國石油西南油氣田公司工程技術研究院

3中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院4國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心

0 引言

頁巖氣作為一種非常規(guī)油氣資源，做好井身結構設計與優(yōu)化，是保障頁巖氣規(guī)模效益開發(fā)的基礎。在進行頁巖氣井井身結構設計時，除了滿足基本設計要求、后期大規(guī)模壓裂要求之外，還需要充分考慮區(qū)域地質特征、鉆井提速及井筒完整性要求［1］。根據(jù)頁巖氣開發(fā)的施工工藝特點，本文進行了長寧區(qū)塊頁巖氣井身結構設計與優(yōu)化技術研究。

1 井身結構設計原則與考慮因素

1.1 井身結構設計原則

井身結構設計原則［2-4］為：

（1）滿足體積壓裂改造、完井作業(yè)、采氣工程及后期作業(yè)的要求。

（2）有利于減少井下復雜事故，保證鉆井施工安全。

（3）有利于保證固井質量。

（4）有利于提高鉆井速度。

（5）符合行業(yè)規(guī)范與標準。

（6）降低成本，提高效益。

1.2 井身結構設計應考慮的因素

井身結構設計應考慮的因素［5-9］為：

（1）上部疏松易漏地層及淺氣層對表層套管下深的影響。

（2）固井質量對井身結構選擇的影響。

（3）固井工藝、水泥環(huán)對套管尺寸、套管柱和井筒完整性的影響。

（4）綜合考慮地質復雜性，預留套管設計層次。（5）壓裂與生產對完井方式的要求。

1.3 套管層次

（1）表層套管。表層套管下入深度一般在30～1 500 m，水泥漿返至地表，用來防護淺水層受污染，封隔淺層流砂、漏層、礫石層及淺氣層。由于川渝地區(qū)一般為山地，表層套管下深受山地地形影響較大。

（2）技術套管。技術套管用來隔離井眼中間井段的易塌、易漏、高壓等復雜地層，起到封隔不同壓力系統(tǒng)和保護井壁的作用。頁巖氣示范區(qū)的技術套管主要用于封隔上部易漏、易塌地層，為目的層長水平段安全鉆井創(chuàng)造條件。

（3）生產套管。頁巖氣井的生產套管用于為壓裂、生產提供井筒環(huán)境。

2 頁巖氣井身結構設計方法

基于準確三壓力剖面的井身結構設計方法，主要參考SYT/5431—2017《井身結構設計方法》，但由于四川地區(qū)大部分為碳酸鹽地層，難以取得準確三壓力剖面，為了實現(xiàn)頁巖氣的有效開發(fā)，最重要的是滿足大規(guī)模體積壓裂改造、完井配產等要求。因此頁巖氣井身結構設計方法主要是以完井要求為基礎，結合地質復雜情況，綜合三壓力剖面及其他因素，確定套管必封點、套管尺寸等，最終設計形成合理的井身結構［6］。

2.1 考慮完井要求

（1）壓裂改造要求。根據(jù)預計施工排量、施工最高壓力、泵車參數(shù)等，綜合考慮選擇油層套管尺寸，再根據(jù)套管必封點情況反推技術套管、表層套管等尺寸；根據(jù)油層套管抗內壓強度、施工最高壓力，通過降低油層套管水泥返深，給上部油層套管留空間施加平衡壓力等。

（2）根據(jù)完井配產情況計算油管尺寸。

2.2 分析地層復雜情況

套管必封點的選擇必須分析總結地層復雜情況，如地層復雜能夠通過優(yōu)化鉆井液、堵漏、精細控壓等工藝在可接受的周期、費用下解決，則可不下套管封隔，反之則需要下套管進行封隔。

2.3 建立三壓力剖面

目前主要基于物探、測井、巖石力學參數(shù)和地應力研究等資料，通過專用軟件，形成三壓力剖面，由于目前碳酸鹽巖三壓力剖面不準確，因此需要根據(jù)實鉆資料和實測地層壓力對軟件計算出的三壓力剖面進行修正，最終形成對井身結構設計具有指導意義的三壓力剖面。

3 長寧區(qū)塊井身結構設計

3.1 套管尺寸確定

結合長寧頁巖氣水平井地質條件和壓裂作業(yè)的需要，可以得到如下結論：

（1）從地層條件上看，由于頁巖氣儲層井壁易垮塌，不滿足裸眼完井。

（2）長寧頁巖氣儲層非均值性較強，采用分段裸眼完井不利于精細改造儲層。

（3）前期已完成井全部采用射孔完井，技術成熟可靠，而在頁巖氣水平井采用裸眼完井方式還沒有應用過。因此，長寧頁巖氣完井方式設計為射孔完井。因此，根據(jù)壓裂改造和完井配產要求，即可確定生產套管的尺寸，并反推出技術套管、表層套管等尺寸。

對于頁巖氣井，根據(jù)產量特點和增產措施綜合考慮，可以利用式（1）確定生產套管尺寸：

式中：Sp—生產套管的尺寸；

S1—從生產優(yōu)化目的出發(fā)的生產套管尺寸（以最大產量為目標或以生產周期最長為目標）；

S2—滿足增產措施要求的生產套管尺寸（壓裂施工等）；

S3—滿足其他特殊工藝要求的生產套管尺寸（評價井、分支井等）。

利用上述方式，根據(jù)先導井試驗，經過不斷創(chuàng)新、優(yōu)化高產井培育技術及施工提速技術，一類儲層鉆遇率可達95%以上，單井測試日產量5×104～50×104m3，使用?139.7 mm生產套管即可滿足需要。由此反推技術套管、表層套管尺寸分別宜選用?244.5 mm、?339.7 mm。

3.2 必封點確定

結合長寧地區(qū)基本地質特征，確定必封點：

必封點一：嘉二3亞段以上地層存在易漏層，飛一段～長興組地層鉆井過程中出現(xiàn)過氣侵、氣測異常情況，表層套管必須下至嘉二3亞段頂部，封固上部嘉陵江組易漏層，為下部鉆井可能鉆遇淺層氣做好井控準備［7］。

必封點二：棲霞組及以上地層易井漏，龍?zhí)督M易垮塌，韓家店～石牛欄組地層可鉆性差，下部龍馬溪組頁巖儲層段需超高密度鉆井液來平衡頁巖垮塌應力，技術套管需下至韓家店組頂部，封隔上部復雜地層，為韓家店組及以下地層安全鉆進創(chuàng)造井筒條件。

工程必封點：考慮長水平段水平井沒有鉆過，為確保鉆井成功，增加開發(fā)信心，早期曾考慮技術套管下至大斜度井段或水平井A點，以利于降低摩阻、扭矩，提高鉆井成功率。

3.3 三壓力剖面分析

根據(jù)長寧頁巖氣已鉆井實鉆資料分析（表1），并結合測井資料處理，建立了寧201-H1井地層三壓力剖面曲線，綜合預測長寧地區(qū)三壓力，見表2。該地區(qū)上部地層為正常壓力系統(tǒng)，目的層為超高異常高壓系統(tǒng)。

表1 長寧頁巖氣實測地層壓力

表2 長寧頁巖氣地層壓力預測表

3.4 井身結構設計方案優(yōu)選

根據(jù)上述井身結構設計原則、頁巖氣開發(fā)要求、地層壓力系統(tǒng)和套管必封點，結合現(xiàn)長寧區(qū)塊實鉆經驗，提出兩種不同井身結構方案進行比選（表3）。

表3 井身結構方案比選表

方案一：?508 mm導管下至80～120 m左右，封隔水層及易垮塌層，避免地表水源污染（對于地表井漏風險較高的井，可采用?762 mm鉆頭鉆至50 m左右增下?720mm卷管，封隔井口附近垮塌、竄漏）；平臺第一口井?339.7 mm表層套管下入飛仙關組20 m左右，如果嘉陵江組未出現(xiàn)井漏、地層出水等情況，平臺后續(xù)井?339.7 mm表層套管下深可上提至嘉二1亞段，確保封隔嘉陵江組水層及破碎易漏層；?244.5 mm技術套管下至韓家店頂部20～30 m（垂厚），封隔上部易漏、易垮井段；?139.7 mm生產套管下至井底。

方案二：與方案一不同的是?244.5 mm技術套管下至水平井A點附近，封隔上部易漏、易垮井段，為水平段鉆進降低摩阻、扭矩創(chuàng)造條件，實現(xiàn)儲層專打；?139.7 mm生產套管下至井底。

針對上述兩種井身結構方案，分別從鉆井難易程度、鉆井成功率、鉆井速度、周期和成本等方面進行對比評價，推薦成熟應用的井身結構方案一。

4 長寧區(qū)塊淺表層套管下深優(yōu)化

長寧頁巖氣示范區(qū)位于四川、重慶南部，地表水系發(fā)達，屬于典型的山地-丘陵地形喀斯特地貌。該地區(qū)淺表地層巖溶、地下裂縫和暗河發(fā)育，并且呈不規(guī)則分布，在勘探開發(fā)過程中會產生影響地下水的風險［10］。從近幾年的實際鉆井作業(yè)進行統(tǒng)計分析，主要表現(xiàn)為表層鉆井過程中，鉆井液易發(fā)生漏失，水資源保護壓力大。

筆者所在團隊利用井漏漏失統(tǒng)計分析明確了頁巖氣淺表具體的易漏地層和漏失類型，創(chuàng)新引入電磁法表層巖溶勘察，明確表層1 000 m內溶洞、裂縫和地下含水層具體位置［10］。

4.1 井漏統(tǒng)計優(yōu)化方法

分析長寧頁巖氣地區(qū)表層地質特征，表層鉆井作業(yè)對環(huán)境可能造成的影響主要為污染地表水源和淺層地下水。導眼和一開鉆井過程中鉆井液漏失有可能造成地表水資源污染。

統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：漏失主要發(fā)生在須家河、嘉陵江組，漏失以中漏、大漏和嚴重漏失為主。

表層井漏主要以溶洞和裂縫漏失為主。由此可見，長寧區(qū)塊的須家河組、嘉陵江組、雷口坡組井漏嚴重，是重要的必封點。在進行井身結構設計和優(yōu)化時，表層套管下深要滿足封隔須家河組、嘉陵江組、雷口坡等重要漏失層位的要求，實現(xiàn)漏失封隔成功率100%，減少后期作業(yè)發(fā)生嚴重漏失影響表層地下水。

4.2 電磁法巖溶勘探方法

為明確長寧表層地質特征，有效避免暗河、巖溶等地質復雜，降低井漏復雜率，開展了地層電磁法勘察研究，針對性地勘察表層裂縫、暗河、巖溶發(fā)育層，獲得了地下巖溶視電阻反演剖面圖［10］。結合地表地質調查將物探反演剖面中地層進行了大致劃分，根據(jù)視電阻率反演剖面的電性特征，以判斷平臺區(qū)域巖溶發(fā)育情況，在鉆井作業(yè)時應注意防范。

近年來，優(yōu)化形成的井身結構方案已在長寧區(qū)塊推廣應用400余井次，為長寧頁巖氣綠色規(guī)模效益開發(fā)奠定了基礎。

5 結論

（1）根據(jù)頁巖氣開發(fā)的施工工藝特點，本文開展了長寧區(qū)塊頁巖氣井身結構設計與優(yōu)化技術研究，分析了頁巖氣井身結構設計的原則和需要考慮的因素，設計了長寧區(qū)塊井身結構方案。

（2）在實踐過程中，為滿足表層環(huán)保鉆井需要，開展了井身結構優(yōu)化研究，利用井漏統(tǒng)計分析方法和電法巖溶勘察方法，形成井身結構優(yōu)化方案，有效降低鉆井難度，通過改變井身結構，保障鉆井安全，降低風險。

（3）優(yōu)化形成的井身結構方案已推廣應用400余井次，為長寧頁巖氣綠色規(guī)模效益開發(fā)提供有力支撐。