国内地下储气库钻完井技术现状分析

袁光杰 杨长来 王 斌 夏 焱 班凡生 庄晓谦

1．中国石油集团钻井工程技术研究院 2．中国石化天然气川气东送管道分公司3．中国石油新疆油田公司储气库项目部

根据国际天然气联盟（IGU）统计，目前全球共36个国家和地区建设有630座地下储气库，地下储气库总工作气量为3 530×108m3，约占2010年全球3．1×1012m3天然气消费量的11．14%。共有储气库井2．3×104口。美国、俄罗斯、乌克兰、德国、意大利、加拿大、法国是传统的储气库大国，占全球地下气库工作气量的85%；全球地下储气库总工作气量的78%分布于气藏型储气库，5%分布于油藏型储气库，12%分布于含水层储气库，5%分布于盐穴储气库，另有约0．1%分布于废弃矿坑和岩洞型储气库中［1］。

枯竭油气藏是世界上最适合建设地下储气库的一种类型。1915年在加拿大安大略省Wellland枯竭气藏建立首个储气库，到2006年全球利用枯竭油气藏改造而成的储气库有495座，占当年储气库总量的82%。2006年美国365座枯竭油气藏储气库中的320座为气藏储气库，10座为凝析气藏储气库，9座为油藏储气库，26座为油气藏储气库［1］。国外枯竭油气藏储气库储层深度在500～2 500m，储层渗透率一般在几十至上千毫达西，岩性主要为砂岩和石灰岩，部分气田含H2S。

1959年前苏联建成第1口盐穴储库井，现在全世界有60多座盐穴储气库。盐穴储库的类型主要有3种：薄盐层中的巷道式盐穴腔体，多夹层岩盐中的倒梨形腔体和盐丘中的圆柱形腔体［2－3］。国外盐穴储气库的目的层一般为盐丘，厚度高为500～1 000m；岩盐埋深一般在1 500m以内；岩盐品味好，不溶物含量低、夹层少。

美国于1953—1958年在芝加哥肯塔基建成了世界上第一个含水层地下储气库；世界上最大的含水岩层地下储气库为俄罗斯的卡西莫夫地下储气库。美国是拥有含水层储气库最多的国家（47座），法国15座储气库中有12座为含水层型储气库，是目前拥有含水层型储气库比例最高的国家。

1 国外储气库钻完井技术现状分析

1．1 注采井寿命设计

国外储气库建设单位重视岩石力学、管柱力学等基础性研究，重视建井质量的管理，气库注采井按至少30年不修井的原则进行寿命设计。目前比利时Loenhout储气库已经实现了这一目标，法国TIGF储气库也已运行超过了50年，目前仅1口井有异常套压（除封堵井外），荷兰Norg储气库6口生产井生产14年没有异常套压［4－7］。

1．2 钻井方式及井型

枯竭气藏储气库井在钻井方式上主要采用丛式井场设计，便于集中管理，减少设备搬迁。比利时Loenhout储气库用4个丛式井组完成30口井；荷兰Norg储气库采用1个丛式井组钻成10口井，井间距为10 m；法国TIGF储气库丛式井组井间距为7m。储气库注采井应根据储层特征，优先采用水平井或采用水平井、定向井组合提高单井注采能力，水平井水平段长度原则上不小于500m。德国Breitbrunn－Eggstatt储气库最近新钻5口水平井，最大水平位移为1 514m；西班牙Yela储气库10口注采井均采用了丛式水平井或定向井［4，8］。

1．3 井身结构设计

储气库注采井为满足季节调峰和应急供气的功能，需要满足大流量注采及长寿命、高安全的要求，应尽量采用较大尺寸的井身结构。对于低压油气藏型储气库采用储层专打，不兼顾其他层位。储气库生产套管及完井管柱在材质选择方面主要根据注采气质而定，若存在腐蚀因素，应采用相应的防腐材质，材质选择上都比较保守。例如欧洲比利时的Loenhout储气库、Yela储气库和荷兰的Norg储气库采气油管均为177．8mm［4］。

1．4 钻井工艺技术

针对低压地层，采取欠平衡＋带压作业，储层压力过低的采取先注气提高压力再钻井的操作程序，以减少对储层的伤害［5］。如比利时Loenhout储气库，即采用了带压作业完井的方式进行操作；西班牙Serrablo储气库为一个衰竭型气藏，为降低钻井复杂，进行了先注、后钻注采井的工作［4］。完井管柱上卸扣时主要采用带扭矩检测，确保上扣扭矩且要求每根套管均进行气密封检测，确保入井管柱密封质量。国外储气库在下气密封管柱时，均要求每根套管均进行气密封检测［8］。

1．5 固井技术

储气库井筒水泥环在交变应力条件下，很容易产生微裂缝、微环空，产生气窜和套管带压风险。为了提高固井质量，主要采取以下措施：①储气库注采井设计上要控制单层套管下入深度；②重视每一层套管的固井质量，水泥返至地面；③采用韧性膨胀水泥，减少应力交变对水泥环的影响；④采用自愈合水泥技术，填充后期产生的微裂缝；⑤固井质量检测要求高，国外普遍采用超声波成像测井方法（如IBC）。通过运用上述措施，Total、Shell在建井质量控制上取得了很好的效果，法国TIGF储气库目前仅1口井有异常套压；荷兰Norg储气库6口生产井生产14年没有异常套压［9－11］。

1．6 完井技术

针对枯竭气藏储气库注采井出砂问题各公司的认识不同，Geostock、Schlumberger认为裸眼或筛管完成更有利于注采，TIGF采用了防砂筛管，Norg初期采用了防砂筛管，鉴于采气压差低、出砂量很小的情况，改防砂筛管为普通筛管。根据储气库完整性要求，原则上不进行压裂改造，若个别注采井存在堵塞和伤害，可采取酸化解堵措施提高注采量。环空为保护液或部分注氮气，Norg储气库井环空除压力监测外，直接与放空系统连在一起［4］。

1．7 老井封堵技术

国外枯竭油气藏型储气库的老井封堵普遍遵循“先难后易”原则，也即首先对枯竭气田中的老井进行评价，将情况最复杂的老井进行首先封堵，然后依次封堵直至全部封堵成功后才开始储气库的建设，避免出现因1口井未封堵好而影响整个储气库的建设。具体的封堵方法是首先检测老井固井质量，若盖层封固质量差，应锻铣至原地层，锻铣段长度不少于50m，注水泥封堵；若盖层封固质量好，可先下入桥塞封堵，上面注水泥封堵。若目的层上部仍有气层，应分段注塞，每个气层顶部不少于50m水泥塞。老井封堵一年后若无问题，可从地面以下4m 切断，恢复地表［4，12］。

1．8 注采技术

对于边底水气藏储气库或含水层储气库，国外均从气藏的最顶部开始注气，而且每年的注入量要大于采气量，通过逐年下压气水界面，把库容量和储气量逐步扩大。

1．9 盐穴储气库钻完井技术

国外盐穴储气库钻井通常采用直井，井身质量要求较高，通常储气库注采井井斜小于1．5°，井身结构通常采用508mm技术套管×339．7mm生产套管×244．5mm注采气管的管柱结构，盐层段钻井液采用饱和盐水钻井液体系，固井采用盐水水泥浆体系，完井方面主要采用不压井作业技术完成排卤管的起出。国外双井盐穴造腔已在现场取得应用，例如美国Avoca盐穴储气库两口井水平井连通，花生形状腔体，溶腔高度30．5m，长度244m，腔顶跨度61m。

2 国内储气库钻完井存在的主要问题

国内地下储气库研究和建设起步较晚，从20世纪90年代开始地下储气库建设，先后针对大港、华北、金坛、刘庄、云应、平顶山、麻丘、王场、上法、安宁、新疆、辽河、川渝气区、长庆气区等多种储气库建库技术进行了研究，目前投入运行的主要有大港［13］、华北和金坛3座储气库。总结正在建设和已投入运行的储气库，发现在储气库钻完井技术主要暴露出以下问题：

2．1 环空带压

许多枯竭气藏或盐穴储气库注采井存在环空带压问题，注采井运行1～2年后，套管环空或套管与油管之间会产生高压，并可检验出主要成分为天然气。

2．2 井身结构设计偏小

国内储气库的井身结构普遍偏小，部分气藏储气库未采用储层专打，盐穴储气库目前采用339．7mm技术套管×244．5mm生产套管×177．8mm注采气管的井身结构，气库的建造速度和应急能力受到限制［14］。

2．3 钻井施工难度大

国内枯竭气藏储气库目的层普遍埋深超过2 500 m，纵向上存在多套压力系统，地层承压堵漏难度大，水平井安全钻井问题突出，需要探索合适的钻井工艺进行施工。例如华北待建的古潜山裂缝型储气库，目的层深度更是超过4 000m，施工过程中霸33平3等井出现严重漏失，并影响到固井质量。

2．4 固井难度大

大井眼、易漏失层及储层压力低和气库固井要求高对固井工艺和水泥浆体系带来挑战，生产套管和其上一层技术套管固井是各储气库钻完井面临的主要难题，在弹性微膨胀水泥浆体系的优选、储气库固井质量评价方面则缺乏统一的标准和依据。

2．5 老井多，处理难度大，缺乏规范和规程

老井井况千差万别，检测和评价方法不统一，技术难度大；老井井下复杂多，封堵困难；井身质量检测方法、评价指标等没有相应的行业标准，部分已封堵的储气库老井在气库运行一段时间，井口出现带压现象。

2．6 关键工具和装备缺乏

国内缺乏具有独立知识产权的储气库建设的关键设备和工具。例如在油套管氦气密封检测、多传感器油水界面检测、盐穴声呐测腔方面还完全依赖国外的设备和技术。

2．7 缺乏标准和依据

国内储气库钻完井技术和老井封堵规范尚未建立，各储气库钻完井中出现的新问题在解决时尚无据可依。

3 认识及建议

1）国内通过近20年的储气库研究和建设，在储气库建设质量和要求的认识上有很大提高，大尺寸井眼、储层专打、水平井、套管丝扣气密封检测、弹性水泥浆、IBC测井等先进技术和理念开始逐渐被储气库建设各方所接受，对储气库的建设起到了很好的推动作用。

2）国外在储气库建设上起步较早，已经拥有相对完善的钻完井技术规范和标准，应在充分结合国内实际情况上借鉴使用，并尽快建立适合国内地质特点的储气库钻完井设计和施工技术规范，使设计和施工有据可依［15］。

3）储气库的钻完井施工应以固井为核心，要高度重视储气库注采井和老井的井筒完整性管理，尤其是生产尾管及盖层段固井的质量必须保证。

4）在储气库的建设和管理上，应建立一个业主、设计、监理、施工四方协调工作机制，统一思想认识，加强施工过程管理，保证施工质量。

5）应积极开展低压储气库钻井防漏堵漏及储层保护技术、储气库固井工艺和水泥浆体系、盐穴气库双井建腔钻采工程技术、含水层储气库钻完井技术、储气库井筒完整性检测技术、油套管氦气气密封检测装备研制等的专项研究，为国内储气库的建设提供技术支撑。

［1］ONDERKA V．Working Committee 2– Gas Storage（WOC2）of the International Gas Union（IGU）［C］∥The 24thworld gas conference Argentina，5－9October，2009：2－7．

［2］THOMS R L，GEHLE R M．A brief history of salt cavern use［C］∥SMRI．Fall Meeting，San Antonio，2000：130－135．

［3］FAVRET F．Up－to－date Researches and future trends in underground gas storage facilities：A state of the art review［J］．NATO Science Series II：Mathematics，Physics and Chemistry，2004（149）：159－193．

［4］中国石油钻井工程技术研究院．赴欧洲地下储气库考察报告［R］．北京：中国石油集团钻井工程技术研究院，2011．CNPC Drilling Research Institute．To Europe＇s underground gas storage inspection report［R］．Beijing：CNPC Drilling Research Institute，2011．

［5］CADE R，FRAME R，WALLACE B．Underbalanced drilling increases deliverability from gas storage wells［J］．World Oil，2006，227（2）：101－102．

［6］ZAPF D．Rock mechanical design of gas storage caverns for seasonal storage and cyclic operations［C］∥SMRI Spring Meeting，Grand Junction，Colorado，2010：197－213．

［7］ZAPF D，STAUDTMEISTER K，LEUGER B．The influence of different loading scenarios on the Thermo－mechani－cal behavior of a gas storage cavern［C］∥SMRI Spring Meeting，Galveston，Texas，2010：83－97．

［8］ROWAN M C，WHIMS M J．Multilateral well enhances gas storage deliverability［J］．Oil ＆ Gas Journal，1995，93（52）：89－92．

［9］BEREST P，BROUARD B，DURUP J G．Tightness testing in salt－cavern wells［C］∥SMRI Spring Meeting，Banff，Alberta，Canada，2002：103－108．

［10］STAUDTMEISTER K，ZAPF D，LEUGER B．The influence of different loading scenarios on the thermo －mechanical behavior of a gas storage cavern［C］∥SMRI Spring Meeting，Galveston，2011：203－211．

［11］ROKOAHR R B，STAUDTMEISTER K，ZAPF D．Rock mechanical design for a planned gas cavern field in the Preesall project area，Lancashire，UK［C］∥SMRI Fall Meeting，New York，2011：83－88．

［12］DHARMANDA K，KINGSBURY N，SINGH H．Underground gas storage：Issues beneath the surface［C］∥paper 88491presented at the SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference 18－20October 2004，Perth，Australia．New York：SPE，2004．

［13］马小明，余贝贝，马东博，等．砂岩枯竭型气藏改建地下储气库方案设计配套技术［J］．天然气工业，2010，30（8）：67－71．MA Xiaoming，YU Beibei，MA Dongbo，et al．Project design and matching technologies for underground gas storage based on a depleted sandstone gas reservoir［J］．Natural Gas Industry，2010，30（8）：67－71．

［14］吴建发，钟兵，冯曦，等．相国寺石炭系气藏改建地下储气库运行参数设计［J］．天然气工业，2012，32（2）：91－94．WU Jianfa，ZHONG Bing，FENG Xi，et al．Operation parameter design of the Xiangguosi underground gas storage based on the Carboniferous gas reservoir［J］．Natural Gas Industry，2012，32（2）：91－94．

［15］肖学兰．地下储气库建设技术研究现状及建议［J］．天然气工业，2012，32（2）：79－82．XIAO Xuelan．Research and proposals on underground gas storage construction technologies［J］．Natural Gas Industry，2012，32（2）：79－82．