楚州鹽穴儲氣庫鉆井工程難點及對策

薛 雨 王立東,2 王元剛 周冬林,2 井 崗

1. 中國石油西氣東輸管道分公司 2. 中國石油儲氣庫技術研究中心

0 引言

為積極應對氣荒，落實國家能源發展戰略，中國石油天然氣集團公司正在建設中俄東線天然氣管道來調節并保證東部地區的天然氣供給。楚州鹽穴儲氣庫是中俄東線9座配套儲氣庫中唯一的1座鹽穴儲氣庫，通過楚州儲氣庫不但可以參與中俄東線和冀寧聯絡線的調峰和應急供氣，更能保障長三角地區的天然氣供應[1]，故而具有重要的建設意義。隨著儲氣庫的持續開發，鉆井中的關鍵技術決定著儲氣庫的鉆井速度、成本消耗和注采開發進度[2]。針對鹽穴儲氣庫對鉆井的要求，在分析楚州鹽礦地質條件的基礎上，提出了適用于楚州鹽穴鉆井的技術對策，為建庫鉆井施工提供指導。

1 楚州鹽礦的地質特征

楚州鹽礦位于江蘇省淮安市淮安區，距在建的中俄東線天然氣管道約61 km。該區地層從上到下依次為第四系東臺組、新近系鹽層組、上白堊統赤山組和浦口組[3]。楚州鹽穴儲氣庫的建庫層段為浦口組二段上鹽亞段第三巖性組合，其埋深大于1800 m，鹽巖厚度大、泥質含量低，地質層位及巖性如表1所示。

表1 楚州鹽礦地層表

2 楚州儲氣庫鉆井工程難點

鹽穴儲氣庫井運行周期長，需超過50年[4-5]，儲氣庫注采井要求強注強采，并且周期循環，井內壓力交替變化，包括井內管柱、井口裝置和固井質量等必須能承受交變應力的影響[6-7]。 因此儲氣庫對井身質量、固井質量和密封性的要求非常高。同時楚州鹽礦本身的地質特點也給鉆井施工帶來了嚴峻挑戰。

2.1 地層復雜，容易造成井下復雜情況

楚州儲氣庫鉆井時，表層為不成巖黏土，容易造成井口塌陷。第一次開鉆的施工層段為東臺組、鹽城組泥巖，容易縮徑，流沙層容易垮塌。鹽城組與赤山組之間有斷層且新老地層交界，容易產生漏失和地層失穩現象。赤山組、浦口組發育大段泥巖，地層較硬，機械鉆速較低。第二次開鉆的施工層段浦口組發育大段泥巖，機械鉆速低。浦三段中下部含石膏團塊或石膏線，鉆井液易受鈣污染。鉆遇純鹽段時，鹽層易溶蝕擴徑，且中間夾大量泥巖，易蠕變縮徑且泥巖容易因鹽的溶蝕失去支撐而垮塌，造成井下復雜情況[8-9]。

2.2 井身質量要求高

鹽穴儲氣庫井身質量要求1 000 m內最大井斜不超過2°，1 000 m以后最大井斜不超過1.5°，井徑擴大率不能超過10%。此外，楚州儲氣庫受夾層多、新老地層交接面的影響，防斜打直難度大。直井全井段全角變化率要求小于1.25°/30 m。若全角變化連續3個點超標，則判為不合格井。

2.3 鉆井液維護困難

鉆井時上部東臺組、鹽城組、赤山組成巖性差，膠結疏松，鉆井液容易漏失。鹽城組中下部的黏土容易造漿，浦三段中下部石膏團塊中的鈣也會污染鉆井液。浦二段含有芒硝層，其受溫度影響溶解度變化大，鉆井液在下部層段可能欠飽和，但循環至上部層段又可能結晶，造成摩阻大甚至卡鉆[10-11]。這些因素都增加了鉆井液處理維護的難度。

2.4 一次封固段長，固井難度大

鹽穴儲氣庫固井時要求水泥返至地面[12]。楚州儲氣庫生產套管平均下深在1 800 m左右，一次封固段長，上部承壓能力低，在施工過程中容易產生漏失現象，難以保證水泥漿上返至地面。同時上部封固段鹽層厚度超過600 m，固井時鹽層溶解，鹵水進入水泥漿，造成水泥漿總體積減小，導致上部水泥漿回落，蓋層和泥巖層的封隔質量受到影響。鹽層部位的水泥漿也由于受到侵蝕，水泥漿稠化時間受鹽層溶解的影響會大幅度延長，無法形成良好的水泥環，水泥與井壁間膠結質量差[13-16]。另外鹽穴儲氣庫井眼尺寸較大，由于地層復雜容易形成井徑不規則井段，固井頂替效率也難以保證。

2.5 環保要求高

近年來，政府越來越重視工程建設中的環保工作，且楚州儲氣庫地處經濟發達的江蘇地區，百姓的環保意識更為強烈，企業擔負的環保責任也對本地區的鉆井工作提出了更高的要求。

3 鉆井技術對策

3.1 大井眼防斜優快鉆井技術

與常規油氣井相比，鹽穴儲氣庫井眼尺寸大，鉆井液環空返速偏低，攜砂困難。此外受夾層多、新老地層交接面和地層傾角的影響，防斜打直難度大。為此，根據地層巖性特點選用19 mm復合片五刀翼PDC鉆頭施工，第一次開鉆井段采用鐘擺降斜鉆具組合[17-18]，同時保證鉆井液排量不小于40 L/s、鉆進50 m左右，單點測斜1次，保證井斜達標。第二、三次開鉆下入“PDC＋螺桿＋穩定器”的塔式鐘擺鉆具組合，在施工中采用MWD儀器實時監測井身軌跡做好防斜打直工作，確保井身質量達標。

為減小井徑擴大率，施工中做到均勻送鉆，嚴禁定點循環，防止出現大井眼。針對鹽城組與赤山組之間有斷層且新老地層交界、井眼易漏失和失穩的特點，施工時嚴格控制鉆壓，處理好地層交界面，做好防斜打直工作。針對赤山組、浦口組發育大段泥巖、地層硬、機械鉆速較低的特點，施工時以井下安全為主，不求速度，安全穿過了這一地層。

3.2 鉆井液技術

鉆進時采用分井段鉆井液保證井壁穩定，確保井徑規則，各井段鉆井液方案如表2所示，鉆井液設計參數如表3所示。

表2 不同井段鉆井液方案表

第一次開鉆鉆進時針對上部地層成巖性差、易滲漏和垮塌的特點，鉆井液中加入零濾失井眼穩定劑、單向壓力封閉劑，并配合使用超細碳酸鈣隨鉆堵漏，防止滲漏。鹽城組中下部地層含造漿黏土，應加足抑制包被劑做好抑制造漿處理。鹽城組與赤山組之間有斷層且新老地層交界，若鉆進中出現漏失和地層失穩情況，應及時補充防塌劑，并提高鉆井液密度至設計上限，防止井壁坍塌。若鉆井液流變性能發生變化，可通過稀釋劑來調整。

第二次開鉆鉆至進入鹽層前將鉆井液轉換為聚合物飽和鹽水潤滑鉆井液體系[19-21]，由于鹽的加入及地層中鹽的溶解進入，鉆井液pH值降低，應及時補充燒堿，保持鉆井液體系的pH值。定期對鉆井液中Clˉ含量進行監測，保證Clˉ含量維持在180 000 mg/L以上。加入抗鹽結晶劑防止鹽的重結晶而發生井下復雜情況。為抵抗鹽水鉆井液對管具材料及循環系統的腐蝕，在鉆井液中添加適量的防腐劑。同時根據鹽巖的蠕變情況，及時調整鉆井液密度。

第三次開鉆鹽層段，盡管飽和鹽水鉆井液抗污染能力很強，但無法除去掃塞過程中鉆井液中的鈣離子，因此，鉆進時仍按常規進行抗鈣、除鈣處理[22]，恢復其原有性能。

3.3 固井技術

楚州鹽穴儲氣庫固井難度主要體現在篩選穩定性好的抗鹽水泥漿配方、提高大尺寸井眼段的頂替效率、防止上部地層的漏失以及防止環空憋堵等方面。

3.3.1 應用抗鹽水泥漿體系

為保證楚州儲氣庫鹽層段的固井質量以及水泥環的長期密封性能，在借鑒國外鹽穴儲氣庫和其他鹽穴儲氣庫成功固井經驗的基礎上，確定楚州儲氣庫固井時采用DRB-3S+JSS抗鹽水泥漿體系，此水泥漿體系在金壇鹽穴儲氣庫、平頂山鹽穴儲氣庫、淮安鹽穴儲氣庫已經成功應用[23-24]。

表3 鉆井液性能參數表

3.3.2 提高頂替效率

楚州儲氣庫生產套管固井時采用鹵水作為沖洗液來保證沖洗液與鉆井液的相容性及井壁穩定。同時為了增加鉆井液與水泥漿的相容性，增加接觸時間，有效驅替及攜帶環空中的稠化鉆井液及浮濾餅，在注入要求密度的水泥漿前打入1.70～1.75 g/cm3的低密度水泥漿來隔離和緩沖鉆井液和水泥漿。固井時中間漿密度介于1.85～1.90 g/cm3，尾漿密度介于1.90～1.95 g/cm3。

3.3.3 防漏、防憋堵

楚州鹽穴儲氣庫由于地層承壓能力低等原因，在替漿過程中可能發生漏失現象。封固段長加上低壓漏失層的存在，這給固井的替凈工作造成了極大的困難。為此，固井前需對上部地層的承壓能力進行測試，同時充分循環鉆井液來調整鉆井液性能，增加流動性。

施工時采用DRY-S增黏型隔離液，該隔離液在低溫下增黏劑和懸浮劑易溶解、隔離液的黏度易調整，可防止不規則環空中鉆屑沉積引起的環空憋堵問題。

3.4 鉆井液不落地技術

鉆井液是鉆井過程中的主要污染物，對此楚州儲氣庫鉆井時采用鉆井液不落地技術，對鉆井作業產生的廢棄鉆井液進行固液分離，分離出的液相部分排到均質調節罐回用，部分轉運；分離出的固相與鉆屑一起轉運，進行固化處理。處理工藝流程如圖1所示。

圖1 鉆井液不落地處理工藝流程圖

4 應用實例

C1、C2、C3井是楚州儲氣庫采用上述技術新完鉆的3口井，其中C3井已投入造腔。從3口井實鉆的井身結構、鉆井方式、鉆井液使用、固井等技術驗證鉆井技術方案的合理可行性，具體施工過程以C3井為例，其井身結構如圖2所示。

圖2 C3井井身結構圖

C3井為楚州儲氣庫張興礦區的第1口資料井，設計井深2 700 m，為取全鹽層資料，實際井深2753 m。施工除正常第一、二、三次開鉆外，還進行了取心、地應力測試、靜置7 d測井溫、VSP測井、非造腔段封堵、造腔段擴眼、井筒氣密封試壓等工序，并進行了12次測井，所有工序及測井均一次成功，未發生任何井下復雜情況。全井施工周期162 d，平均機械鉆速3.59 m/h。第一次開鉆平均井徑為487.04 mm，第二次開鉆平均井徑為333.56 mm，第三次開鉆平均井徑為235.53 mm。

C3井施工中優選塔式鐘擺鉆具組合施工，第一次開鉆鉆具組合為：?444.5 mm鉆頭+ ?228.6 mm DC×3根 + ?203 mm DC×3根 + ?177.8 mm DC×3根+ ?158.8 mm DC×15根+ ?127 mm DP（備注：DC表示鉆鋌，DP表示鉆桿，以下相同）；第二次開鉆非鹽層鉆進：?311.1 mm鉆頭+ ?203 mm DC×3根+ ?177.8 mm DC×15根+ ?127 mm DP；鹽層鉆進：?311.1 mm鉆頭+ ?177.8 mm DC×18根+ ?127 mm DP；第三次開鉆：?215.9 mm鉆頭+ ?172 mm 螺桿 1根 + ?165 mm DC×5根 + ?127 mm DP(加重 )×15 根 + ?127 mm DP。

在施工中嚴格按照鉆井工程設計做好定點測斜工作，同時根據測斜數據及時調整鉆井參數，井身質量符合設計要求如表4所示，井眼軌跡如圖3所示。

表4 C3井井身質量表

圖3 井身垂直剖面投影圖

為保證鉆井液及時將巖屑攜帶出井外，防止沉砂卡鉆，保持井壁穩定，降低摩阻，施工中采取了以下措施：①在大井眼段堅持雙泵循環鉆進，保證鉆井液能及時攜帶出井底巖屑；②鉆進時補充足量的提黏劑，增強鉆井液的懸浮攜帶能力；③保持鉆井液的強抑制性，加入足量的降濾失劑，提高黏度，從化學方面防塌；④充分利用固控設備，降低鉆井液中有害固相和含砂，確保井眼干凈清潔，降低摩阻。通過這些鉆井液處理措施很好地配合了鉆井施工，保證了安全高效鉆進，鉆井液實際性能參數如表5所示。

C3井表層套管采用內插法固井，采用常規密度低溫早強穩定性好的水泥漿，切實保證套管鞋處及上部井段的固井質量，第一次開鉆固井難度相對較小。生產套管固井采用常規固井方法，減少套管內水泥漿與鉆井液的混竄。采用高早強穩定性好的鹽水水泥漿體系，以保證裸眼段及套管重合段的固井質量，固井施工過程如表6所示。

候凝72 h后進行固井質量測井，固井質量合格，并對井筒進行了氣密封試壓，24 h后氣液界面由1804.16 m降低至1 803.89 m，井口環空壓力由21.29 MPa降低至21.22 MPa，井筒氣密封試壓合格，C3井能夠滿足鹽穴儲氣庫對密封性的要求。

C3井在鉆井時隨鉆收集鉆井廢水和巖屑，通過泥漿不落地設備實現固液分離，液相收集后回用或者拉運至有資質的污水處理廠進行深度處理達標排放，固相則通過加入水泥、固化劑、pH調節劑等后，在處理罐內實施無害化處理，拉送至指定地點填埋，實現了鉆井廢棄物與土壤隔離，未造成任何現場污染。

5 結論

1）使用鐘擺鉆具組合，配合MWD隨鉆監測，能夠有效應對楚州地區地層，控制井斜，保證井身質量，實現高效鉆進。

2）采用分段鉆井液，在鉆進過程中加強監測，及時調整鉆井液性能，嚴格控制鉆井液濾失量，改善濾餅質量，提高懸浮、攜帶能力，保證正常鉆進。

3）采用DRB-3S+JSS抗鹽水泥漿體系，配合合適的頂替排量以及三段制水泥漿的液柱結構，可以有效提高頂替效率，保證固井質量。

4）鉆井時采用鉆井液不落地設備，進行固液分離及無害化處理，能夠保證鉆井液、巖屑不落地，達到地方環保部門要求。

表5 鉆井液實際性能參數表

表6 C3固井施工流程表

5）通過3口井的現場成功應用，證明制定的技術對策可行，能夠有效保證楚州鹽穴儲氣庫鉆井施工的質量和安全。