金壇鹽穴儲氣庫定向井提高鹽巖利用率研究與應用

莊曉謙 夏焱 袁光杰 付盼 李景翠 王元慶 路立君

1. 中國石油集團工程技術研究院有限公司；2. 華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司

鹽穴地下儲氣庫是利用地下較厚的鹽層或鹽丘，采用人工方式在鹽層或鹽丘中水溶形成洞穴儲存空間來存儲天然氣，是儲氣庫主要類型之一。鹽穴儲氣庫的類型主要有3 種：薄鹽層中的巷道式鹽穴腔體，多夾層巖鹽中的倒梨形腔體和鹽丘中的圓柱形腔體，其建造技術在國外已是一種比較成熟的應用技術［1-3］。金壇鹽穴儲氣庫為我國第1 個鹽穴地下儲氣庫，建庫時間已有10 余年。建庫初期，考慮到施工難度，且國內鹽穴建庫的實施經驗尚不豐富，因此前期常規鹽穴注采井的鉆井井型一般為直井。直井井型在金壇地區已實施了60 余口，其中有部分井已注氣排鹵完畢，進入了注采氣運行階段。實踐證明，直井的鉆井方式基本能夠滿足鹽穴儲氣庫建庫的需要。但是，在可行性設計中，由于采用直井鉆井，在設計探勘階段和實施征地階段，處處受制于地表條件，導致鹽礦資源得不到充分的利用。

為此，在金壇鹽穴儲氣庫茅興礦區嘗試進行叢式布井試驗，在原可行性設計井網、井距基礎上，對可行性方案中的設計井進行調整，設計一直井多定向井于一個井場內，直井和斜井相結合，以期在有限的礦區面積內，增強后期溶腔、注采氣集輸作業工作的高效管理和安全控制，使鹽層資源得到更有效的利用，最終形成更高效的鹽穴儲氣庫建設方案。

在國內湖北云應、河南平頂山等鹽穴儲氣庫，曾經采取定向鉆水平井的方式進行鹽穴注采井的鉆井作業［4-5］，即鹽穴雙井單腔形式，其特點是雙井建腔，鉆兩口井用于建同一個鹽腔，連通后一注一采進行造腔作業；而筆者所述定向注采井為單井單腔形式。由于井型不同，后期造腔和注采工藝不同，這兩種建腔形式對鉆井的設計和施工的要求差別明顯。

采用叢式井的方式，通過定向注采井單井建造鹽腔，相關工作在國內為首次開展。在十余年的鹽穴儲氣庫設計和實施經驗基礎上，經過攻關研究和分析，提出了有效的設計方案和研究結論。

1 金壇鹽穴儲氣庫定向注采井設計方案

金壇鹽礦區地層系統有元古界的震旦系，古生界的寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系，中生界的三疊系、侏羅系、白堊系及新生界的第三系和第四系。建庫地區鹽巖層比較穩定，建庫前期采用均勻布腔、局部調整的原則，在三角形和正方形布腔2 種布腔方式中，選擇三角形布腔，腔距要求210～250 m。

金壇鹽穴儲氣庫注采井井身結構一般為二開，一開封固第三系三垛組下部玄武巖易漏地層，鉆穿玄武巖底后至少15 m 完鉆。考慮到茅興區塊地層特點，距玄武巖底以下大約30～80 m 井段鉆井過程中垮塌比較嚴重，因此一開深度適當加深。生產套管下入深度以滿足造腔工程需要確定(圖1)。

圖1 金壇儲氣庫典型定向注采井井身結構示意圖Fig. 1 Schematic well structure of typical directional injection/production well in Jintan gas storage

2 井眼軌道優化設計與分析

茅興區塊儲氣庫注采井井場采用叢式布井的方式，將多口注采井的井口布置于同一井場，基于鹽穴儲氣庫井對井身結構的特殊要求，單井采用5 段制的基本設計型式，通過一段增斜段、一段穩斜段和一段降斜段，使處于同一井場的井形成的鹽腔，滿足鹽穴溶腔在地層中的分布要求。

2.1 井眼軌道設計難點

茅興鹽礦區內的巖鹽層埋深大約在790～930 m，針對埋深較淺的巖鹽層，要滿足鹽穴儲氣庫布井間距要求的定向鉆井(水平間距210 m 以上)存在一定難度，主要體現在以下方面。

(1)井眼軌道方案確定。表層套管要求封固玄武巖易漏地層，導致注采井表層套管下入較深。由于造腔和注采需要，一開表層套管尺寸較大，為?339.7 mm，使用鉆頭直徑為444.5 mm，如果在一開開始造斜，鉆進造斜比較困難；如果水平位移的要求均在二開井段實現，雖然避免了大尺寸增斜鉆進的問題，但由于底部目的層鹽層上部還要求一定長度的垂直段，完成鹽穴儲氣庫注采井水平位移要求的井段則集中在垂深很窄的范圍。這對造斜率和最大井斜角等參數影響很大，對后期的造腔和注采同樣會造成嚴重影響。

(2)斜井大直徑套管下入問題。井斜大時摩阻較大，需要在軌道設計時考慮后期套管的下入難度。

(3)鹽穴儲氣庫注采井對軌跡的特殊要求。鹽穴儲氣庫注采井鉆井完成后，后續大量的時間用于造腔，造腔過程需起下造腔管柱；而造腔完成后的注采氣運行階段也需下入注采管和排鹵管進行注氣排鹵。此外，造腔及注氣排鹵過程下入的工具也對井斜等參數有要求，因此井身軌跡對這些施工過程都會造成影響，前期軌道設計必須考慮這些因素。

2.2 造斜率的確定

國外資料顯示，在鹽穴儲氣庫常見的深度范圍內，定向井造斜率最大為4.5°左右［6］，金壇定向井目前常用3°左右的造斜率，對于金壇特定的地質情況可滿足工程需要。其他區塊，針對不同井位的地質工程需求，結合地面情況，在定向工具滿足要求情況下，造斜率可以適當增大，但一般不宜超過3.5°。

2.3 最大井斜角的確定

最大井斜角的限制，體現在后期造腔工程和注采運行中測井儀器的下入限制，如果井斜過大，測井儀器無法順利下入，后續作業難以正常進行。

2.4 螺桿鉆具優選

金壇區塊定向注采井鉆井初期，一開二開均采用1.25°的螺桿鉆具，定向過程順利，但是從效果來看，對井徑擴大率造成了一定影響，初期井徑擴大率較高，井身質量略差，給后期固井作業增加了難度。

經過分析研究，將二開使用的螺桿鉆具由1.25°調整為1°，結合其他工藝措施，井徑擴大率有一定程度的降低，井身質量有所提高。

2.5 最大水平位移的限制

國外定向注采井的設計實施經驗是：為保證井下電纜及工具能夠正常操作，依據現有技術，水平位移不應超過1 000 英尺，即305 m［6］，此時最大井斜角將達到41°左右。當井深較淺，而水平位移要求較大時，一方面需要保證鹽層頂部以上一定長度的垂直井段，另一方面，造斜點位置還受地層等因素制約，因此水平位移最大值將存在一個極限，以避免最大井斜角過大導致的問題。

對于金壇茅興區塊，由于前述地層方面的特點，造斜點深度、穩斜段長度、降斜點深度以及降斜結束深度都存在一定限制，最大水平位移受其影響，目前的設計方案以不大于250 m 為宜。從鹽腔分布的角度，此深度已基本滿足區塊布腔的距離要求。

2.6 套管下入分析

金壇儲氣庫二開井段需要在?311.2 mm 井眼下入?244.5 mm 套管。考慮到二開套管管徑較大，在最大井斜角約30°的井眼中，套管能否順利下入至設計井段，需要對下套管摩阻進行計算分析。使用Landmark 鉆井設計軟件進行一開和二開下套管摩阻分析，并以此為依據，對設計方案的軌道進行進一步優化。模擬結果表明，一開及二開套管均可順利下入，且下入過程中不會發生應力破壞。

2.7 定向注采井井型對后續作業的影響

定向注采井井筒呈“S”形，造腔過程相對直井井筒存在以下不同：(1)循環通道存在一定曲率，摩阻相應增大；(2)多次下入和起出造腔管柱，對生產套管易造成損傷，需要對套管采取保護措施；(3)造腔管柱隨井筒彎曲存在一定曲率，受力狀態更復雜。

注采過程也將造成以下影響：(1)注采管柱工具附件下入對井筒曲率提出一定的要求，最大井斜不應超過35°；(2)排鹵管彎曲可能加重注氣排鹵時管內壁的結晶結垢程度。

針對上述可能產生的影響，前期鉆井工程應提出對應的工藝措施，并在造腔、注采工程的方案設計時考慮井斜對工程的影響。

2.8 參數優化結果

(1)定向井軌道設計優化參數應根據區塊地層情況和地面條件，結合現有定向工具情況綜合確定。不同區塊地層情況和地面條件存在差異，但均應滿足布腔間距的要求，同時以保證現場施工順利和氣庫長期穩定安全為設計的基本原則。就金壇區塊而言，軌道設計方案推薦二開井身結構，造斜段位于一開，降斜段位于二開，穩斜穿過玄武巖段。軌道參數中，以造斜率不超過3.5°、最大井斜角不超過30°、水平位移不超過250 m 為宜。

(2)井身結構設計除考慮常規鹽穴儲氣庫井設計因素外，還應結合定向注采井的軌跡情況綜合確定。由于鹽穴儲氣庫井的井筒尺寸往往較大，在進行定向鉆進及下套管作業前，應對區塊典型井進行必要分析論證，避免在施工階段出現復雜情況。

(3)細致的控制管理措施與技術要求在施工中的精確實施，是保障建庫效果的關鍵。鹽穴儲氣庫井的井身質量要求較高，而定向注采井的井筒特點又對井身質量和井筒密封性提出了更高的要求，一方面需要對設計和施工中的各個方面進行優化；另一方面，針對施工過程，應制訂明確的施工措施，細化達到技術要求需要采取的管理手段，以保證實施效果符合設計目的。

3 現場應用

金壇鹽穴儲氣庫規劃鹽穴定向注采井約50 口，每個井場1～4 口井，目前完鉆18 口井，部分定向井軌跡見圖2。定向鉆井使同區塊布井數量較初步設計增加60%以上，大大增加了鹽巖資源的利用率，擴充了鹽穴儲氣庫的總庫容量和有效工作氣量，同時也提升了鹽礦企業的采礦率等重要生產指標。

圖2 金壇儲氣庫部分定向井軌跡Fig. 2 Trajectory of some directional wells in Jintan gas storage

定向井在此區塊的成功應用，解決了本區塊難以獲批地面新井場的難題，同時降低了新井場選擇難度，擴大了地面可布井范圍，為鹽穴儲氣庫已有區塊加密布新井，提出了新的思路和方法。

4 結論

(1)采用叢式定向井井型鉆探鹽穴儲氣庫注采井，在目前國內鹽層建庫條件下是可行的，且具有靈活、經濟、鹽巖資源利用率高的優勢，后期鹽穴建庫應推廣這種方式。

(2)在金壇地區鹽穴儲氣庫建庫地質條件下，一開?444.5 mm 鉆 頭 下 入?339.7 mm 套 管，二 開?311.2 mm 鉆頭下入?244.5 mm 套管，此種類型的大尺寸井眼進行定向鉆完井是可以順利實現的，其他區塊也可以在條件允許的情況下進行類似實驗。這有利于拓寬對大尺寸井眼定向鉆井的認識。

(3)目前國內已鉆探部分鹽穴定向注采井，這部分井的造腔工程已開始逐步實施，注采工程由于整體工程進度的順序性還尚未開展。隨著建庫工程的逐步推進，與定向井井型相關的新問題，在以后的工程實施中，將逐步顯現和解決，最終形成成熟的鹽穴儲氣庫定向鉆完井技術。