楚州鹽礦建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫配套鉆井技術(shù)研究

薛 雨，王立東，王元?jiǎng)?，王曉剛，?崗，張新悅

（中國石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司儲(chǔ)氣庫項(xiàng)目部，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

由于鹽穴儲(chǔ)氣庫具有注采靈活，單井吞吐量大、墊氣量小且可回收、儲(chǔ)氣損失小等優(yōu)點(diǎn)[1，2]，國內(nèi)各地都在大力開展鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)[3-7]。楚州鹽礦位于江蘇省淮安市淮安區(qū)（原楚州區(qū)），距冀寧聯(lián)絡(luò)線楚州分輸站7 km，距離在建的中俄東線天然氣管道61 km，礦區(qū)內(nèi)便利的公路、水路運(yùn)輸也為鹽礦的開發(fā)提供了有利條件。楚州鹽礦建成地下儲(chǔ)氣庫后，不但能參與中俄東線和冀寧聯(lián)絡(luò)線的調(diào)峰和應(yīng)急供氣，更能保證長三角和環(huán)渤海地區(qū)的天然氣供應(yīng)[8]，具有重要建設(shè)意義。鉆井工程是鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此有必要對楚州鹽礦建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫過程中的鉆井技術(shù)進(jìn)行研究，以達(dá)到提高鉆井效率，縮短鉆井周期的目的。

1 地質(zhì)概況

楚州鹽礦地層從上到下可分為第四系東臺組、第三系上統(tǒng)鹽城組、白堊系上統(tǒng)赤山組和浦口組[9]。浦口組地層可分為三段，其中浦二段上鹽亞段第三巖性組合含鹽厚度大，含礦率高，為儲(chǔ)氣庫建設(shè)的主要目的層段。結(jié)合鉆井資料以及二、三維地震勘探結(jié)果，楚州儲(chǔ)氣庫將分為張興和楊槐兩個(gè)區(qū)塊建設(shè)。張興區(qū)塊造腔層位為第三巖性組合7～9鹽群，鹽層頂板平均埋深為1 400 m；楊槐區(qū)塊造腔層位為第三巖性組合1～5鹽群，鹽層頂板平均埋深為1 900 m。

2 配套鉆井技術(shù)研究

2.1 井型優(yōu)選

鹽穴儲(chǔ)氣庫在建設(shè)中可以采用單井單腔、單井雙腔和雙井單腔三種井型。目前國內(nèi)外最常用的是單井單腔模式，雖然周期相對長一些，但技術(shù)成熟，可靠性高。單井雙腔目前國內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氣庫還未嘗試過，只在采鹽作業(yè)中有過類似方式。雙井單腔已在云應(yīng)鹽穴儲(chǔ)氣庫開展先導(dǎo)性試驗(yàn)[10]，有初步的鉆井實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，但造腔才剛剛開始，實(shí)施經(jīng)驗(yàn)少，注采無實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，在腔體形態(tài)控制、頂板保護(hù)、造腔工藝、后續(xù)的注采運(yùn)行及安全性等方面雙井單腔存在的許多問題還不明了。因此楚州鹽礦在建設(shè)儲(chǔ)氣庫鉆井時(shí)仍采用最成熟的單井單腔方式。

2.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)選

2.2.1 井身結(jié)構(gòu) 鹽穴注采氣井井身結(jié)構(gòu)不同于枯竭油氣藏，必須同時(shí)滿足注采、造腔和鉆井安全的需要。根據(jù)金壇、云應(yīng)、淮安、平頂山等已建和在建的鹽穴儲(chǔ)氣庫經(jīng)驗(yàn)，目前鹽穴儲(chǔ)氣庫主要有二開和三開兩種井身結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)井如果采用三開井身結(jié)構(gòu)，在實(shí)際生產(chǎn)中容易存在以下幾個(gè)問題：（1）三開目的層井徑只有φ215.9 mm，井徑偏小，下步造腔中需要使用的油水界面儀下入困難，而且易掛靠損壞；（2）井徑偏小使作業(yè)過程相對困難，如造腔中起下管柱作業(yè)、聲吶測腔作業(yè)施工等，環(huán)空間隙小還使界面測井儀器數(shù)據(jù)識別難度增大；（3）三開后如果擴(kuò)眼，則施工困難，成本高；而且擴(kuò)眼后的井徑也相對二開井要小。因此，注采氣生產(chǎn)井從減少施工程序，縮短鉆井周期以及為后續(xù)的造腔過程提供條件等角度考慮，楚州鹽礦在建庫過程中仍然采用常用的二開井身結(jié)構(gòu)。取心井出于獲取區(qū)塊資料的需要，一般在蓋層和目的層會(huì)有長段取心作業(yè)，以及地層的多次承壓試驗(yàn)，則選擇采用三開結(jié)構(gòu)能夠更好地維持井眼的穩(wěn)定性。

2.2.2 套管尺寸 綜合考慮目前國內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)現(xiàn)狀及當(dāng)前技術(shù)情況，楚州鹽穴儲(chǔ)氣庫采用常規(guī)的尺寸，即生產(chǎn)套管尺寸為Φ244.5 mm，表層套管尺寸為Φ339.7 mm。

2.2.3 完鉆井深 楚州鹽穴儲(chǔ)氣庫的鹽層總厚度較大，達(dá)到230 m，主要集中在浦口組浦二段上鹽亞段。張興區(qū)塊造腔層位為第三巖性組合7～9鹽群，鹽群平均埋深為1 400 m～1 630 m；楊槐區(qū)塊造腔層位為第三巖性組合1～5鹽群，鹽群埋深平均為1 900 m～2 130 m。因此在楚州建庫有兩種建腔方案，張興區(qū)塊目的層段鹽底為1 630 m，最終完鉆層位確定為距造腔目的層段鹽層底板5 m的位置，即裸眼完成井段鉆深為1 625 m。楊槐區(qū)塊的目的層段鹽底確定為2 130 m，最終完鉆層位確定為距造腔目的層段鹽層底板5 m的位置，即裸眼完成井段鉆深為2 125 m。

2.2.4 套管下深 根據(jù)楚州鹽礦的地層巖性，上部地層?xùn)|臺組含有礫質(zhì)砂巖，鹽城組含有中細(xì)砂巖、含礫砂巖，赤山組含有砂質(zhì)泥巖夾細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，浦三段含有粉砂質(zhì)泥巖、泥巖與粉砂巖互層。上述地層易漏，必須進(jìn)行封堵。因此有必要下入表層套管封堵上述地層，參考老井資料，表層套管下入深度為進(jìn)入浦三段70 m，張興區(qū)塊表層套管下深455 m，楊槐區(qū)塊表層套管下深520 m。生產(chǎn)套管鞋一般進(jìn)入鹽層15 m～20 m。楚州鹽穴儲(chǔ)氣庫的造腔目的層厚度較大，根據(jù)地質(zhì)要求，生產(chǎn)套管的下深以不少于20 m為準(zhǔn)。依據(jù)上述基本原則和造腔層段的位置確定了張興區(qū)塊和楊槐區(qū)塊生產(chǎn)套管下深分別為1 420 m和1 920 m。張興和楊槐區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)（見圖1）。

2.3 鉆具組合及鉆井參數(shù)優(yōu)選

2.3.1 鉆具組合優(yōu)選 鹽穴儲(chǔ)氣庫在鉆井時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)：（1）表層井眼要鉛直確保井口裝置平正；（2）二開鹽巖層段以上，地層傾角小，采用塔式或鐘擺鉆具結(jié)構(gòu)，確保鹽巖層上部井眼垂直；（3）鹽巖層蠕變縮徑，采用簡化的鉆具結(jié)構(gòu)，防止卡鉆；（4）根據(jù)井下情況，需要隨時(shí)加入減震器和隨鉆振擊器；（5）為保證井身質(zhì)量檢測準(zhǔn)確性，要求盡量在靠近鉆頭上部使用一根無磁鉆鋌。

根據(jù)以上原則，楚州儲(chǔ)氣庫鉆井時(shí)一開鉆具組合為：φ444.5 mm 鉆頭+φ228.6 mmDC×3根+φ203 mmDC×3根+φ177.8 mmDC×3 根+φ158.8 mmDC×15 根+φ127 mmDP（備注：DC-鉆鋌，DP-鉆桿，以下相同）；二開鉆具組合為：φ311.1 mm鉆頭+φ203 mmNMDC×1根+φ203 mmDC×1根（或 2根）+φ310 mm 扶正器+φ203 mmDC×3根+φ177.8 mmDC×3根+φ158.8 mm 鉆鋌×12根+φ127 mmDP。

如所鉆的井為取心井時(shí)，生產(chǎn)套管固井后的三開鉆進(jìn)過程，可能會(huì)對生產(chǎn)套管鞋附近的固井質(zhì)量存在影響，在三開鉆進(jìn)時(shí)推薦使用井下動(dòng)力鉆具，或者在鉆具上添加防磨套，降低鉆進(jìn)過程對生產(chǎn)套管鞋處固井質(zhì)量的影響。

2.3.2 鉆頭優(yōu)選 可通過對地層可鉆性劃分，優(yōu)選鉆頭[11]，主要使用鋼齒或鑲齒牙輪鉆頭。鋼齒鉆頭單位時(shí)間切削量比鑲齒鉆頭大，價(jià)格低，適用于軟～中硬地層，缺點(diǎn)是壽命短，不適合硬地層。鑲齒鉆頭壽命長，價(jià)格高于鋼齒，地層適應(yīng)性強(qiáng)。楚州鹽礦上部地層以中細(xì)砂巖、含礫砂巖為主，中部和下部以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、鹽巖為主，可鉆性比較好。因此，一開以上用鋼齒鉆頭，二開以下用鑲齒鉆頭。

2.4 鉆井液優(yōu)選

2.4.1 鉆井液密度的確定 上部井段鉆井液必須具有防漏失性能，防止東臺組、鹽城組地層中的含砂質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖在鉆井過程中發(fā)生漏失；根據(jù)楚州鹽礦的埋深特點(diǎn)以及實(shí)鉆情況，一開鉆井液密度控制在1.10 g/cm3～1.15 g/cm3范圍內(nèi)。二開中部井段為淡水鉆井液向飽和鹽水鉆井液的轉(zhuǎn)化階段，通過循環(huán)周連續(xù)緩慢地加入NaCl，逐步達(dá)到飽和鹽水鉆井液的各項(xiàng)性能。二開下部井段及鹽層段，采用能夠防止鹽巖地層溶蝕及蠕變的飽和鹽水鉆井液[12]，鉆井液密度1.3 g/cm3～1.35 g/cm3。

圖1 楚州儲(chǔ)氣庫井身結(jié)構(gòu)

2.4.2 鉆井液體系的確定 依據(jù)楚州地層特征，經(jīng)C1井鉆井實(shí)踐，初步確定一開采用聚合物鉆井液體系，二開中部井段使用鹽水聚合物鉆井液，進(jìn)入鹽頂以上200 m左右完成鹽水聚合物鉆井液向飽和鹽水型鉆井液的轉(zhuǎn)換，二開下部井段及三開使用飽和鹽水型鉆井液。

2.4.3 鉆井液性能要求

（1）上部井段：上部井段井眼尺寸相對較大，應(yīng)重點(diǎn)解決大井眼攜砂問題；推薦使用聚合物鉆井液體系，對易造漿地層建議使用抑制性較強(qiáng)的KPAM，以保持鉆井液良好的流變性能。

（2）鹽層段：鉆井液密度（1.3 g/cm3～1.35 g/cm3）；控制好鉆井液的濾失量；保持Cl-濃度大于1.8×105mg/L，跟蹤檢測Cl-濃度，必要時(shí)采取相應(yīng)措施。

2.4.4 固相控制措施 二開以后井段保證固控設(shè)備（振動(dòng)篩、除砂器、離心機(jī)、除泥器）運(yùn)轉(zhuǎn)正常，降低鉆井液中的劣質(zhì)土含量和鉆屑含量，以保證鉆井液流變性易于調(diào)整。

2.5 固井工藝技術(shù)

2.5.1 套管材質(zhì)及扣型優(yōu)選 楚州儲(chǔ)氣庫作為中俄東線配套儲(chǔ)氣庫，其來源氣中CO2含量最高為0.06 mol%，無H2S。鹽穴儲(chǔ)氣庫運(yùn)行壓力區(qū)間為張興區(qū)塊 10 MPa～23 MPa，楊槐區(qū)塊13 MPa～32 MPa。根據(jù)CO2含量以及運(yùn)行壓力生產(chǎn)套管選用普通碳鋼即可。綜合考慮套管強(qiáng)度的要求，張興區(qū)塊和楊槐區(qū)塊分別選用80T和P110TT鋼級的套管。

對于楚州鹽穴儲(chǔ)氣庫使用的生產(chǎn)套管，要求其連接絲扣必須具有氣密性，而且由于來源氣中含有一定量的CO2，因此絲扣還必須具有抗黏扣的性能。由此，必須使用特殊絲扣才能滿足這些要求。推薦選用的氣密扣類型為：NK-3SB、VAM-TOP、寶鋼BGT、VAGT扣等。

2.5.2 固井難點(diǎn)分析 鹽穴儲(chǔ)氣庫的水泥漿要求與常規(guī)油氣井和采鹵井有很大不同，其技術(shù)難度非常大，主要有：固井時(shí)鹽層溶解，鹵水進(jìn)入水泥漿，由于偏摩爾量變化造成水泥漿總體積減少，導(dǎo)致上部水泥漿回落，蓋層和泥巖層的封隔質(zhì)量受到影響。同時(shí)，鹽層部位的水泥漿也由于受到侵蝕，稠化時(shí)間大大延長，抗壓強(qiáng)度發(fā)展緩慢，本身的膠結(jié)也減弱。油氣井的壓力在固井后逐步降低，而儲(chǔ)氣庫的壓力則是周期性變化[13]。水泥石的膠結(jié)承受交變應(yīng)力的影響。鹽水水泥漿與低礦化度的地層水之間，由于擴(kuò)散作用將產(chǎn)生物質(zhì)交換，造成水泥石強(qiáng)度隨時(shí)間衰竭快。溶腔逐步擴(kuò)大后，由于地層壓力變化，可能沿膠結(jié)面產(chǎn)生裂縫，造成地層水倒灌入井和井口冒鹵；當(dāng)轉(zhuǎn)為儲(chǔ)氣后，井口會(huì)泄漏天然氣。另外，鹽穴儲(chǔ)氣庫井眼尺寸較大，固井頂替效率難以保證。

2.5.3 固井施工工藝 針對楚州地層和鹽穴儲(chǔ)氣庫注采井的特點(diǎn)，采取的提高固井質(zhì)量的工藝措施有：表層套管采用內(nèi)插法固井，生產(chǎn)套管采用常規(guī)固井方式。生產(chǎn)套管下入時(shí)，應(yīng)逐根進(jìn)行氦氣氣密封性檢測，以確保生產(chǎn)套管柱螺紋氣密封性。

采用兩種水泥漿體系，鹽巖層以上用常規(guī)水泥漿體系，鹽巖層采用半飽和鹽水水泥漿體系。水泥漿配方必須按規(guī)范在室內(nèi)進(jìn)行嚴(yán)格篩選，固井前取現(xiàn)場配漿水做重復(fù)試驗(yàn)及與鉆井液、前置液的相容性試驗(yàn)，有問題及時(shí)調(diào)整。

固井前充分循環(huán)鉆井液，根據(jù)井下情況調(diào)整鉆井液的性能，做到低黏低切，確保井壁穩(wěn)定、井眼暢通、無垮塌，無后效，為固井創(chuàng)造一個(gè)良好的井眼條件。若固井前發(fā)生井漏，必須進(jìn)行堵漏后，方可進(jìn)行施工，視井漏情況確定合適的固井方案。如固井過程中發(fā)生井漏，水泥漿返不到井口，必須從井口灌漿，保證全井段的封固質(zhì)量。

生產(chǎn)套管固井質(zhì)量應(yīng)達(dá)到合格，蓋層段膠結(jié)質(zhì)量連續(xù)優(yōu)質(zhì)段大于50 m。固井作業(yè)完成后72 h內(nèi)進(jìn)行固井質(zhì)量測井，測固井質(zhì)量之前嚴(yán)禁進(jìn)行其他井筒作業(yè)。

3 鉆探效果

C1、C2、C3是楚州儲(chǔ)氣庫的三口資料井，也作為生產(chǎn)井使用，C1井于2015年完鉆，C2、C3井于近期完鉆，目前C3井已投入造腔生產(chǎn)。三口井中C1、C2井位于楊槐區(qū)塊，C3井位于張興區(qū)塊，井身結(jié)構(gòu)（見表1）。在總結(jié)C1井鉆井經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，C2、C3井綜合采用上述鉆井技術(shù)，鉆井效率、井身質(zhì)量有了大幅提高。

3.1 提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期

C2、C3井合理搭配鉆具組合和鉆井液，鉆井過程中沒有出現(xiàn)任何井下復(fù)雜情況，相比C1井機(jī)械轉(zhuǎn)速提高了12.2%～28.7%，鉆進(jìn)時(shí)間的時(shí)效從27.65%降至22.6%，縮短了鉆井周期（見表2）。

3.2 井身質(zhì)量大幅度提高

C2、C3井在鉆井過程中一開井段采用鐘擺降斜鉆具組合，并鉆進(jìn)50 m左右，單點(diǎn)測斜1次，保證了井斜達(dá)標(biāo)。二開、三開下入PDC+螺桿+穩(wěn)定器的塔式鐘擺鉆具組合，在施工中采用MWD儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測井身軌跡做好防斜打直工作，每鉆進(jìn)30 m左右測斜1次，確保了井身質(zhì)量達(dá)標(biāo)。最大井斜、水平位移相比C1井有了大幅度的提高，二開和三開平均井徑擴(kuò)大率也要優(yōu)于C1井（見表3）。

表1 井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

表2 C1、C2、C3 井鉆速對比

表3 C1、C2、C3 井身質(zhì)量表

3.3 固井質(zhì)量

C1、C2、C3三口井固井施工過程順利，各層套管水泥均返至地面。對套管內(nèi)和套管鞋處試壓，30 min內(nèi)壓降均為0。完井后進(jìn)行腔體密封性檢測，三口井固井質(zhì)量均能夠滿足鹽穴儲(chǔ)氣庫密封性要求。其中C2、C3井套管鞋至以上200 m井段內(nèi)，一、二界面膠結(jié)質(zhì)量均為優(yōu)質(zhì)。

4 結(jié)論

（1）通過對楚州鹽礦建設(shè)儲(chǔ)氣庫鉆井技術(shù)進(jìn)行研究，形成的井身結(jié)構(gòu)、鉆井參數(shù)、鉆井液和固井技術(shù)為楚州儲(chǔ)氣庫鉆井施工提供了參考依據(jù)。

（2）楚州儲(chǔ)氣庫建庫過程中，生產(chǎn)井采用二開井身結(jié)構(gòu)，取心井采用三開井身結(jié)構(gòu)，配合Φ339.7 mm表層套管尺寸和Φ244.5 mm生產(chǎn)套管尺寸，能夠滿足造腔、注采和鉆井安全的需要。

（3）采用上部聚合物鉆井液，下部鹽層段飽和鹽水鉆井液的分段鉆井液結(jié)構(gòu)，能夠有效保證井壁穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)安全高效鉆進(jìn)。

（4）選擇合適的套管鋼級和扣型，配合合理的固井工藝，能夠有效保證楚州儲(chǔ)氣庫固井質(zhì)量，滿足試壓要求。