薛 雨 王立東,2 王元?jiǎng)?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(chǔ)氣庫技術(shù)研究中心

0 引言

為積極應(yīng)對氣荒，落實(shí)國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，中國石油天然氣集團(tuán)公司正在建設(shè)中俄東線天然氣管道來調(diào)節(jié)并保證東部地區(qū)的天然氣供給。楚州鹽穴儲(chǔ)氣庫是中俄東線9座配套儲(chǔ)氣庫中唯一的1座鹽穴儲(chǔ)氣庫，通過楚州儲(chǔ)氣庫不但可以參與中俄東線和冀寧聯(lián)絡(luò)線的調(diào)峰和應(yīng)急供氣，更能保障長三角地區(qū)的天然氣供應(yīng)[1]，故而具有重要的建設(shè)意義。隨著儲(chǔ)氣庫的持續(xù)開發(fā)，鉆井中的關(guān)鍵技術(shù)決定著儲(chǔ)氣庫的鉆井速度、成本消耗和注采開發(fā)進(jìn)度[2]。針對鹽穴儲(chǔ)氣庫對鉆井的要求，在分析楚州鹽礦地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，提出了適用于楚州鹽穴鉆井的技術(shù)對策，為建庫鉆井施工提供指導(dǎo)。

1 楚州鹽礦的地質(zhì)特征

楚州鹽礦位于江蘇省淮安市淮安區(qū)，距在建的中俄東線天然氣管道約61 km。該區(qū)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(tǒng)赤山組和浦口組[3]。楚州鹽穴儲(chǔ)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(zhì)含量低，地質(zhì)層位及巖性如表1所示。

表1 楚州鹽礦地層表

2 楚州儲(chǔ)氣庫鉆井工程難點(diǎn)

鹽穴儲(chǔ)氣庫井運(yùn)行周期長，需超過50年[4-5]，儲(chǔ)氣庫注采井要求強(qiáng)注強(qiáng)采，并且周期循環(huán)，井內(nèi)壓力交替變化，包括井內(nèi)管柱、井口裝置和固井質(zhì)量等必須能承受交變應(yīng)力的影響[6-7]。 因此儲(chǔ)氣庫對井身質(zhì)量、固井質(zhì)量和密封性的要求非常高。同時(shí)楚州鹽礦本身的地質(zhì)特點(diǎn)也給鉆井施工帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2.1 地層復(fù)雜，容易造成井下復(fù)雜情況

楚州儲(chǔ)氣庫鉆井時(shí)，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(chǎn)生漏失和地層失穩(wěn)現(xiàn)象。赤山組、浦口組發(fā)育大段泥巖，地層較硬，機(jī)械鉆速較低。第二次開鉆的施工層段浦口組發(fā)育大段泥巖，機(jī)械鉆速低。浦三段中下部含石膏團(tuán)塊或石膏線，鉆井液易受鈣污染。鉆遇純鹽段時(shí)，鹽層易溶蝕擴(kuò)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(fù)雜情況[8-9]。

2.2 井身質(zhì)量要求高

鹽穴儲(chǔ)氣庫井身質(zhì)量要求1 000 m內(nèi)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(kuò)大率不能超過10%。此外，楚州儲(chǔ)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(xù)3個(gè)點(diǎn)超標(biāo)，則判為不合格井。

2.3 鉆井液維護(hù)困難

鉆井時(shí)上部東臺組、鹽城組、赤山組成巖性差，膠結(jié)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(tuán)塊中的鈣也會(huì)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(huán)至上部層段又可能結(jié)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(hù)的難度。

2.4 一次封固段長，固井難度大

鹽穴儲(chǔ)氣庫固井時(shí)要求水泥返至地面[12]。楚州儲(chǔ)氣庫生產(chǎn)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(chǎn)生漏失現(xiàn)象，難以保證水泥漿上返至地面。同時(shí)上部封固段鹽層厚度超過600 m，固井時(shí)鹽層溶解，鹵水進(jìn)入水泥漿，造成水泥漿總體積減小，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。鹽層部位的水泥漿也由于受到侵蝕，水泥漿稠化時(shí)間受鹽層溶解的影響會(huì)大幅度延長，無法形成良好的水泥環(huán)，水泥與井壁間膠結(jié)質(zhì)量差[13-16]。另外鹽穴儲(chǔ)氣庫井眼尺寸較大，由于地層復(fù)雜容易形成井徑不規(guī)則井段，固井頂替效率也難以保證。

2.5 環(huán)保要求高

近年來，政府越來越重視工程建設(shè)中的環(huán)保工作，且楚州儲(chǔ)氣庫地處經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的江蘇地區(qū)，百姓的環(huán)保意識更為強(qiáng)烈，企業(yè)擔(dān)負(fù)的環(huán)保責(zé)任也對本地區(qū)的鉆井工作提出了更高的要求。

3 鉆井技術(shù)對策

3.1 大井眼防斜優(yōu)快鉆井技術(shù)

與常規(guī)油氣井相比，鹽穴儲(chǔ)氣庫井眼尺寸大，鉆井液環(huán)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(jù)地層巖性特點(diǎn)選用19 mm復(fù)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(shí)保證鉆井液排量不小于40 L/s、鉆進(jìn)50 m左右，單點(diǎn)測斜1次，保證井斜達(dá)標(biāo)。第二、三次開鉆下入“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，確保井身質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

為減小井徑擴(kuò)大率，施工中做到均勻送鉆，嚴(yán)禁定點(diǎn)循環(huán)，防止出現(xiàn)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(wěn)的特點(diǎn)，施工時(shí)嚴(yán)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(fā)育大段泥巖、地層硬、機(jī)械鉆速較低的特點(diǎn)，施工時(shí)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(shù)

鉆進(jìn)時(shí)采用分井段鉆井液保證井壁穩(wěn)定，確保井徑規(guī)則，各井段鉆井液方案如表2所示，鉆井液設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表2 不同井段鉆井液方案表

第一次開鉆鉆進(jìn)時(shí)針對上部地層成巖性差、易滲漏和垮塌的特點(diǎn)，鉆井液中加入零濾失井眼穩(wěn)定劑、單向壓力封閉劑，并配合使用超細(xì)碳酸鈣隨鉆堵漏，防止?jié)B漏。鹽城組中下部地層含造漿黏土，應(yīng)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(jìn)中出現(xiàn)漏失和地層失穩(wěn)情況，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充防塌劑，并提高鉆井液密度至設(shè)計(jì)上限，防止井壁坍塌。若鉆井液流變性能發(fā)生變化，可通過稀釋劑來調(diào)整。

第二次開鉆鉆至進(jìn)入鹽層前將鉆井液轉(zhuǎn)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(jìn)入，鉆井液pH值降低，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充燒堿，保持鉆井液體系的pH值。定期對鉆井液中Clˉ含量進(jìn)行監(jiān)測，保證Clˉ含量維持在180 000 mg/L以上。加入抗鹽結(jié)晶劑防止鹽的重結(jié)晶而發(fā)生井下復(fù)雜情況。為抵抗鹽水鉆井液對管具材料及循環(huán)系統(tǒng)的腐蝕，在鉆井液中添加適量的防腐劑。同時(shí)根據(jù)鹽巖的蠕變情況，及時(shí)調(diào)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(qiáng)，但無法除去掃塞過程中鉆井液中的鈣離子，因此，鉆進(jìn)時(shí)仍按常規(guī)進(jìn)行抗鈣、除鈣處理[22]，恢復(fù)其原有性能。

3.3 固井技術(shù)

楚州鹽穴儲(chǔ)氣庫固井難度主要體現(xiàn)在篩選穩(wěn)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(huán)空憋堵等方面。

3.3.1 應(yīng)用抗鹽水泥漿體系

為保證楚州儲(chǔ)氣庫鹽層段的固井質(zhì)量以及水泥環(huán)的長期密封性能，在借鑒國外鹽穴儲(chǔ)氣庫和其他鹽穴儲(chǔ)氣庫成功固井經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定楚州儲(chǔ)氣庫固井時(shí)采用DRB-3S+JSS抗鹽水泥漿體系，此水泥漿體系在金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫、平頂山鹽穴儲(chǔ)氣庫、淮安鹽穴儲(chǔ)氣庫已經(jīng)成功應(yīng)用[23-24]。

表3 鉆井液性能參數(shù)表

3.3.2 提高頂替效率

楚州儲(chǔ)氣庫生產(chǎn)套管固井時(shí)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(wěn)定。同時(shí)為了增加鉆井液與水泥漿的相容性，增加接觸時(shí)間，有效驅(qū)替及攜帶環(huán)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(shí)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(chǔ)氣庫由于地層承壓能力低等原因，在替漿過程中可能發(fā)生漏失現(xiàn)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(jìn)行測試，同時(shí)充分循環(huán)鉆井液來調(diào)整鉆井液性能，增加流動(dòng)性。

施工時(shí)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(diào)整，可防止不規(guī)則環(huán)空中鉆屑沉積引起的環(huán)空憋堵問題。

3.4 鉆井液不落地技術(shù)

鉆井液是鉆井過程中的主要污染物，對此楚州儲(chǔ)氣庫鉆井時(shí)采用鉆井液不落地技術(shù)，對鉆井作業(yè)產(chǎn)生的廢棄鉆井液進(jìn)行固液分離，分離出的液相部分排到均質(zhì)調(diào)節(jié)罐回用，部分轉(zhuǎn)運(yùn)；分離出的固相與鉆屑一起轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)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(yīng)用實(shí)例

C1、C2、C3井是楚州儲(chǔ)氣庫采用上述技術(shù)新完鉆的3口井，其中C3井已投入造腔。從3口井實(shí)鉆的井身結(jié)構(gòu)、鉆井方式、鉆井液使用、固井等技術(shù)驗(yàn)證鉆井技術(shù)方案的合理可行性，具體施工過程以C3井為例，其井身結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 C3井井身結(jié)構(gòu)圖

C3井為楚州儲(chǔ)氣庫張興礦區(qū)的第1口資料井，設(shè)計(jì)井深2 700 m，為取全鹽層資料，實(shí)際井深2753 m。施工除正常第一、二、三次開鉆外，還進(jìn)行了取心、地應(yīng)力測試、靜置7 d測井溫、VSP測井、非造腔段封堵、造腔段擴(kuò)眼、井筒氣密封試壓等工序，并進(jìn)行了12次測井，所有工序及測井均一次成功，未發(fā)生任何井下復(fù)雜情況。全井施工周期162 d，平均機(jī)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(yōu)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(jìn)：?311.1 mm鉆頭+ ?203 mm DC×3根+ ?177.8 mm DC×15根+ ?127 mm DP；鹽層鉆進(jìn)：?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(yán)格按照鉆井工程設(shè)計(jì)做好定點(diǎn)測斜工作，同時(shí)根據(jù)測斜數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，井身質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求如表4所示，井眼軌跡如圖3所示。

表4 C3井井身質(zhì)量表

圖3 井身垂直剖面投影圖

為保證鉆井液及時(shí)將巖屑攜帶出井外，防止沉砂卡鉆，保持井壁穩(wěn)定，降低摩阻，施工中采取了以下措施：①在大井眼段堅(jiān)持雙泵循環(huán)鉆進(jìn)，保證鉆井液能及時(shí)攜帶出井底巖屑；②鉆進(jìn)時(shí)補(bǔ)充足量的提黏劑，增強(qiáng)鉆井液的懸浮攜帶能力；③保持鉆井液的強(qiáng)抑制性，加入足量的降濾失劑，提高黏度，從化學(xué)方面防塌；④充分利用固控設(shè)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(jìn)，鉆井液實(shí)際性能參數(shù)如表5所示。

C3井表層套管采用內(nèi)插法固井，采用常規(guī)密度低溫早強(qiáng)穩(wěn)定性好的水泥漿，切實(shí)保證套管鞋處及上部井段的固井質(zhì)量，第一次開鉆固井難度相對較小。生產(chǎn)套管固井采用常規(guī)固井方法，減少套管內(nèi)水泥漿與鉆井液的混竄。采用高早強(qiáng)穩(wěn)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(zhì)量，固井施工過程如表6所示。

候凝72 h后進(jìn)行固井質(zhì)量測井，固井質(zhì)量合格，并對井筒進(jìn)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(huán)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(chǔ)氣庫對密封性的要求。

C3井在鉆井時(shí)隨鉆收集鉆井廢水和巖屑，通過泥漿不落地設(shè)備實(shí)現(xiàn)固液分離，液相收集后回用或者拉運(yùn)至有資質(zhì)的污水處理廠進(jìn)行深度處理達(dá)標(biāo)排放，固相則通過加入水泥、固化劑、pH調(diào)節(jié)劑等后，在處理罐內(nèi)實(shí)施無害化處理，拉送至指定地點(diǎn)填埋，實(shí)現(xiàn)了鉆井廢棄物與土壤隔離，未造成任何現(xiàn)場污染。

5 結(jié)論

1）使用鐘擺鉆具組合，配合MWD隨鉆監(jiān)測，能夠有效應(yīng)對楚州地區(qū)地層，控制井斜，保證井身質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高效鉆進(jìn)。

2）采用分段鉆井液，在鉆進(jìn)過程中加強(qiáng)監(jiān)測，及時(shí)調(diào)整鉆井液性能，嚴(yán)格控制鉆井液濾失量，改善濾餅質(zhì)量，提高懸浮、攜帶能力，保證正常鉆進(jìn)。

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(jié)構(gòu)，可以有效提高頂替效率，保證固井質(zhì)量。

4）鉆井時(shí)采用鉆井液不落地設(shè)備，進(jìn)行固液分離及無害化處理，能夠保證鉆井液、巖屑不落地，達(dá)到地方環(huán)保部門要求。

表5 鉆井液實(shí)際性能參數(shù)表

表6 C3固井施工流程表

5）通過3口井的現(xiàn)場成功應(yīng)用，證明制定的技術(shù)對策可行，能夠有效保證楚州鹽穴儲(chǔ)氣庫鉆井施工的質(zhì)量和安全。