國內(nèi)井礦鹽鉆井技術新進展

董正亮， 劉加杰， 王 鵬， 黃東杰

(四川鹽業(yè)地質(zhì)鉆井大隊,四川 自貢 643000)

0 引言

井礦鹽是“井鹽”和“礦鹽”的總稱，為成鹽盆地水鹽體系在適宜的地質(zhì)條件和干旱的氣候條件下，經(jīng)蒸發(fā)濃縮作用形成的鹽類礦產(chǎn)資源，前者為富含鈉、鉀、鋰、溴等元素的液體礦產(chǎn)，后者為蒸發(fā)結晶形成的固體礦床(如石鹽、鉀鹽和芒硝等)。井礦鹽埋深差異性較大，根據(jù)成藏條件和區(qū)域特性，從數(shù)十米到5000余米不等，故一般采用鉆井的礦產(chǎn)開拓方式。我國地下天然鹵水的鉆井開采歷史悠久，但由于儲量體量和開采連續(xù)性等原因，目前我國井礦鹽資源的開發(fā)大多以固體鹽類礦床的鉆井水溶開采工藝技術為主。該工藝利用鉆井的方法開拓地面與地下可溶性鹽類礦床的通道，以便于通過注入溶劑(水)溶解，改變可溶性鹽類礦體原位性質(zhì)，使其以流體的形式輸送到地面，最終實現(xiàn)可溶性鹽類資源的連續(xù)開采[1]。

我國井礦鹽鉆井技術應用歷史源遠流長，2000多年前人類歷史上最早進行的鉆井活動就是為了獲取埋藏在地下的鹽鹵水(四川自貢)，比國外最早開采鹵水的俄羅斯要早1000多年；120多年前的清光緒年間(約公元1892年),自貢大墳堡鹽礦“發(fā)源井”加深鉆至870.12 m發(fā)現(xiàn)石鹽礦層，并采用“注水溶鹽-提撈采鹵”技術，開創(chuàng)了石鹽礦鉆井水溶開采之先河。彼時，中國鉆井技術及鹽類礦床的鉆井水溶開采技術基本上與歐美國家同步。然而，鴉片戰(zhàn)爭后，這項開采技術逐漸落伍[2]。新中國成立以來，隨著油鹽鉀(煤)兼探，鹽礦地質(zhì)工作和石油化工戰(zhàn)線尋找油氣和鉀鹽的勘查工作不斷深入，碩果累累，全國十多個省(直轄市、自治區(qū))均探獲石鹽礦床，水溶鉆井技術也獲得長足進步。近20年來，隨著供給端產(chǎn)能擴大的需求和定向井/水平井技術、測井技術的發(fā)展，井礦鹽鉆井技術得以迅速發(fā)展。

1 井礦鹽資源特點

井礦鹽作為蒸發(fā)沉積礦床，與石油天然氣、金屬及其他非金屬礦有很大的不同之處：

(1)資源豐富，分布廣泛。我國井礦鹽類資源豐富，與海鹽和湖鹽構成我國3大原鹽資源，隨著井礦鹽地質(zhì)勘探不斷深入，全國20余省級行政區(qū)均已探獲鹽礦資源，其產(chǎn)量提升也極為迅速，超過了海鹽，躍居為我國產(chǎn)量最高的原鹽資源[3-6](如圖1所示)。

注：2009-2014年數(shù)據(jù)來自文獻[4]，2014-2017年數(shù)據(jù)援引自部分網(wǎng)絡

圖12009-2017年我國原鹽各品種產(chǎn)量占比分布情況

Fig.1Yield distribution of raw salt varieties from2009to2017

(2)易溶于水，有采空區(qū)。與石油天然氣離散式的孔隙分布不同，井礦鹽一般是連續(xù)的層狀分布，前者在內(nèi)外壓力作用下采出油氣資源后，對地下壓力系統(tǒng)影響相對性較小，而后者溶解采出后容易出現(xiàn)采空區(qū)。在井礦鹽鉆進過程中，既要充分考慮鹽巖溶于水對鉆井液性能的影響，又要考慮選擇合理的井眼軌跡，以便于預留安全礦柱。

(3)上溶較快，有側(cè)溶底角。由于鹽類礦物溶解后溶液呈濃度垂直梯度分布，即上部濃度低，下部濃度高。由于不飽和程度更低，鹽溶腔上部溶解速率明顯快于側(cè)溶和底溶速率[7]，在一般情況下，上溶速率約為側(cè)溶的2倍，約為底溶的10倍左右。鹽類礦物在不同方向上溶解速率不同，溶腔呈空心倒錐體狀，在溶腔底部形成側(cè)向安息角，即為側(cè)溶底角。側(cè)溶底角的存在給鹽類礦物帶來了頂板過早暴露和下部礦物開采不充分的弊端。

(4)層狀分布，埋深不一。我國鹽層多以單層或多層的形態(tài)分布，只有少數(shù)的以鹽丘的形態(tài)分布，且具有一定流動性，因此鹽層礦體大體上呈現(xiàn)厚度不均，或異常加厚，或出現(xiàn)尖滅。由于成藏條件和區(qū)域特性，我國鹽類礦物埋深差異性較大，用于鉆井水溶開采的鹽礦最淺僅百余米，如湖北應城和云南普洱等地；一般埋藏在1000～3000 m，鮮有超過3500 m的[8]。

2 井礦鹽鉆井技術難點分析

基于上述井礦鹽資源特點，結合鹽類礦床地質(zhì)特點和水溶開采工藝特點，與石油天然氣鉆井相比，在進入礦層前基本相似，進入礦層后由于鹽層特殊性，主要存在以下技術難點。

2.1 近鹽層漏失

在上部地層的鉆井過程中，井礦鹽與其他行業(yè)的鉆井工藝和方法基本相同。當臨近鹽層礦體時，卻常常出現(xiàn)漏失，小到不足5 m3/h滲漏，大至失返性漏失，甚至是噴漏同層。此類復雜情況，在地下連通性較好、頂板完整性差的老礦區(qū)表現(xiàn)尤為突出[9]。隨著各大礦區(qū)對產(chǎn)能提升和綜合效益的要求，在老礦區(qū)新布井位，或通過多分支井技術對老井進行“挖潛”，在近鹽層鉆遇漏失層的可能性和復雜性也大大增加。

2.2 鹽層精準定向相對較大

井礦鹽在礦層的鉆進首先要求根據(jù)鉆井參數(shù)或氯根變化準確定位鹽層，再根據(jù)相關地質(zhì)資料，利用定向鉆井技術使井眼軌跡最大程度地與待開采礦層重合，并沿著靶點井的方向推進，最終與其對接連通，實現(xiàn)水平對接連通采鹵，提高礦層鉆遇率。然而，隨著井礦鹽鉆井向縱深發(fā)展，淺而厚的優(yōu)質(zhì)鹽層越來越少，埋深較深、厚薄不均或薄互層鹽礦體越來越成為新的井礦鹽開發(fā)資源。這給井礦鹽鉆井，尤其是鹽層識別、充分鉆遇礦層和井組對接連通提出了更高的要求。鹽層厚度、鹽層傾角和地層傾角等因素使得鉆井軌跡難以有效與鹽層走向盡可能吻合，礦層鉆遇率難以有效保證，同時鹽層硬度較軟且溶于水，也給定向鉆井工具面的擺放增加了難度。隨著井礦鹽鉆井效率的提高和鹽礦山產(chǎn)能規(guī)模擴大，對接井組的建井周期明顯縮短，往往靶點井的溶腔尚未溶解發(fā)育完全，溶腔大小擴展有限，就需要對接連通，給對接連通提出了更高的要求。

2.3 鹽層鉆遇情況相對較復雜

石油天然氣鉆井過程中也常鉆遇鹽系地層(鹽膏層)，而且是異常難對付的一套地層，許多經(jīng)驗豐富的鉆井隊伍“折戟”鹽膏層，如濮陽和克深區(qū)塊的鹽系地層。這主要是因為油氣井鉆遇鹽系地層一般在4000 m以深，甚至更深，鹽層的塑性表現(xiàn)明顯，容易發(fā)生卡鉆和擠毀套管等事故[10]，而鹽井目前鉆井深度鮮有超過3500 m的超深鹽井。然而鹽井鹽系地層也有其相對復雜的情況，因為從鉆井目的來講，鹽系地層之于油氣井僅僅需要盡快穿越該地層，而之于鹽井則是目的礦層，而且是要盡可能穿越礦層，耗時較長，有時鉆遇老溶腔或鉆至靶點不連通還需要重新定向?qū)鱼@井。長時間滯留鹽層鉆進，給井控、鉆井液體系的穩(wěn)定性、井眼軌跡的規(guī)則性以及鉆具防腐等提出了更高的要求。

3 井礦鹽鉆井技術新進展

基于上述技術難點，得益于定向水平井技術和測井技術的高速發(fā)展，通過技術引進和吸收，開發(fā)出了具有鹽井特色的防碰繞障、多分支井、帶壓鉆進和精準對接連通等關鍵應用鉆井新技術，形成了“鹽井定向井對接連通技術”的核心技術體系，不僅有效地提升了鉆井速率，還大大縮短了鹽井對接井組的建井周期。

3.1 防碰繞障技術

通過布設加密井或建立新的對接連通井組等技術對老礦山剩余產(chǎn)能進行挖掘是各大礦山企業(yè)在應對工業(yè)用地緊張、新礦區(qū)減少的行業(yè)大背景下的一項重要舉措。然而，由于鹽類礦床溶于水且層狀連續(xù)分布的特點，在老礦區(qū)地下形成較大溶腔，甚至是暗河，這些都是井礦鹽鉆井的“雷區(qū)”，一旦鉆入，就會面臨惡性漏失，甚至是噴漏同層。因此，在進行井眼軌跡設計時，應采取有效地防碰措施“繞開”這些障礙物(鄰井、溶腔或復雜地層)。

該技術最早應用于油氣田老礦區(qū)的加密井開發(fā)階段，用以解決較小井距下的鄰井防碰問題[11]。2005年鄭茂全等在四川長寧雙河長5井施工時，在國內(nèi)首次應用繞障技術實現(xiàn)在深層巨厚巖鹽層(礦體埋深2500 m左右，巖鹽單層厚度160～370 m)的順利對接[12]。該礦區(qū)位于四川盆地南緣的長寧背斜構造，礦區(qū)地層傾角大，地質(zhì)情況復雜，巖鹽礦賦存于震旦系燈影組燈一段第二亞段，是世界上最古老的巖鹽礦床之一。長5井為一口水平對接井，要求與637.7 m處的長1井實現(xiàn)對接連通，但需要繞開幾乎同在一條直線上的長3井及其溶腔(如圖2所示)。繞障的方法主要有側(cè)繞和底繞兩種?？紤]到從溶腔側(cè)繞長5井井眼軌跡方位變化大，不利于井眼規(guī)則、圓滑，兼之考慮石鹽底部溶解少的特點，故選擇底繞方案。該井在2431 m進入石鹽層，并按設計完成直井段和增斜井段，并下入?177.8 mm套管于2617.21 m處固井。開水泥塞后即開始繞障對接施工，為了實現(xiàn)井眼從長3井溶腔下部繞障的預定方案，自井深2622 m開始利用倒樁鉆具組合實施降斜鉆進。降斜至井深2712 m，井斜角將至80.7°，方位穩(wěn)定，降斜率為(-0.13°～-0.3°)/m,然后又增斜至井深2831.26 m，井斜角為94°，降斜率為(0.2°～0.4°)/m，該位置在平面上正處于長3井溶腔下方，長3井溶腔底部垂深2518.8 m，繞障井眼在垂深2533.66 m，說明井眼已順利繞過長3井，繞障水平推進段長209.26 m，滿足到靶點水平段長度>150 m的技術要求，繞障成功。

圖2 三維繞障技術水平投影示意圖

3.2 多分支井連通技術

多分支井技術起源于20世紀50年代蘇聯(lián)的石油鉆井行業(yè)，用以增加泄油面積，提高油氣井產(chǎn)能[14]。近年來，隨著薄互層巖鹽礦的開發(fā)和老井挖潛技術的發(fā)展，多分支井技術被引入到井礦鹽鉆井行業(yè)，并迅速成為一種低成本、高收益的鉆井開采方法。從鉆井工程的角度來看，多個分支共用一個井口和上部井段，可大大降低鉆井成本，減少土地占用，利于環(huán)境保護；從開采鹽巖礦層的角度來看，有助于制定合理的開發(fā)方案，增加井眼與巖鹽礦體的接觸面積，以較低的成本有效開發(fā)多產(chǎn)層的巖鹽礦藏[15]。目前，多分支井技術已廣泛地應用于老礦區(qū)的老井挖潛和新礦區(qū)的綜合規(guī)劃利用。

2016年，四川鹽業(yè)地質(zhì)鉆井大隊針對舞陽—桐柏隆起區(qū)南端吳城盆地北部構造的天然堿礦夾層多、礦層薄的特點，利用多分支井技術實現(xiàn)多層共采[16](圖3)。該工藝利用多分支井技術在水平井A建立3條分支，以“雙連通一對流”的形式分別開采3個主力產(chǎn)層，可以實現(xiàn)多個礦層的同時開采，減少和優(yōu)化總井組布置，節(jié)省征地費用；縮減鉆井施工工序，節(jié)約建井工期進度；有效增加鉆遇礦層長度，提高礦層鉆遇率；注采能力明顯提高。采用此法開采后，注采流量約220 m3/h，濃度近60 g/L，注采濃度提高約10%，注采流量增加4倍，折算后相當于多增加了一口井的注采能力。

圖3 多分支井技術在天然堿多層共采中的應用

3.3 帶壓鉆進技術

老礦區(qū)在開采過程中，采空區(qū)塌陷等地質(zhì)運動或壓裂等增產(chǎn)措施，破壞了鹽層頂板的完整度，溶蝕作用促進了地下連通性。因此，在老礦區(qū)施工新井眼或進行老井挖潛時，經(jīng)常鉆遇溶腔鹵水，引發(fā)溢流或井涌等井控問題，雖然壓力遠小于高壓油氣井，但其壓力變化較大，地層承壓能力低，嚴重時，甚至出現(xiàn)涌漏同層[17]。鑒于此，引入了石油天然氣行業(yè)欠平衡鉆井中的邊噴邊鉆技術，即帶壓鉆進技術的應用(見圖4)，旨在保護儲層和提高鉆速，在井礦鹽行業(yè)中則主要是應對此類壓力不大、壓井較困難、連通性好的老礦區(qū)的鉆井施工。該技術一般使用旋轉(zhuǎn)防噴頭配合常規(guī)防噴器組等井控裝置在井口設備允許的壓力條件下，實現(xiàn)“邊噴邊鉆”。此外，由于未使用可壓縮的氣體鉆井介質(zhì)，可以使用常規(guī)動力鉆具和MWD測量工具，既適用于直井鉆進，也適用于水平井或定向井鉆進及其井組連通[18]。

圖4 帶壓鉆進技術在巖鹽老礦山挖潛中的應用

為進一步挖掘福川鹽礦老礦區(qū)剩余產(chǎn)能，四川鹽業(yè)地質(zhì)鉆井大隊通過技術攻關，通過改進旋轉(zhuǎn)防噴器克服鉆井過程中井下復雜涌漏和裸眼段長等特殊情況，首次在井礦鹽行業(yè)采用雙靶點水平井技術新建一口挖潛井——福4井[19]。該井在鉆穿鹽層底板，探明巖鹽層埋深及厚度后，從鹽層頂部側(cè)鉆，首先建立第一分支對接福 201 井管鞋附近老溶腔，對接連通后，鉆頭退回至合適位置，利用帶壓鉆進技術，控制溶腔涌水情況，實施第二分支對接福 302 井管鞋附近老溶腔，實現(xiàn) 3 井連通采鹵，達到提高礦區(qū)控鹽量和生產(chǎn)能力的目的。

3.4 精準定位對接連通技術

水平井對接井組技術是目前可溶性鹽水溶開采的最常用、也是最有效的開采技術。然而，由于鹽類礦物的溶解特性(如溶解度較小的雜鹵石)或建槽期緊張等問題，在實際施工過程中往往要面臨小井眼(溶腔)靶點對接的技術難題。精準定位技術為解決此類問題提供了較為可行的辦法。該技術利用磁性定位導向鉆井實現(xiàn)井眼軌跡與小靶點精準對接，即在靶點井內(nèi)放置磁感應裝置，以接收來自施工井水平井井底旋轉(zhuǎn)磁接頭所傳遞的磁信號，經(jīng)地面計算機軟件解析，修正井眼軌跡并控制其向靶點鉆進，最終對接連通。該技術適用于薄層礦的小溶腔、不建槽期或建槽期短的新溶腔的對接連通，大大提高了對接精準度，縮短了水平對接井組的建井周期(參見圖5)。

自2010年起，精準定位對接技術先后在陜西、四川、湖北等區(qū)塊成功應用，對接靶點井的溶腔最小半徑僅0.5 m。該技術沒有積累誤差，能直接引導鉆頭鉆穿目標靶點，因此靶點井只需要短時間洗井即可直接進行對接，大大減少了建槽周期，同時也避免了前期淡鹵無法處理的環(huán)保問題。2015年，在四川南充鹽盆廣安大龍地區(qū)深部中、 下三疊統(tǒng)雜鹵石礦床施工國內(nèi)第一口雜鹵石水平對接井組時，采用美國VM公司RMRS精準定位儀，結合現(xiàn)場探索中形成的減小誤差的方法進行靶點校正，找準對接點的真實空間三維位置[20]，與半徑僅0.5 m的靶點井順利連通。

圖5 小溶腔精準對接連通技術在雜鹵石礦開采中的應用

3.5 鹽層鉆井液技術

在鹽井鉆井過程中，經(jīng)常會鉆遇鹵水層，在鹽層對接連通時更是要較長時間接觸鹽層和高濃度的鹵水，其中鹽層鉆井對鉆井液影響最大。鹽層縮徑甚至卡鉆、鉆井液污染和井徑擴大是常見的復雜井下情況，具體表現(xiàn)為：因鹽溶引起鉆井液性能變壞，中深井段井徑擴大，夾層井段接近鉆頭直徑；鉆至深層因鹽層塑性流動造成縮徑，起下鉆易發(fā)生阻卡或卡鉆；井溫較高因鹽重結晶引起起下鉆阻卡；固井質(zhì)量差，易擠毀套管等。

近年來，隨著人們對鹽系地層鉆井液技術研究的不斷深入，基本摸索出了一系列行之有效的鹽層鉆井液技術。一系列抗鹽鉆井液材料和配套鉆井液體系被廣泛使用；在淺井段通過補充鹽水膠液，在厚鹽層采用飽和鹽水鉆井液，防止井徑擴大；針對中深井段鹽層總厚度不足100 m的井，可采用適宜密度的欠飽和鹽水鉆井液體系，使鹽溶解的井徑擴大率和鹽巖因塑性變形引起的縮徑率相接近[20]；根據(jù)井深、井溫和鹽巖類別，使用鹽結晶抑制劑抑制鹽重結晶。

4 總結與展望

地質(zhì)礦產(chǎn)鉆井工程最早起源于井礦鹽(鹵水)鉆井，發(fā)展于油氣鉆井，尤其是現(xiàn)代社會對油氣資源依賴度極高更是促進油氣鉆井行業(yè)的蓬勃發(fā)展，涌現(xiàn)出了一系列體系化的新型理論與技術。作為現(xiàn)代地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)的井礦鹽鉆井技術，一方面既要大膽借鑒和吸收油氣鉆井的先進成果，另一方面要立足于后期鉆井水開采開發(fā)井礦鹽特有的鉆井工程技術，如：

(1)基于提高礦層鉆遇率的軌跡控制理論與技術；

(2)基于提高對接連通中靶率的定向鉆井技術；

(3)基于改善頂板穩(wěn)定性，提高鹽井壽命的固完井技術；

(4)基于探明礦體形態(tài)、組分的現(xiàn)代測井技術；

(5)基于解決老礦區(qū)噴漏同層等復雜問題的低耗、高效方法。

總之，作為化工行業(yè)上游之一的井礦鹽行業(yè)將進一步發(fā)揮其基礎原料供應的作用，井礦鹽鉆井工程及其技術的發(fā)展將呈現(xiàn)廣闊的發(fā)展前景。