中俄東線楚州鹽穴儲氣庫配套鉆井液技術

薛 雨， 張新悅， 王立東

(1.中國石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.中國石油天然氣股份有限公司鹽穴儲氣庫技術研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

中石油正在積極建設中俄東線配套楚州鹽穴儲氣庫來保障長三角地區(qū)的天然氣供應。鉆井是儲氣庫建設過程中必不可少的環(huán)節(jié)，鉆井的質量和效率決定著儲氣庫的建設成本和注采開發(fā)進度[1]，而鉆井液在確保安全、優(yōu)質、快速鉆井中起著越來越重要的作用。國內對于油氣藏儲氣庫鉆井液做了大量研究[2-5]，但目前還未見到專門針對鹽穴儲氣庫的鉆井液研究。穿越鹽膏層時國內外主要采用高密度飽和鹽水鉆井液[6-10]，其密度基本都大于1.7 g/cm3，鹽膏層深度也都在3500 m以深。相對而言鹽穴儲氣庫井深淺，一般不超過2000 m，地層承壓能力低，若采用高密度鉆井液，容易發(fā)生井下漏失。鹽礦鉆井通常采用欠飽和或飽和鹽水鉆井液[11-15]，鉆井時大部分存在井眼溶蝕嚴重，井徑擴大率偏大以及卡鉆或鉆具脫落等復雜情況，井身質量遠低于鹽穴儲氣庫井的要求。相比于土耳其鹽穴儲氣庫，楚州鹽礦埋藏深，夾層多，地質條件更為復雜，土耳其鹽穴儲氣庫鉆井液技術[16-19]不能完全適用于楚州。為此，根據(jù)楚州鹽礦地層建立一套適用于楚州儲氣庫的鉆井液體系是楚州儲氣庫鉆井工作面臨的一個重要難題，對加快儲氣庫建設，提高經(jīng)濟效益，具有十分重要的意義。

1 地質及工程概況

楚州儲氣庫位于江蘇省淮安市淮安區(qū)(原楚州區(qū))，其地層從上至下分為東臺組、鹽城組、赤山組和浦口組，其中浦二段上鹽亞段第三巖性組合為主力鹽層，地質條件較好，是建庫的目標層段，楚州儲氣庫地層分布見表1。楚州儲氣庫鉆井一開為進入浦口組50 m后完鉆，二開為進入主力鹽層20 m后完鉆，井身結構見表2，生產(chǎn)井采用二開井身結構，資料井出于取心及承壓試驗的需要采用三開井身結構。

表1 楚州儲氣庫地層分布表Table 1 Stratigraphic distribution at Chuzhou gas storage

楚州儲氣庫在建庫鉆井時需要解決以下問題來保證安全鉆進：(1)表層的不成巖粘土有存在井口塌陷的風險；(2)東臺組、鹽城組上部地層成巖性差、膠結疏松、易滲漏和垮塌，鹽城組中下部粘土易造漿；

表2 楚州儲氣庫鉆井井身結構Table 2 Drilling wellbore structure of Chuzhou gas storage

(3)鹽城組與赤山組之間有斷層且新老地層交界，易漏失和地層失穩(wěn)；(4)浦三段中含有石膏，其鈣離子將污染鉆井液；(5)進入主力鹽層，鹽巖受鉆井液溶蝕存在擴徑現(xiàn)象，同時鹽巖中夾雜的泥巖存在蠕變縮徑及垮塌的風險；(6)浦二段含有芒硝層，其受溫度影響溶解度變化大，下部可能欠飽和，但循環(huán)上部可能結晶，造成摩阻大甚至卡鉆，容易發(fā)生井下復雜情況。

2 鉆井液技術

根據(jù)上述地層特點及施工難點，鉆井液確定原則為：(1)上部東臺組、鹽城組和赤山組地層存在漏失風險，因此鉆井液需具有防漏失的性能；(2)確保鹽層段井徑規(guī)則。根據(jù)以上原則，鉆井時采用分井段鉆井液方案：一開井段采用具有較好井眼凈化能力的聚合物鉆井液，防止上部地層發(fā)生漏失和水化膨脹；二開上部井段通過緩慢加入NaCl，從淡水鉆井液逐步轉換成飽和鹽水鉆井液；二開下部井段采用飽和鹽水鉆井液，來防止鹽層的溶蝕及蠕變，鉆井液密度1.3～1.35 g/cm3；三開井段采用的鉆井液體系和性能指標與二開下部井段相同，鉆井液設計方案見表3。

表3 楚州儲氣庫鉆井液設計方案Table 3 Drilling fluid design for Chuzhou gas storage

2.1 導管?660.4 mm井眼

開鉆前以優(yōu)質的膨潤土加純堿配制膨潤土漿60 m3，密度1.10 g/cm3，粘度45～50 s，膨潤土加量5 t左右，純堿的加量為膨潤土的5%～8%。由于井眼大，應隨鉆加入適量的提粘劑控制合理的鉆井液粘切，使鉆井液具有良好的懸浮攜帶能力，同時排量要達到45～50 L/s，以確保鉆屑順利返出。鉆完進尺后，大排量充分洗井，循環(huán)干凈井眼內的沉砂，起鉆前配制稠漿保證下套管固井順利。

2.2 一開?444.5 mm井眼

開鉆前配制鉆井液總量100 m3，往配漿水中加入0.2%Na2CO3再用配漿泵加入5%的膨潤土，水化時間>24 h。使用膨潤土漿開鉆，鉆井液中加入0.2%～0.3%PMHA-Ⅱ、0.4%～0.5%NH4HPAN進行預處理，調整好鉆井液性能后方可開鉆。鉆進中隨時補充PMHA-Ⅱ、COATER、NH4HPAN，以提高鉆井液的抑制能力和包被能力。

東臺組、鹽城組上部成巖性差，膠結疏松，易滲漏和垮塌，鉆進過程中做好井漏預防工作，并儲備足夠數(shù)量的堵漏材料。鉆進中加入零濾失井眼穩(wěn)定劑(LXJ-1)、單向封閉劑(KD-23)，配合使用超細碳酸鈣(QS-4) 隨鉆堵漏，保持良好的懸浮攜帶能力和造壁性能，確保井壁穩(wěn)定。鹽城組中下部地層含造漿粘土，鉆進中加強監(jiān)測，注意鉆井液性能變化，加足抑制包被劑PMHA-Ⅱ(或COATER)抑制造漿。由于鹽城組與赤山組之間新老交界地層和斷層，需要避免產(chǎn)生漏失和地層失穩(wěn)現(xiàn)象，若出現(xiàn)漏失按防漏堵漏措施執(zhí)行；若出現(xiàn)地層剝垮等失穩(wěn)情況，及時補充防塌劑(含量≮2%)，可配加1%～2%FT-1和2%～3%QS-4，改善泥餅質量，提高鉆井液封堵防塌性能，并將鉆井液密度提高至設計上限，防止井壁坍塌。在加防塌劑的同時，配合加入稀釋劑，調整鉆井液流變性能。

一開為?444.5 mm大井眼井段，鉆井液要有較好的攜砂及懸浮能力，合理使用固控設備，配合人工清砂，降低鉆井液中的劣質固相。工程要保持雙泵循環(huán)，保持泵排量>50 L/s，確保鉆屑及時從井底被帶至地面。該井段應勤短起下鉆，修復井眼，減少虛泥餅的形成，保持井壁干凈。由于鹽穴儲氣庫井固井段井徑擴大率要求小于10%，除鉆井液適當提高粘切外，工程上不得定點循環(huán)，合理選擇鉆井參數(shù)。鉆至下套管層位，要短起下鉆并進行充分循環(huán)鉆井液，修整井壁、清潔井眼，確保電測、下套管、固井作業(yè)順利。

2.3 二開?311.2 mm井眼

二開前處理好水泥侵，調整好原漿性能鉆進至進入浦口組二段含鹽系地層200 m之前將鉆井液轉換為飽和鹽水鉆井液?？刂坪线m的膨潤土含量，以利于鉆井液流變性能的調整和固相含量的控制，在維護過程中采取等濃度等體積的處理方法。由于飽和鹽水鉆井液轉化過程中鹽的加入及地層中鹽的溶入，在維護處理時要及時補充燒堿，保持體系的pH值[20]，以避免pH值降低，影響鉆井液性能。

二開進入鹽層后鉆井液技術重點為確保Cl-含量維持在1.8×105mg/L以上，需要定期對鉆井液中的Cl-含量進行監(jiān)測，及時補充NaCl。同時加入抗鹽結晶劑防止鹽的重結晶而發(fā)生井下復雜情況。

為維持鉆井液性能穩(wěn)定，鉆進中加入CMS、SMP、HV-CMC等護膠來調整流變性能；加大SMP、SPNH等抗溫、抗鹽材料的用量，來控制鉆井液HTHP失水量，改善泥餅質量和增加抗溫能力。同時，為了保證正常鉆進，需要使鉆井液維持較強的剪切稀釋性，以提高懸浮和攜帶能力。加足防塌劑FT-1，鉆進中繼續(xù)補充并保持防塌劑的含量≮2%。鉆井液中防塌劑和高聚物、磺化處理劑可產(chǎn)生協(xié)同增效作用，有效地穩(wěn)定井壁。將處理劑配成膠液，在充分溶解后再加入。避免處理劑干粉不能在飽和鹽水鉆井液中充分發(fā)揮效能。

在鉆井液中可添加適量的防腐劑，來抑制鹽水對管具材料及循環(huán)系統(tǒng)的腐蝕[21]。同時加強巖性分析判斷和短起下鉆，來給鉆井液維護提供依據(jù)。

做好固控設備的維護與使用工作，有效平衡體系固相組分，以凈化保優(yōu)化，將無用固相含量降至最低，以細目振動篩為主，結合人工清砂，有效地控制鉆井液中有害固相，降低泥餅表面的粗糙度，控制合理的膨潤土含量，添加適量潤滑劑，提高泥餅的潤滑能力，來提高鉆具在井眼內的安全性。

二開完鉆后，應進行短起下鉆，充分循環(huán)鉆井液，性能均達設計要求后，方可起鉆，確保電測、下套管順利完成。

2.4 三開?215.9 mm井眼

雖然飽和鹽水鉆井液有很強的抗污染能力，但為了維持其原有性能，三開鉆塞時，仍需做好抗鈣、除鈣處理，來降低掃塞過程中鈣離子的污染。三開井段維護措施與二開下部井段相同。

2.5 鉆井液性能參數(shù)

楚州儲氣庫施工鉆井液性能見表4，三開鉆井液性能參數(shù)同二開下部井段鉆井液性能參數(shù)。

表4 楚州儲氣庫鉆井液性能Table 4 Performance of drilling fluids for Chuzhou gas storage

3 應用效果評價

采用以上鉆井液技術，在楚州儲氣庫成功實施資料井3口，有效地解決了井眼凈化、井壁穩(wěn)定等問題，3口井均未發(fā)生任何井下復雜情況和事故。說明該鉆井液體系與楚州地區(qū)地層特性配伍性較好，能夠滿足鉆井工程的需要。

3.1 鉆井施工順利

上部地層采用聚合物鉆井液，鉆進過程中通過保持鉆井液中大分子的有效含量，并隨鉆加入適量的封堵劑，控制濾失量<8 mL。施工時鉆井液粘度變化不大，起下鉆順利，說明該鉆井液體系能夠有效抑制上部地層造漿，防止漏失，保證良好的泥餅質量和防塌性能。

進入鹽層后轉換為聚合物飽和鹽水潤滑鉆井液體系，根據(jù)鉆井液性能補充適當?shù)奶嵴硠?、潤滑劑和抗鹽結晶劑，整個二開三開過程施工順利，鹽層段井徑規(guī)則(見表5)，未發(fā)生因為鹽巖溶解而形成的“大肚子”井眼或者因為鹽層塑性流動縮徑而造成的卡鉆現(xiàn)象，測井一次成功率100%。資料井工序繁多，包括取心、地應力測試、靜置7 d后井溫測井、VSP測井、非造腔段回填、氣密封試壓等多道工序。通過上述鉆井液措施的綜合應用，3口井純鉆進時間僅占總施工時間的25%左右，縮短了鉆井周期。

表5 資料井鉆井情況Table 5 Drilling conditions of data wells

3.2 取心收獲率高

進入鹽層段，為保證鹽巖層不被溶解，形成規(guī)則的井徑，必須確保鉆井液中含鹽量達到飽和。施工時將鉆井液密度提高至設計上限1.35 g/cm3，并不斷補充NaCl， 使Cl-含量始終大于1.8×105mg/L，同時加入足量的抗鹽抗高溫降濾失劑和羧甲基淀粉，控制API失水量<5 mL，適當提高鉆井液的粘度，以防止鹽巖層的溶解。3口井鹽層段巖心采取率均在99%以上(見表6)。

表6 資料井取心情況Table 6 Cores of data wells

3.3 鉆井液費用占比低

3口井采用以上鉆井液技術，并配合合理的鉆井施工工藝，實現(xiàn)了優(yōu)質、安全施工，整個施工過程中未發(fā)生任何因鉆井液原因而導致的井下復雜情況。鉆井液費用僅占鉆井總費用的7%，降低了鉆井成本。

4 結論

(1)采用分段鉆井液技術，通過3口資料井的現(xiàn)場成功應用，證明制定的鉆井液技術對策可行，能夠保證楚州儲氣庫鉆井施工的質量和安全。

(2)楚州儲氣庫一開地層采用高粘切、抑制性強的聚合物鉆井液，工程上保持雙泵循環(huán)，加強短起下，能夠有效抑制上部地層造漿，確保井壁穩(wěn)定。

(3)針對二開含鹽層系，進入主力鹽層前及時轉換成飽和鹽水聚合物鉆井液，確保Cl-含量維持在1.8×105mg/L以上，提高鉆井液粘度，防止鹽層溶解，保證鹽層段巖心采取率。

(4)提高各井段固控設備使用率，降低鉆井液中無用的固相含量，保持鉆井液性能穩(wěn)定，能減少阻卡事故的發(fā)生。