金壇大口徑“S”型鹽穴儲(chǔ)氣庫井地質(zhì)因素分析及采用的鉆井技術(shù)措施研究

趙云松 陳 峰

鹽穴地下儲(chǔ)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制造儲(chǔ)存空間來存儲(chǔ)天然氣。它具有注采率高、短期吞吐量大、墊層氣量低并可完全回收等特點(diǎn)。目前我國建設(shè)最好的是金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫，在保證管道季節(jié)調(diào)峰、事故應(yīng)急、管道計(jì)劃內(nèi)維護(hù)和維修、合理儲(chǔ)備、用戶外提等方面將發(fā)揮重要作用。針對金壇地區(qū)人口稠密、河網(wǎng)密布的特點(diǎn)，中鹽金壇公司在金壇施工叢式儲(chǔ)氣庫井，即在一個(gè)井場通過大口徑定向技術(shù)在地下不同位置建腔，達(dá)到充分利用地下巖鹽資源，增加區(qū)塊內(nèi)鹽穴數(shù)量的目的。同時(shí)節(jié)約地面道路、場地、管網(wǎng)投資，也便于后期儲(chǔ)氣庫運(yùn)行統(tǒng)一管理。

成功建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫，除了在前期對建庫區(qū)基本地質(zhì)條件進(jìn)行科學(xué)評價(jià)以外，對鉆井成井的地質(zhì)因素分析尤為重要。在金壇施工“S”型鹽穴儲(chǔ)氣庫井將會(huì)面臨大口徑玄武巖鉆進(jìn)難、井身軌跡控制難、井壁穩(wěn)定難、固井質(zhì)量保證難等多項(xiàng)問題，而井身質(zhì)量的好壞直接影響到后期儲(chǔ)氣是否安全、可靠，且單井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等是否合理對后期建庫的經(jīng)濟(jì)性具有重要影響，這些關(guān)鍵問題都與建庫區(qū)地質(zhì)因素息息相關(guān)，對單井鉆井地質(zhì)因素的分析，提高儲(chǔ)氣庫井單井建設(shè)質(zhì)量，對推進(jìn)鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)具有深遠(yuǎn)意義。

1 金壇鹽礦區(qū)域地質(zhì)基本情況

金壇凹陷為新生代凹陷盆地，是早白堊世基礎(chǔ)上發(fā)展起來的斷陷盆地，晚白堊世末期儀征運(yùn)動(dòng)后，整個(gè)金壇盆地開始解體，西部形成了分割性很強(qiáng)的直溪橋洼陷，這時(shí)受西側(cè)的茅山和東南的大華～上黃高山屏障阻隔，形成了一個(gè)與廣湖分割的半封閉～封閉箕狀凹陷，具良好的成鹽環(huán)境。

研究區(qū)直溪橋洼陷新生界地層經(jīng)鉆井揭露地層基本齊全，與區(qū)域地層相同，新生界地層從下到上分別為下第三系阜寧組、戴南組、三垛組、第四系東臺(tái)組，普遍缺失上第三系鹽城組地層（表1）。

金壇鹽礦鹽巖層主要發(fā)育于阜寧組四段地層，巖鹽體在平面上和縱向上都比較穩(wěn)定，呈北東向展布，厚度67.85～230.95m。由于區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定、鹽巖沉積范圍大、鹽層埋深適中、厚度大、品位高及不溶物少等特點(diǎn)，金壇鹽礦地區(qū)屬鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)的有利目標(biāo)區(qū)。

2 “S”型儲(chǔ)氣庫井技術(shù)要求及鉆探地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 主要技術(shù)要求

①井身質(zhì)量要求：總體控制目標(biāo)采用SY/T 5088-2008推薦的探井井身質(zhì)量要求，結(jié)合儲(chǔ)氣庫井特殊性，單井井身質(zhì)量要求（表2）；

②完鉆原則：阜寧組四段（E1f 4）巖鹽層底預(yù)留5m 完鉆；

③各層套管固井水泥漿返至地面，生產(chǎn)套管固井質(zhì)量膠結(jié)合格段長度不小于70%，蓋層

段固井質(zhì)量連續(xù)優(yōu)質(zhì)水泥段不小于25m。

表1 金壇地區(qū)新生界地層簡表

表2 金壇大口徑“S”型鹽穴儲(chǔ)氣庫井井身質(zhì)量要求

2.2 鉆探地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析

單井采用定向井鉆井，需鉆穿造漿超強(qiáng)的第四系上部松軟弱固結(jié)地層、大厚度超硬玄武巖段、蠕變性很強(qiáng)的膏泥巖地層以及厚層的鹽膏層段，主要存在以下地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)：

①巖鹽層頂?shù)捉绱嬖谝欢ㄉ疃茸兓率广@進(jìn)中對鹽底的把控難度巨大，一旦鉆穿鹽層，完井氣密封試壓將會(huì)出現(xiàn)泄漏，無法檢測井筒的密封性；

②需鉆穿蠕變性很強(qiáng)的膏泥巖地層以及厚層的鹽膏層段，鹽巖的塑性變形易引起井徑縮小。夾在鹽巖層間的薄層泥巖夾層等不溶物，將會(huì)在鹽溶后失去承托，在機(jī)械碰撞作用下掉塊、坍塌；

③鉆進(jìn)膏泥巖或石膏層時(shí)，若井內(nèi)鉆井液液柱壓力不能平衡地層本身的橫向應(yīng)力，將會(huì)向井內(nèi)運(yùn)移垮塌；

④新生界地層中實(shí)施大口徑定向鉆井，面臨造斜段短、位移大，要求造斜精度高；

⑤鹽膏層非均勻載荷將會(huì)引起套管擠毀變形，鹽膏層在構(gòu)造應(yīng)力、上覆巖石壓力、溫度、傾角、厚度等因素作用下，會(huì)發(fā)生溶解、蠕變、滑移或塑性流動(dòng)，因此，套管必須擁有較強(qiáng)的承擔(dān)外擠載荷的能力，保證其不會(huì)被擠扁、彎曲甚至錯(cuò)斷。

3 “S”型儲(chǔ)氣庫井鉆井關(guān)鍵技術(shù)措施

3.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單井設(shè)計(jì)為二級井身結(jié)構(gòu)，先下入導(dǎo)管，封堵東臺(tái)組未成巖的流砂和軟泥層，一開鉆至三垛組玄武巖底部80m 以下的穩(wěn)定泥巖段后結(jié)束，下入表管固井，以防止玄武巖層和三垛組地層的漏失。二開開始降斜，鹽頂以上預(yù)留50m 垂直段，之后垂直鉆至巖鹽層底界以上5m 完鉆，套管下入距井底30m 左右位置。

3.2 鉆具組合使用

對本地區(qū)全井段地層進(jìn)行分析，導(dǎo)管段主要鉆遇第四系東臺(tái)組表土層、粘土、亞粘土、砂礫層，施工使用Φ660.4mm三翼鉆頭直接成孔；一開井段井身軌跡為直- 增-穩(wěn)，井徑為Φ444.5mm，主要鉆遇表層第四系東臺(tái)組及古近系三垛組地層，第四系堆積物結(jié)構(gòu)疏松，夾含砂層、砂礫層，井壁易垮塌，古近系三垛組二段主要為泥質(zhì)粉砂巖，但泥質(zhì)含量高，成巖時(shí)間短，固結(jié)弱。施工中直井段采用塔式鉆具組合防斜，增斜段采用5 翼PDC 鉆頭，配合1.25° Φ244.5mm螺桿進(jìn)行增斜，采用有線隨鉆測斜儀對井身軌跡進(jìn)行跟蹤和調(diào)整，確保軌跡圓滑。此外，弱固結(jié)地層采用大排量鉆進(jìn)，在保證巖屑及時(shí)返出的同時(shí)，加強(qiáng)水力破巖效果；三垛組一段為玄武巖段，巖性硬度較大，一般采用6 翼PDC 鉆頭加強(qiáng)機(jī)械破巖效果，此外，玄武巖段具地層自然增斜的特點(diǎn)，施工中充分考慮地層因素合理優(yōu)化軌跡；二開井段井身軌跡為降斜段及垂直段，井徑為Φ311.2mm，鉆遇地層為戴南組、阜寧組，鉆遇巖性有泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、膏鹽巖及鹽巖，局部夾硬脆性泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。巖性硬度相對不大，可鉆性較強(qiáng)，采用1° Φ197mm 螺桿進(jìn)行降斜，配合MWD 無線隨鉆測斜儀對軌跡進(jìn)行監(jiān)測。此外，同樣的鉆井參數(shù)情況下，PDC 鉆頭對于泥巖和鹽巖破巖效果相差明顯，鹽巖段機(jī)械鉆速明顯大于泥巖，鉆進(jìn)過程中根據(jù)鉆時(shí)及巖屑錄井情況，判斷出鹽頂及夾層位置，推算出鹽底位置，確定完鉆深度。

圖1 金壇某大口徑“S”型鹽穴儲(chǔ)氣庫井井身結(jié)構(gòu)圖

3.3 鉆井液體系的使用與維護(hù)

3.3.1 鉆井液體系

一開鉆遇古近系三垛組地層，巖性主要為粘土巖、玄武巖、固結(jié)程度不好的泥質(zhì)粉砂巖，地層造漿嚴(yán)重，弱固結(jié)地層特征和定向井井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對鉆井液性能要求較高，鉆井液性能需滿足能解決泥巖水化膨脹、鈣侵的問題，同時(shí)，需具備良好的井眼凈化能力。鉆進(jìn)過程中及時(shí)補(bǔ)充包被劑。同時(shí)，加足純堿及燒堿，保證鉆井液中CO32+及OH-含量，保證PH值控制在8-9，防止因地層中Ca2+、Mg2+的侵入造成鉆井液污染。加強(qiáng)對鉆井液性能的監(jiān)測，必要時(shí)排漿并及時(shí)補(bǔ)充泥漿材料。通過及時(shí)補(bǔ)充膠液和水化后的膨潤土來確保鉆井液量及性能滿足設(shè)計(jì)要求。采取一系列措施有效控制鉆井液中劣質(zhì)固相含量，加上對固控設(shè)備的巡回檢查維護(hù)，保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，可最大能力清除鉆井液中的劣質(zhì)固相。

二開主要鉆遇戴南組泥巖、阜寧組四段鹽巖地層，且井眼軌跡進(jìn)入降斜段及垂直段。調(diào)配飽和鹽水鉆井液，為解決含鹽地層中鉆井液易水土分離、失水量大的問題，鉆井液采用抗鹽粘土+LV-PAC+0.7%改性淀粉+RHPT-1+井壁穩(wěn)定劑來護(hù)膠、提粘切，提高鉆井液降失水能力，改善泥餅質(zhì)量。鉆進(jìn)過程中需加強(qiáng)對鉆井液性能的監(jiān)測，及時(shí)補(bǔ)充抗鹽的聚合物膠液，保證鉆井液對巖屑具有良好的抑制包被能力。及時(shí)清除井內(nèi)巖屑，防止巖屑分散形成虛泥餅。加強(qiáng)對鉆井液氯根監(jiān)測，保證鉆井液中Cl-濃度符合要求，防止鹽巖溶蝕。為防止井眼坍塌，鉆井液比重需要保持在1.30g/cm3以上以平衡地層壓力，保證井壁穩(wěn)定，同時(shí)最大限度利用好固控設(shè)備，控制泥漿中的劣質(zhì)固相含量。

4 結(jié)論

（1）金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與區(qū)域地層特征相關(guān)，所采用的井身結(jié)構(gòu)能夠科學(xué)、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)庫建設(shè)，能夠在井深1000m 左右的情況下實(shí)現(xiàn)200 米以上水平位移；

（2）通過對地層的特征、硬度、成分等因素進(jìn)行詳細(xì)分析，可以更科學(xué)地使用鉆具組合，實(shí)現(xiàn)鉆井液體系優(yōu)化，對“S”型鹽穴儲(chǔ)氣庫井鉆井技術(shù)措施的研究具有重要意義。