金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫定向井提高鹽巖利用率研究與應(yīng)用

莊曉謙 夏焱 袁光杰 付盼 李景翠 王元慶 路立君

1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司；2. 華北石油管理局有限公司江蘇儲(chǔ)氣庫分公司

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水溶形成洞穴儲(chǔ)存空間來存儲(chǔ)天然氣，是儲(chǔ)氣庫主要類型之一。鹽穴儲(chǔ)氣庫的類型主要有3 種：薄鹽層中的巷道式鹽穴腔體，多夾層巖鹽中的倒梨形腔體和鹽丘中的圓柱形腔體，其建造技術(shù)在國(guó)外已是一種比較成熟的應(yīng)用技術(shù)［1-3］。金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫為我國(guó)第1 個(gè)鹽穴地下儲(chǔ)氣庫，建庫時(shí)間已有10 余年。建庫初期，考慮到施工難度，且國(guó)內(nèi)鹽穴建庫的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)尚不豐富，因此前期常規(guī)鹽穴注采井的鉆井井型一般為直井。直井井型在金壇地區(qū)已實(shí)施了60 余口，其中有部分井已注氣排鹵完畢，進(jìn)入了注采氣運(yùn)行階段。實(shí)踐證明，直井的鉆井方式基本能夠滿足鹽穴儲(chǔ)氣庫建庫的需要。但是，在可行性設(shè)計(jì)中，由于采用直井鉆井，在設(shè)計(jì)探勘階段和實(shí)施征地階段，處處受制于地表?xiàng)l件，導(dǎo)致鹽礦資源得不到充分的利用。

為此，在金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫茅興礦區(qū)嘗試進(jìn)行叢式布井試驗(yàn)，在原可行性設(shè)計(jì)井網(wǎng)、井距基礎(chǔ)上，對(duì)可行性方案中的設(shè)計(jì)井進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)一直井多定向井于一個(gè)井場(chǎng)內(nèi)，直井和斜井相結(jié)合，以期在有限的礦區(qū)面積內(nèi)，增強(qiáng)后期溶腔、注采氣集輸作業(yè)工作的高效管理和安全控制，使鹽層資源得到更有效的利用，最終形成更高效的鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)方案。

在國(guó)內(nèi)湖北云應(yīng)、河南平頂山等鹽穴儲(chǔ)氣庫，曾經(jīng)采取定向鉆水平井的方式進(jìn)行鹽穴注采井的鉆井作業(yè)［4-5］，即鹽穴雙井單腔形式，其特點(diǎn)是雙井建腔，鉆兩口井用于建同一個(gè)鹽腔，連通后一注一采進(jìn)行造腔作業(yè)；而筆者所述定向注采井為單井單腔形式。由于井型不同，后期造腔和注采工藝不同，這兩種建腔形式對(duì)鉆井的設(shè)計(jì)和施工的要求差別明顯。

采用叢式井的方式，通過定向注采井單井建造鹽腔，相關(guān)工作在國(guó)內(nèi)為首次開展。在十余年的鹽穴儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，經(jīng)過攻關(guān)研究和分析，提出了有效的設(shè)計(jì)方案和研究結(jié)論。

1 金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫定向注采井設(shè)計(jì)方案

金壇鹽礦區(qū)地層系統(tǒng)有元古界的震旦系，古生界的寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系，中生界的三疊系、侏羅系、白堊系及新生界的第三系和第四系。建庫地區(qū)鹽巖層比較穩(wěn)定，建庫前期采用均勻布腔、局部調(diào)整的原則，在三角形和正方形布腔2 種布腔方式中，選擇三角形布腔，腔距要求210～250 m。

金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫注采井井身結(jié)構(gòu)一般為二開，一開封固第三系三垛組下部玄武巖易漏地層，鉆穿玄武巖底后至少15 m 完鉆?？紤]到茅興區(qū)塊地層特點(diǎn)，距玄武巖底以下大約30～80 m 井段鉆井過程中垮塌比較嚴(yán)重，因此一開深度適當(dāng)加深。生產(chǎn)套管下入深度以滿足造腔工程需要確定(圖1)。

圖1 金壇儲(chǔ)氣庫典型定向注采井井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic well structure of typical directional injection/production well in Jintan gas storage

2 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

茅興區(qū)塊儲(chǔ)氣庫注采井井場(chǎng)采用叢式布井的方式，將多口注采井的井口布置于同一井場(chǎng)，基于鹽穴儲(chǔ)氣庫井對(duì)井身結(jié)構(gòu)的特殊要求，單井采用5 段制的基本設(shè)計(jì)型式，通過一段增斜段、一段穩(wěn)斜段和一段降斜段，使處于同一井場(chǎng)的井形成的鹽腔，滿足鹽穴溶腔在地層中的分布要求。

2.1 井眼軌道設(shè)計(jì)難點(diǎn)

茅興鹽礦區(qū)內(nèi)的巖鹽層埋深大約在790～930 m，針對(duì)埋深較淺的巖鹽層，要滿足鹽穴儲(chǔ)氣庫布井間距要求的定向鉆井(水平間距210 m 以上)存在一定難度，主要體現(xiàn)在以下方面。

(1)井眼軌道方案確定。表層套管要求封固玄武巖易漏地層，導(dǎo)致注采井表層套管下入較深。由于造腔和注采需要，一開表層套管尺寸較大，為?339.7 mm，使用鉆頭直徑為444.5 mm，如果在一開開始造斜，鉆進(jìn)造斜比較困難；如果水平位移的要求均在二開井段實(shí)現(xiàn)，雖然避免了大尺寸增斜鉆進(jìn)的問題，但由于底部目的層鹽層上部還要求一定長(zhǎng)度的垂直段，完成鹽穴儲(chǔ)氣庫注采井水平位移要求的井段則集中在垂深很窄的范圍。這對(duì)造斜率和最大井斜角等參數(shù)影響很大，對(duì)后期的造腔和注采同樣會(huì)造成嚴(yán)重影響。

(2)斜井大直徑套管下入問題。井斜大時(shí)摩阻較大，需要在軌道設(shè)計(jì)時(shí)考慮后期套管的下入難度。

(3)鹽穴儲(chǔ)氣庫注采井對(duì)軌跡的特殊要求。鹽穴儲(chǔ)氣庫注采井鉆井完成后，后續(xù)大量的時(shí)間用于造腔，造腔過程需起下造腔管柱；而造腔完成后的注采氣運(yùn)行階段也需下入注采管和排鹵管進(jìn)行注氣排鹵。此外，造腔及注氣排鹵過程下入的工具也對(duì)井斜等參數(shù)有要求，因此井身軌跡對(duì)這些施工過程都會(huì)造成影響，前期軌道設(shè)計(jì)必須考慮這些因素。

2.2 造斜率的確定

國(guó)外資料顯示，在鹽穴儲(chǔ)氣庫常見的深度范圍內(nèi)，定向井造斜率最大為4.5°左右［6］，金壇定向井目前常用3°左右的造斜率，對(duì)于金壇特定的地質(zhì)情況可滿足工程需要。其他區(qū)塊，針對(duì)不同井位的地質(zhì)工程需求，結(jié)合地面情況，在定向工具滿足要求情況下，造斜率可以適當(dāng)增大，但一般不宜超過3.5°。

2.3 最大井斜角的確定

最大井斜角的限制，體現(xiàn)在后期造腔工程和注采運(yùn)行中測(cè)井儀器的下入限制，如果井斜過大，測(cè)井儀器無法順利下入，后續(xù)作業(yè)難以正常進(jìn)行。

2.4 螺桿鉆具優(yōu)選

金壇區(qū)塊定向注采井鉆井初期，一開二開均采用1.25°的螺桿鉆具，定向過程順利，但是從效果來看，對(duì)井徑擴(kuò)大率造成了一定影響，初期井徑擴(kuò)大率較高，井身質(zhì)量略差，給后期固井作業(yè)增加了難度。

經(jīng)過分析研究，將二開使用的螺桿鉆具由1.25°調(diào)整為1°，結(jié)合其他工藝措施，井徑擴(kuò)大率有一定程度的降低，井身質(zhì)量有所提高。

2.5 最大水平位移的限制

國(guó)外定向注采井的設(shè)計(jì)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)是：為保證井下電纜及工具能夠正常操作，依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，水平位移不應(yīng)超過1 000 英尺，即305 m［6］，此時(shí)最大井斜角將達(dá)到41°左右。當(dāng)井深較淺，而水平位移要求較大時(shí)，一方面需要保證鹽層頂部以上一定長(zhǎng)度的垂直井段，另一方面，造斜點(diǎn)位置還受地層等因素制約，因此水平位移最大值將存在一個(gè)極限，以避免最大井斜角過大導(dǎo)致的問題。

對(duì)于金壇茅興區(qū)塊，由于前述地層方面的特點(diǎn)，造斜點(diǎn)深度、穩(wěn)斜段長(zhǎng)度、降斜點(diǎn)深度以及降斜結(jié)束深度都存在一定限制，最大水平位移受其影響，目前的設(shè)計(jì)方案以不大于250 m 為宜。從鹽腔分布的角度，此深度已基本滿足區(qū)塊布腔的距離要求。

2.6 套管下入分析

金壇儲(chǔ)氣庫二開井段需要在?311.2 mm 井眼下入?244.5 mm 套管?？紤]到二開套管管徑較大，在最大井斜角約30°的井眼中，套管能否順利下入至設(shè)計(jì)井段，需要對(duì)下套管摩阻進(jìn)行計(jì)算分析。使用Landmark 鉆井設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行一開和二開下套管摩阻分析，并以此為依據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)方案的軌道進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。模擬結(jié)果表明，一開及二開套管均可順利下入，且下入過程中不會(huì)發(fā)生應(yīng)力破壞。

2.7 定向注采井井型對(duì)后續(xù)作業(yè)的影響

定向注采井井筒呈“S”形，造腔過程相對(duì)直井井筒存在以下不同：(1)循環(huán)通道存在一定曲率，摩阻相應(yīng)增大；(2)多次下入和起出造腔管柱，對(duì)生產(chǎn)套管易造成損傷，需要對(duì)套管采取保護(hù)措施；(3)造腔管柱隨井筒彎曲存在一定曲率，受力狀態(tài)更復(fù)雜。

注采過程也將造成以下影響：(1)注采管柱工具附件下入對(duì)井筒曲率提出一定的要求，最大井斜不應(yīng)超過35°；(2)排鹵管彎曲可能加重注氣排鹵時(shí)管內(nèi)壁的結(jié)晶結(jié)垢程度。

針對(duì)上述可能產(chǎn)生的影響，前期鉆井工程應(yīng)提出對(duì)應(yīng)的工藝措施，并在造腔、注采工程的方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮井斜對(duì)工程的影響。

2.8 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

(1)定向井軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)應(yīng)根據(jù)區(qū)塊地層情況和地面條件，結(jié)合現(xiàn)有定向工具情況綜合確定。不同區(qū)塊地層情況和地面條件存在差異，但均應(yīng)滿足布腔間距的要求，同時(shí)以保證現(xiàn)場(chǎng)施工順利和氣庫長(zhǎng)期穩(wěn)定安全為設(shè)計(jì)的基本原則。就金壇區(qū)塊而言，軌道設(shè)計(jì)方案推薦二開井身結(jié)構(gòu)，造斜段位于一開，降斜段位于二開，穩(wěn)斜穿過玄武巖段。軌道參數(shù)中，以造斜率不超過3.5°、最大井斜角不超過30°、水平位移不超過250 m 為宜。

(2)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除考慮常規(guī)鹽穴儲(chǔ)氣庫井設(shè)計(jì)因素外，還應(yīng)結(jié)合定向注采井的軌跡情況綜合確定。由于鹽穴儲(chǔ)氣庫井的井筒尺寸往往較大，在進(jìn)行定向鉆進(jìn)及下套管作業(yè)前，應(yīng)對(duì)區(qū)塊典型井進(jìn)行必要分析論證，避免在施工階段出現(xiàn)復(fù)雜情況。

(3)細(xì)致的控制管理措施與技術(shù)要求在施工中的精確實(shí)施，是保障建庫效果的關(guān)鍵。鹽穴儲(chǔ)氣庫井的井身質(zhì)量要求較高，而定向注采井的井筒特點(diǎn)又對(duì)井身質(zhì)量和井筒密封性提出了更高的要求，一方面需要對(duì)設(shè)計(jì)和施工中的各個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化；另一方面，針對(duì)施工過程，應(yīng)制訂明確的施工措施，細(xì)化達(dá)到技術(shù)要求需要采取的管理手段，以保證實(shí)施效果符合設(shè)計(jì)目的。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫規(guī)劃鹽穴定向注采井約50 口，每個(gè)井場(chǎng)1～4 口井，目前完鉆18 口井，部分定向井軌跡見圖2。定向鉆井使同區(qū)塊布井?dāng)?shù)量較初步設(shè)計(jì)增加60%以上，大大增加了鹽巖資源的利用率，擴(kuò)充了鹽穴儲(chǔ)氣庫的總庫容量和有效工作氣量，同時(shí)也提升了鹽礦企業(yè)的采礦率等重要生產(chǎn)指標(biāo)。

圖2 金壇儲(chǔ)氣庫部分定向井軌跡Fig. 2 Trajectory of some directional wells in Jintan gas storage

定向井在此區(qū)塊的成功應(yīng)用，解決了本區(qū)塊難以獲批地面新井場(chǎng)的難題，同時(shí)降低了新井場(chǎng)選擇難度，擴(kuò)大了地面可布井范圍，為鹽穴儲(chǔ)氣庫已有區(qū)塊加密布新井，提出了新的思路和方法。

4 結(jié)論

(1)采用叢式定向井井型鉆探鹽穴儲(chǔ)氣庫注采井，在目前國(guó)內(nèi)鹽層建庫條件下是可行的，且具有靈活、經(jīng)濟(jì)、鹽巖資源利用率高的優(yōu)勢(shì)，后期鹽穴建庫應(yīng)推廣這種方式。

(2)在金壇地區(qū)鹽穴儲(chǔ)氣庫建庫地質(zhì)條件下，一開?444.5 mm 鉆 頭 下 入?339.7 mm 套 管，二 開?311.2 mm 鉆頭下入?244.5 mm 套管，此種類型的大尺寸井眼進(jìn)行定向鉆完井是可以順利實(shí)現(xiàn)的，其他區(qū)塊也可以在條件允許的情況下進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)。這有利于拓寬對(duì)大尺寸井眼定向鉆井的認(rèn)識(shí)。

(3)目前國(guó)內(nèi)已鉆探部分鹽穴定向注采井，這部分井的造腔工程已開始逐步實(shí)施，注采工程由于整體工程進(jìn)度的順序性還尚未開展。隨著建庫工程的逐步推進(jìn)，與定向井井型相關(guān)的新問題，在以后的工程實(shí)施中，將逐步顯現(xiàn)和解決，最終形成成熟的鹽穴儲(chǔ)氣庫定向鉆完井技術(shù)。