老鹽井組井型互換再利用工程實(shí)踐

郭家軒，張 旭，胡志興

（河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊(duì)，河北邢臺(tái)054001）

1 概述

井礦鹽是陸地上的鹽類物質(zhì)被地表水或地下水?dāng)y帶而積聚于內(nèi)陸盆地，在炎熱干旱、蒸發(fā)量大于水體補(bǔ)給量的條件下，盆地內(nèi)含鹽的水體不斷蒸發(fā)、濃縮，沉積為巨大的鹽類礦床。水平對(duì)接井在鹽井作業(yè)中被廣泛采用，具有產(chǎn)量大、投產(chǎn)快、開(kāi)采成本低和開(kāi)采周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)［1］，但開(kāi)采過(guò)程中也時(shí)常發(fā)生井堵。

一般處理井組堵塞常用的方法有壓井、通井、水平井側(cè)鉆開(kāi)窗重新對(duì)接已有溶腔［2］。對(duì)于原有通道徹底堵死的情況，重新開(kāi)窗二次對(duì)接原溶腔是最有效的方法，大部分堵塞井組通過(guò)該方法獲得了“重生”。但對(duì)于老直井（目標(biāo)井）無(wú)法與自身老溶腔連通，老水平井若開(kāi)窗側(cè)鉆二次水平連通老溶腔也無(wú)法形成有效U形通道的情況，應(yīng)避開(kāi)老溶腔，重新建立新溶腔。河北寧晉石鹽田Y 2-Y4井組修井過(guò)程中，就存在老溶腔無(wú)法再利用的情況，此時(shí)老溶腔成為井組二次對(duì)接的“累贅”。在Y 2-Y 4井組首次采用了水平井-直井井型互換的方法，成功二次連通，使老井組“復(fù)活”。

2 老井組情況

2.1 Y2-Y4井組井身結(jié)構(gòu)及軌跡數(shù)據(jù)

Y 2-Y 4老井組井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1，第一次連通數(shù)據(jù)情況見(jiàn)表2、圖1和圖2。

表1 Y2-Y4井組井身結(jié)構(gòu)Table 1 Structure of Well Set Y 2-Y4

表2 Y2、Y4井組軌跡數(shù)據(jù)Table 2 Trajectory data of well Y 2 and Y 4

井組連通初期，兩井下入中心管及安裝采鹵井口，首先保證井組通道持續(xù)注水出鹵，并將井內(nèi)泥漿全部頂替出井，待注水量逐漸增大，注水壓力也隨之逐漸降低，采注循環(huán)穩(wěn)定下來(lái)后，將注水和采鹵管線與制鹽車間對(duì)應(yīng)管線切換連接，成功將整個(gè)井組循環(huán)采鹵系統(tǒng)交由制鹽車間管理，車間正常采鹵生產(chǎn)。

圖1 Y2-Y4老井組連通水平圖Fig.1 Connection plan view of existing Well Set Y 2-Y 4

圖2 Y2-Y4老井組垂直圖Fig.2 Vertical view of existing Well Set Y 2-Y4

2.2 施工主要設(shè)備

井組施工投入的設(shè)備情況見(jiàn)表3。

表3 Y2-Y4井組施工設(shè)備Table 3 Drilling equipment for Well Set Y 2-Y4

2.3 鉆頭選取及鉆具組合

一開(kāi)直井段選用牙輪鉆頭，適合大鉆壓、大泵量、快速鉆進(jìn)，從而提高鉆效，縮短工期。

二開(kāi)直井段選用PDC鉆頭，該鉆頭適合軟到中硬度巖層，能適應(yīng)高轉(zhuǎn)速、低鉆壓的鉆進(jìn)工況，且使用壽命長(zhǎng)，能減少起下鉆次數(shù)以縮短工期［3］。但進(jìn)入定向增斜段后，由于PDC鉆頭特有的切削機(jī)理，鉆進(jìn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的托壓，不僅影響造斜率也影響工期，因此鉆至造斜點(diǎn)時(shí)應(yīng)起鉆更換牙輪鉆頭。

水平段多采用PDC鉆頭，可以有效地運(yùn)移鉆屑，清洗鉆頭，防止鉆頭泥包，提高機(jī)械鉆速，其螺旋保徑設(shè)計(jì)、軌道布齒設(shè)計(jì)、緩沖塊設(shè)計(jì)能保證鉆頭抗回旋性能［4］。

Y 4井采用的鉆具組合如表4所示（Y 2井鉆具組合大致相同，不再贅述）。

表4 Y4井鉆具組合Table 4 Drilling stem for Well Y4

3 老井組堵塞原因分析和修井過(guò)程

3.1 通道堵塞及原因預(yù)測(cè)

Y 2-Y 4井組正常采鹵一段時(shí)間后，返鹵量逐漸變得較小，注水壓力逐漸增高，井組通道堵塞。

分析井組通道堵塞原因主要有如下幾個(gè)方面。

（1）井口管道和井筒套管內(nèi)可溶鹽析出結(jié)晶堵塞。因出鹵方向是自井底至井口，地溫不斷降低，在鹵水通過(guò)返鹵井上升至地面的過(guò)程中，隨著地溫逐漸降低，鹽溶解度逐漸降低，很容易形成晶體析出附著在管道閥門不光滑部位或變徑處，附著或沉積在管道內(nèi)壁，產(chǎn)生堆積，縮小甚至堵塞流動(dòng)通道引起鹽結(jié)晶堵井［7］。

（2）地層蠕動(dòng)、地震等地質(zhì)活動(dòng)引發(fā)的夾層坍塌。在長(zhǎng)期的采鹵建腔生產(chǎn)活動(dòng)中，由于鹽巖層純度低，夾層多，而夾層的存在會(huì)導(dǎo)致腔壁變形不協(xié)調(diào)，蠕變速率不一致，因此可能會(huì)在交界面發(fā)生剪切破壞，從而產(chǎn)生較多的裂隙，造成坍塌。同時(shí)，井下復(fù)雜的地質(zhì)活動(dòng)，也會(huì)造成夾層坍塌，如地震、溶腔采空區(qū)頂板懸露、鹽層蠕動(dòng)等一系列誘因，會(huì)引發(fā)夾層坍塌［8］。夾層坍塌同時(shí)會(huì)導(dǎo)致套管擠毀錯(cuò)斷、中心管變形、坍塌夾層沉渣涌入通道，從而導(dǎo)致U形通道堵塞。

（3）套管損壞導(dǎo)致的通道堵塞。套管腐蝕是現(xiàn)有鹽井存在的普遍問(wèn)題，穿孔漏失、強(qiáng)度降低、管體變形、開(kāi)口錯(cuò)位等是套管腐蝕后的主要表現(xiàn)［9］。鹽井套管和中心管使用的鋼材料，在鹵水中極易被腐蝕，腐蝕形式包括酸腐蝕、電化學(xué)腐蝕和氧化腐蝕等。在偏酸性鹵水中，酸性物質(zhì)與鋼材料發(fā)生反應(yīng)，pH值越低，腐蝕速率越大。以及上文提到的地層運(yùn)動(dòng)、夾層坍塌所引起的套管損壞的連鎖反應(yīng)。

3.2 Y 2井通井解堵作業(yè)

老井組發(fā)生堵塞初期，采鹵車間首先采用調(diào)整注水量的方法，以便將堵塞的通道再次溶通，該方法未能奏效。后采用倒井反注的方法也無(wú)法再次建立有效循環(huán)。隨后又使用柱塞泵在井口進(jìn)行壓裂解堵，最高壓力至26 MPa，持續(xù)打/憋壓數(shù)天未能解堵，最終井組通道徹底堵塞。

在采鹵車間采用地面手段均無(wú)法使老井組再次連通的情況下，決定對(duì)Y2井進(jìn)行通井修井作業(yè)。

3.2.1 通井修井施工過(guò)程

（1）修井車通井。先使用XJ350型修井車進(jìn)行通井作業(yè)，使用?60 mm配水管通井，始終無(wú)法通井至井底。通至井深2580 m左右遇阻，采用加大排量、活動(dòng)鉆具等措施未能通至井底，隨后修井車撤場(chǎng)，配水管通井作業(yè)結(jié)束。

（2）通井修井作業(yè)。下鉆具（此次未攜帶鉆頭）通井至1610 m遇阻，同時(shí)憋泵無(wú)法建立循環(huán)，提鉆發(fā)現(xiàn)鉆具內(nèi)砂堵。

（3）第一次鉆掃。下入兩翼刮刀鉆頭，本次下鉆至2273 m遇阻，開(kāi)始沖掃孔，期間返出大量砂樣。沖掃至2476.72 m，發(fā)生井噴，且井噴后井口一直有鹵水涌出，共返出鹵水約500 m3。提鉆后發(fā)現(xiàn)下部鉆桿被巖粉堵死。

（4）第二次鉆掃。本次下鉆至2395 m遇阻，較上次井噴砂面上漲81.72 m，沖掃至2803 m，沖掃阻力變大，且鉆機(jī)出現(xiàn)憋鉆現(xiàn)象，提鉆后發(fā)現(xiàn)鉆頭有臺(tái)階狀損傷，且期間返出大量巖粉。

（5）第三次鉆掃。本次下鉆至2745 m遇阻，較上次砂面上漲58 m，期間活動(dòng)鉆具，開(kāi)泵沖掃出巖粉10余m3，鉆頭堵塞。

（6）第四次鉆掃。本次下鉆在2680 m處遇阻，較上次砂面上漲65 m，沖掃至2784 m遇阻無(wú)進(jìn)尺，提鉆后發(fā)現(xiàn)鉆頭磨損嚴(yán)重，在此期間，返砂量很大，達(dá)到0.375 m3/h，巖性主要是泥巖碎屑。

（7）第五次鉆掃。本次下入?108 mm銑錐，下鉆到2717 m處遇阻，較上次砂面上漲67 m，沖掃至2794 m，憋泵嚴(yán)重，且沖掃進(jìn)尺慢，提鉆檢查鉆具，期間返砂量較大。

（8）第六次鉆掃。本次下入四翼刮刀鉆頭，在2727 m處遇阻，較上次砂面上漲67 m，后繼續(xù)沖掃，鉆掃至2810 m時(shí)發(fā)生井涌，出水7～8 m3，出砂約5 m3，鹵水呈黑色且粘稠。此次鉆掃順利通過(guò)2803 m卡點(diǎn)，當(dāng)下至2835 m時(shí)遇阻，探底沖掃至2848.7 m，起鉆后發(fā)現(xiàn)鉆具斷裂，井底“落魚”60 m。

（9）打撈“落魚”。下入公錐打撈“落魚”，下鉆至2727 m遇阻，較上次砂面上漲121.7 m，沖掃至2738 m遇阻再無(wú)進(jìn)尺，后起鉆。

3.2.2 本次通井修井失敗原因分析

地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、溶腔擴(kuò)大導(dǎo)致薄夾層懸露等從而使夾層坍塌產(chǎn)生的細(xì)碎沉渣以及鹽層溶解過(guò)程中留下的不溶物質(zhì)增多；含氣量較多地層因溶腔擴(kuò)展溶解裸露后釋放其中高壓氣體，使得套管內(nèi)外壓力差很大；以上2種因素綜合作用下，使得沉渣不斷融入套管內(nèi)，其反映出的現(xiàn)象是：多次鉆掃沖砂后，砂面仍不斷上漲；一旦套管通道與溶腔存在通道，瞬間壓力差又會(huì)導(dǎo)致井噴及砂涌再次堵塞套管與溶腔之間的通道，使得原有U形通道一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)再次連通，堵塞模型分析見(jiàn)圖3。對(duì)Y 2井套管內(nèi)的通井工作以失敗告終［10］。

圖3 Y2井（直井）堵塞模型Fig.3 Blockage model of Well Y 2(vertical well)

3.3 Y 2井開(kāi)窗側(cè)鉆建立新軌跡（避老腔建新腔）

3.3.1 開(kāi)窗側(cè)鉆方案及施工

在Y 2井套管內(nèi)通井作業(yè)未能建立有效通道，實(shí)現(xiàn)老井組溶腔再利用的情況下，商議決定對(duì)Y 2井進(jìn)行開(kāi)窗側(cè)鉆重新建立新腔的方案。該方案技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為：（1）順利開(kāi)窗且窗口可以保證? 152.4 mm鉆頭通過(guò)；（2）側(cè)鉆防碰［11］；（3）避開(kāi)“葫蘆狀”老溶腔；（4）按照設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)至靶點(diǎn)；（5）成功坐掛尾管且保證固井質(zhì)量；（6）有效建立新溶腔。

井隊(duì)先后進(jìn)行刮削套管作業(yè)，在井深2635 m處下入橋塞并成功坐封，同時(shí)下入斜向器坐封于井深2576 m處，下入?153 mm銑錐鉆頭成功開(kāi)窗后定向鉆進(jìn)至井深2707.4 m處［12］，發(fā)生井噴，此時(shí)Y 2井新軌跡距離Y 2老井套管約有10 m的空間距離，同時(shí)老井組生產(chǎn)采鹵溶腔通道垂深2841 m，井噴點(diǎn)垂深差距約136 m。

Y 2井繼續(xù)沿用水平井設(shè)計(jì)開(kāi)窗側(cè)鉆建立新軌跡的方案失敗。

3.3.2 本次施工失敗原因分析

鹽層厚度在100 m以上的水平對(duì)接鹽井井組，其主生產(chǎn)期基本在豎直溶腔內(nèi)進(jìn)行，豎直溶腔形狀受采區(qū)的夾層厚度和水不溶物含量等礦石特性影響，同時(shí)夾層坍塌及套管與井壁環(huán)空水泥環(huán)脫落導(dǎo)致溶腔不斷上竄，從而形成以直井為中心多個(gè)“鍋底”狀不規(guī)則圓柱形溶腔（葫蘆狀）［13］，其模型見(jiàn)圖4。此時(shí)，直井開(kāi)窗側(cè)鉆后無(wú)法避開(kāi)老溶腔上竄形成的空腔體，導(dǎo)致井噴，致使Y 2直井小角度開(kāi)窗側(cè)鉆避開(kāi)老腔建立新腔的方案失敗。

圖4 “葫蘆狀”溶腔模型Fig.4 “Gourd”cavity model

4 井組井型互換實(shí)現(xiàn)井組“復(fù)活”

4.1 井型互換方案

在Y 2井通井方案無(wú)法處理直井套管內(nèi)沉渣面上漲問(wèn)題和Y 2井開(kāi)窗側(cè)鉆小角度位移無(wú)法有效避開(kāi)老腔的前提下，研究決定采用老井組井型互換（Y 2直井改為水平井，Y 4水平井改為直井）的方案，旨在徹底拋棄并遠(yuǎn)離Y 2井底的老溶腔，最大程度利用老井價(jià)值，重新建立軌跡和新溶腔，以達(dá)到老井組再利用的目的。這是老井組井型互換方法在本區(qū)塊的首次應(yīng)用。

本區(qū)塊首次采用直井開(kāi)窗側(cè)鉆后定向雙增軌跡曲線（直-增-穩(wěn)-增-平）的實(shí)鉆軌跡，旨在利用大角度井斜走大位移以達(dá)到最大程度避開(kāi)老溶腔上竄形成的“葫蘆狀”溶腔的目的，對(duì)于設(shè)計(jì)軌道需繞腔的復(fù)雜井，要與地質(zhì)、礦藏開(kāi)發(fā)工程師對(duì)已開(kāi)采形成溶腔進(jìn)行分析計(jì)算，實(shí)鉆軌跡需安全繞腔，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余礦藏有效開(kāi)采［14］。同時(shí)其軌跡曲線又要滿足水平對(duì)接鹽井組中定向水平井的軌跡要求，包括防碰、“狗腿”度、裸眼長(zhǎng)度及水平段長(zhǎng)度等定向軌跡技術(shù)指標(biāo)，表5、表6、圖5、圖6為新老井的軸跡數(shù)據(jù)。

表5 Y4井開(kāi)窗側(cè)鉆變直井實(shí)鉆軌跡Table 5 Actual drilling trajectory in changing Well Y 4 into a vertical well through window milling

表6 Y2井大位移避老腔雙增軌跡Table 6 Double-build tr ajector y of Well Y2 with large displacement to by-pass the existing caver n

4.2 施工工序

除軌跡設(shè)計(jì)外，施工工序基本與傳統(tǒng)水平對(duì)接鹽井組施工工序相同。

4.2.1 Y 4井開(kāi)窗側(cè)鉆改直井施工

（1）Y 4井刮管作業(yè)后，于井深2652 m處開(kāi)窗，采用常規(guī)開(kāi)窗鉆具組合。

鉆具組合：?153 mm銑錐鉆頭+?120 mm鉆鋌+?89 mm鉆桿，帶1～2單根鉆鋌，以防止鉆具柔性懸垂打碰到下方Y(jié) 4井技術(shù)套管。

（2）定向鉆進(jìn)至2769 m，要求終孔井斜＜5°，以便后期對(duì)接儀器下入及建腔鉆具安全。

定向鉆具組合：?152 mmPDC鉆頭+?120 mm單彎螺桿+?120 mm無(wú)磁鉆鋌+?89 mm加重鉆桿40 m+?89 mm鉆桿。

（3）終孔后，提鉆時(shí)需最后一次丈量鉆具，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和隨鉆伽馬數(shù)據(jù)，修正對(duì)接靶點(diǎn)。根據(jù)Y 4井隨鉆伽馬值以及巖屑錄井綜合數(shù)據(jù)，確定要封固的夾層頂板，下入?139.7 mm無(wú)接箍尾套管固井候凝72 h。

后下入?108 mm鉆頭掃水泥至原井底。掃水泥鉆具組合：?108 mm鉆頭+?73 mm鉆桿+?89 mm鉆桿。

（4）掃通水泥后，原鉆具定期使用飽和泥漿在井底循環(huán)，保證井筒通暢，并根據(jù)Y 2井施工進(jìn)度，更換淡水建槽（合理規(guī)劃建槽時(shí)間）。建槽完成后，待Y 2井鉆進(jìn)至靶點(diǎn)前80～100 m時(shí)，Y 4井下入強(qiáng)磁對(duì)接儀器。連通后下入配水管，連接井口裝置，將井組交由制鹽車間，井隊(duì)撤場(chǎng)。

4.2.2 Y 2井開(kāi)窗側(cè)鉆改水平井施工

（1）Y 2井刮管、開(kāi)窗、側(cè)鉆等施工工藝和鉆具組合選配與Y 4井開(kāi)窗側(cè)鉆施工相同，不再贅述。

（2）定向段前期使用大度數(shù)彎螺桿以滿足前期高造斜率，同時(shí)注意套管防碰，并在之前井噴處保證50 m以上位移，進(jìn)入穩(wěn)斜段后更換小度數(shù)螺桿穩(wěn)斜鉆進(jìn)，二次增斜應(yīng)提前試定向，分析預(yù)測(cè)之后造斜率是否滿足待鉆要求，同時(shí)注意“狗腿”度問(wèn)題，以防出現(xiàn)鉆具阻力大以及影響后期下尾管的順利送入。

（3）距離靶點(diǎn)80～100 m井深時(shí)，起鉆下入強(qiáng)磁接頭，并根據(jù)強(qiáng)磁對(duì)接儀器修正參數(shù)鉆進(jìn)［15］，直至連通。

（4）井組連通后，下?60 mm配水管，連接井口裝置，將井組交由制鹽車間，井隊(duì)撤場(chǎng)。

圖5 井型互換后水平軌跡Fig.5 Hor izontal trajector y after well type switch

圖6 井型互換后垂直軌跡Fig.6 Vertical trajectory after well type switch

5 修井效果

本次修井所采用的“井型互換”方法，成功實(shí)現(xiàn)老井組的再利用，鹵水濃度及流量均達(dá)到了采鹵生產(chǎn)的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

鹽井堵塞一直是鹽田開(kāi)采最常見(jiàn)的問(wèn)題，其堵塞可由多方面因素導(dǎo)致，對(duì)于某些井組存在特殊性的問(wèn)題，不能照搬理論與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，治理方法要“對(duì)癥下藥”。

在本次鹽井修井過(guò)程中，采用了井組井型互換、優(yōu)化鉆具組合、完善施工體系等方法，達(dá)到了修井采鹵的目的。油氣田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的大斜度繞障技術(shù)在鹽田對(duì)接井鉆修井施工中取得了成效。

本次修井施工的成功經(jīng)驗(yàn)也為之后的鹽井組修治提供了一種新的方法。