楚州鹽礦建設地下儲氣庫配套鉆井技術研究

薛 雨，王立東，王元剛，王曉剛，井 崗，張新悅

（中國石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司儲氣庫項目部，江蘇鎮江 212000）

由于鹽穴儲氣庫具有注采靈活，單井吞吐量大、墊氣量小且可回收、儲氣損失小等優點[1，2]，國內各地都在大力開展鹽穴儲氣庫建設[3-7]。楚州鹽礦位于江蘇省淮安市淮安區（原楚州區），距冀寧聯絡線楚州分輸站7 km，距離在建的中俄東線天然氣管道61 km，礦區內便利的公路、水路運輸也為鹽礦的開發提供了有利條件。楚州鹽礦建成地下儲氣庫后，不但能參與中俄東線和冀寧聯絡線的調峰和應急供氣，更能保證長三角和環渤海地區的天然氣供應[8]，具有重要建設意義。鉆井工程是鹽穴儲氣庫建設中的一個重要環節，因此有必要對楚州鹽礦建設地下儲氣庫過程中的鉆井技術進行研究，以達到提高鉆井效率，縮短鉆井周期的目的。

1 地質概況

楚州鹽礦地層從上到下可分為第四系東臺組、第三系上統鹽城組、白堊系上統赤山組和浦口組[9]。浦口組地層可分為三段，其中浦二段上鹽亞段第三巖性組合含鹽厚度大，含礦率高，為儲氣庫建設的主要目的層段。結合鉆井資料以及二、三維地震勘探結果，楚州儲氣庫將分為張興和楊槐兩個區塊建設。張興區塊造腔層位為第三巖性組合7～9鹽群，鹽層頂板平均埋深為1 400 m；楊槐區塊造腔層位為第三巖性組合1～5鹽群，鹽層頂板平均埋深為1 900 m。

2 配套鉆井技術研究

2.1 井型優選

鹽穴儲氣庫在建設中可以采用單井單腔、單井雙腔和雙井單腔三種井型。目前國內外最常用的是單井單腔模式，雖然周期相對長一些，但技術成熟，可靠性高。單井雙腔目前國內鹽穴儲氣庫還未嘗試過，只在采鹽作業中有過類似方式。雙井單腔已在云應鹽穴儲氣庫開展先導性試驗[10]，有初步的鉆井實施經驗，但造腔才剛剛開始，實施經驗少，注采無實施經驗，在腔體形態控制、頂板保護、造腔工藝、后續的注采運行及安全性等方面雙井單腔存在的許多問題還不明了。因此楚州鹽礦在建設儲氣庫鉆井時仍采用最成熟的單井單腔方式。

2.2 井身結構優選

2.2.1 井身結構 鹽穴注采氣井井身結構不同于枯竭油氣藏，必須同時滿足注采、造腔和鉆井安全的需要。根據金壇、云應、淮安、平頂山等已建和在建的鹽穴儲氣庫經驗，目前鹽穴儲氣庫主要有二開和三開兩種井身結構。生產井如果采用三開井身結構，在實際生產中容易存在以下幾個問題：（1）三開目的層井徑只有φ215.9 mm，井徑偏小，下步造腔中需要使用的油水界面儀下入困難，而且易掛靠損壞；（2）井徑偏小使作業過程相對困難，如造腔中起下管柱作業、聲吶測腔作業施工等，環空間隙小還使界面測井儀器數據識別難度增大；（3）三開后如果擴眼，則施工困難，成本高；而且擴眼后的井徑也相對二開井要小。因此，注采氣生產井從減少施工程序，縮短鉆井周期以及為后續的造腔過程提供條件等角度考慮，楚州鹽礦在建庫過程中仍然采用常用的二開井身結構。取心井出于獲取區塊資料的需要，一般在蓋層和目的層會有長段取心作業，以及地層的多次承壓試驗，則選擇采用三開結構能夠更好地維持井眼的穩定性。

2.2.2 套管尺寸 綜合考慮目前國內鹽穴儲氣庫建設現狀及當前技術情況，楚州鹽穴儲氣庫采用常規的尺寸，即生產套管尺寸為Φ244.5 mm，表層套管尺寸為Φ339.7 mm。

2.2.3 完鉆井深 楚州鹽穴儲氣庫的鹽層總厚度較大，達到230 m，主要集中在浦口組浦二段上鹽亞段。張興區塊造腔層位為第三巖性組合7～9鹽群，鹽群平均埋深為1 400 m～1 630 m；楊槐區塊造腔層位為第三巖性組合1～5鹽群，鹽群埋深平均為1 900 m～2 130 m。因此在楚州建庫有兩種建腔方案，張興區塊目的層段鹽底為1 630 m，最終完鉆層位確定為距造腔目的層段鹽層底板5 m的位置，即裸眼完成井段鉆深為1 625 m。楊槐區塊的目的層段鹽底確定為2 130 m，最終完鉆層位確定為距造腔目的層段鹽層底板5 m的位置，即裸眼完成井段鉆深為2 125 m。

2.2.4 套管下深 根據楚州鹽礦的地層巖性，上部地層東臺組含有礫質砂巖，鹽城組含有中細砂巖、含礫砂巖，赤山組含有砂質泥巖夾細砂巖、泥質粉砂巖，浦三段含有粉砂質泥巖、泥巖與粉砂巖互層。上述地層易漏，必須進行封堵。因此有必要下入表層套管封堵上述地層，參考老井資料，表層套管下入深度為進入浦三段70 m，張興區塊表層套管下深455 m，楊槐區塊表層套管下深520 m。生產套管鞋一般進入鹽層15 m～20 m。楚州鹽穴儲氣庫的造腔目的層厚度較大，根據地質要求，生產套管的下深以不少于20 m為準。依據上述基本原則和造腔層段的位置確定了張興區塊和楊槐區塊生產套管下深分別為1 420 m和1 920 m。張興和楊槐區塊井身結構（見圖1）。

2.3 鉆具組合及鉆井參數優選

2.3.1 鉆具組合優選 鹽穴儲氣庫在鉆井時需要考慮以下幾點：（1）表層井眼要鉛直確保井口裝置平正；（2）二開鹽巖層段以上，地層傾角小，采用塔式或鐘擺鉆具結構，確保鹽巖層上部井眼垂直；（3）鹽巖層蠕變縮徑，采用簡化的鉆具結構，防止卡鉆；（4）根據井下情況，需要隨時加入減震器和隨鉆振擊器；（5）為保證井身質量檢測準確性，要求盡量在靠近鉆頭上部使用一根無磁鉆鋌。

根據以上原則，楚州儲氣庫鉆井時一開鉆具組合為：φ444.5 mm 鉆頭+φ228.6 mmDC×3根+φ203 mmDC×3根+φ177.8 mmDC×3 根+φ158.8 mmDC×15 根+φ127 mmDP（備注：DC-鉆鋌，DP-鉆桿，以下相同）；二開鉆具組合為：φ311.1 mm鉆頭+φ203 mmNMDC×1根+φ203 mmDC×1根（或 2根）+φ310 mm 扶正器+φ203 mmDC×3根+φ177.8 mmDC×3根+φ158.8 mm 鉆鋌×12根+φ127 mmDP。

如所鉆的井為取心井時，生產套管固井后的三開鉆進過程，可能會對生產套管鞋附近的固井質量存在影響，在三開鉆進時推薦使用井下動力鉆具，或者在鉆具上添加防磨套，降低鉆進過程對生產套管鞋處固井質量的影響。

2.3.2 鉆頭優選 可通過對地層可鉆性劃分，優選鉆頭[11]，主要使用鋼齒或鑲齒牙輪鉆頭。鋼齒鉆頭單位時間切削量比鑲齒鉆頭大，價格低，適用于軟～中硬地層，缺點是壽命短，不適合硬地層。鑲齒鉆頭壽命長，價格高于鋼齒，地層適應性強。楚州鹽礦上部地層以中細砂巖、含礫砂巖為主，中部和下部以泥巖、粉砂質泥巖、鹽巖為主，可鉆性比較好。因此，一開以上用鋼齒鉆頭，二開以下用鑲齒鉆頭。

2.4 鉆井液優選

2.4.1 鉆井液密度的確定 上部井段鉆井液必須具有防漏失性能，防止東臺組、鹽城組地層中的含砂質黏土、泥質粉砂巖和細砂巖在鉆井過程中發生漏失；根據楚州鹽礦的埋深特點以及實鉆情況，一開鉆井液密度控制在1.10 g/cm3～1.15 g/cm3范圍內。二開中部井段為淡水鉆井液向飽和鹽水鉆井液的轉化階段，通過循環周連續緩慢地加入NaCl，逐步達到飽和鹽水鉆井液的各項性能。二開下部井段及鹽層段，采用能夠防止鹽巖地層溶蝕及蠕變的飽和鹽水鉆井液[12]，鉆井液密度1.3 g/cm3～1.35 g/cm3。

圖1 楚州儲氣庫井身結構

2.4.2 鉆井液體系的確定 依據楚州地層特征，經C1井鉆井實踐，初步確定一開采用聚合物鉆井液體系，二開中部井段使用鹽水聚合物鉆井液，進入鹽頂以上200 m左右完成鹽水聚合物鉆井液向飽和鹽水型鉆井液的轉換，二開下部井段及三開使用飽和鹽水型鉆井液。

2.4.3 鉆井液性能要求

（1）上部井段：上部井段井眼尺寸相對較大，應重點解決大井眼攜砂問題；推薦使用聚合物鉆井液體系，對易造漿地層建議使用抑制性較強的KPAM，以保持鉆井液良好的流變性能。

（2）鹽層段：鉆井液密度（1.3 g/cm3～1.35 g/cm3）；控制好鉆井液的濾失量；保持Cl-濃度大于1.8×105mg/L，跟蹤檢測Cl-濃度，必要時采取相應措施。

2.4.4 固相控制措施 二開以后井段保證固控設備（振動篩、除砂器、離心機、除泥器）運轉正常，降低鉆井液中的劣質土含量和鉆屑含量，以保證鉆井液流變性易于調整。

2.5 固井工藝技術

2.5.1 套管材質及扣型優選 楚州儲氣庫作為中俄東線配套儲氣庫，其來源氣中CO2含量最高為0.06 mol%，無H2S。鹽穴儲氣庫運行壓力區間為張興區塊 10 MPa～23 MPa，楊槐區塊13 MPa～32 MPa。根據CO2含量以及運行壓力生產套管選用普通碳鋼即可。綜合考慮套管強度的要求，張興區塊和楊槐區塊分別選用80T和P110TT鋼級的套管。

對于楚州鹽穴儲氣庫使用的生產套管，要求其連接絲扣必須具有氣密性，而且由于來源氣中含有一定量的CO2，因此絲扣還必須具有抗黏扣的性能。由此，必須使用特殊絲扣才能滿足這些要求。推薦選用的氣密扣類型為：NK-3SB、VAM-TOP、寶鋼BGT、VAGT扣等。

2.5.2 固井難點分析 鹽穴儲氣庫的水泥漿要求與常規油氣井和采鹵井有很大不同，其技術難度非常大，主要有：固井時鹽層溶解，鹵水進入水泥漿，由于偏摩爾量變化造成水泥漿總體積減少，導致上部水泥漿回落，蓋層和泥巖層的封隔質量受到影響。同時，鹽層部位的水泥漿也由于受到侵蝕，稠化時間大大延長，抗壓強度發展緩慢，本身的膠結也減弱。油氣井的壓力在固井后逐步降低，而儲氣庫的壓力則是周期性變化[13]。水泥石的膠結承受交變應力的影響。鹽水水泥漿與低礦化度的地層水之間，由于擴散作用將產生物質交換，造成水泥石強度隨時間衰竭快。溶腔逐步擴大后，由于地層壓力變化，可能沿膠結面產生裂縫，造成地層水倒灌入井和井口冒鹵；當轉為儲氣后，井口會泄漏天然氣。另外，鹽穴儲氣庫井眼尺寸較大，固井頂替效率難以保證。

2.5.3 固井施工工藝 針對楚州地層和鹽穴儲氣庫注采井的特點，采取的提高固井質量的工藝措施有：表層套管采用內插法固井，生產套管采用常規固井方式。生產套管下入時，應逐根進行氦氣氣密封性檢測，以確保生產套管柱螺紋氣密封性。

采用兩種水泥漿體系，鹽巖層以上用常規水泥漿體系，鹽巖層采用半飽和鹽水水泥漿體系。水泥漿配方必須按規范在室內進行嚴格篩選，固井前取現場配漿水做重復試驗及與鉆井液、前置液的相容性試驗，有問題及時調整。

固井前充分循環鉆井液，根據井下情況調整鉆井液的性能，做到低黏低切，確保井壁穩定、井眼暢通、無垮塌，無后效，為固井創造一個良好的井眼條件。若固井前發生井漏，必須進行堵漏后，方可進行施工，視井漏情況確定合適的固井方案。如固井過程中發生井漏，水泥漿返不到井口，必須從井口灌漿，保證全井段的封固質量。

生產套管固井質量應達到合格，蓋層段膠結質量連續優質段大于50 m。固井作業完成后72 h內進行固井質量測井，測固井質量之前嚴禁進行其他井筒作業。

3 鉆探效果

C1、C2、C3是楚州儲氣庫的三口資料井，也作為生產井使用，C1井于2015年完鉆，C2、C3井于近期完鉆，目前C3井已投入造腔生產。三口井中C1、C2井位于楊槐區塊，C3井位于張興區塊，井身結構（見表1）。在總結C1井鉆井經驗的基礎上，C2、C3井綜合采用上述鉆井技術，鉆井效率、井身質量有了大幅提高。

3.1 提高機械鉆速，縮短鉆井周期

C2、C3井合理搭配鉆具組合和鉆井液，鉆井過程中沒有出現任何井下復雜情況，相比C1井機械轉速提高了12.2%～28.7%，鉆進時間的時效從27.65%降至22.6%，縮短了鉆井周期（見表2）。

3.2 井身質量大幅度提高

C2、C3井在鉆井過程中一開井段采用鐘擺降斜鉆具組合，并鉆進50 m左右，單點測斜1次，保證了井斜達標。二開、三開下入PDC+螺桿+穩定器的塔式鐘擺鉆具組合，在施工中采用MWD儀器實時監測井身軌跡做好防斜打直工作，每鉆進30 m左右測斜1次，確保了井身質量達標。最大井斜、水平位移相比C1井有了大幅度的提高，二開和三開平均井徑擴大率也要優于C1井（見表3）。

表1 井身結構數據表

表2 C1、C2、C3 井鉆速對比

表3 C1、C2、C3 井身質量表

3.3 固井質量

C1、C2、C3三口井固井施工過程順利，各層套管水泥均返至地面。對套管內和套管鞋處試壓，30 min內壓降均為0。完井后進行腔體密封性檢測，三口井固井質量均能夠滿足鹽穴儲氣庫密封性要求。其中C2、C3井套管鞋至以上200 m井段內，一、二界面膠結質量均為優質。

4 結論

（1）通過對楚州鹽礦建設儲氣庫鉆井技術進行研究，形成的井身結構、鉆井參數、鉆井液和固井技術為楚州儲氣庫鉆井施工提供了參考依據。

（2）楚州儲氣庫建庫過程中，生產井采用二開井身結構，取心井采用三開井身結構，配合Φ339.7 mm表層套管尺寸和Φ244.5 mm生產套管尺寸，能夠滿足造腔、注采和鉆井安全的需要。

（3）采用上部聚合物鉆井液，下部鹽層段飽和鹽水鉆井液的分段鉆井液結構，能夠有效保證井壁穩定，實現安全高效鉆進。

（4）選擇合適的套管鋼級和扣型，配合合理的固井工藝，能夠有效保證楚州儲氣庫固井質量，滿足試壓要求。