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

趙云松 陳 峰

鹽穴地下儲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存空間來存儲天然氣。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。目前我國建設最好的是金壇鹽穴儲氣庫，在保證管道季節(jié)調(diào)峰、事故應急、管道計劃內(nèi)維護和維修、合理儲備、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，中鹽金壇公司在金壇施工叢式儲氣庫井，即在一個井場通過大口徑定向技術在地下不同位置建腔，達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。同時節(jié)約地面道路、場地、管網(wǎng)投資，也便于后期儲氣庫運行統(tǒng)一管理。

成功建設鹽穴儲氣庫，除了在前期對建庫區(qū)基本地質(zhì)條件進行科學評價以外，對鉆井成井的地質(zhì)因素分析尤為重要。在金壇施工“S”型鹽穴儲氣庫井將會面臨大口徑玄武巖鉆進難、井身軌跡控制難、井壁穩(wěn)定難、固井質(zhì)量保證難等多項問題，而井身質(zhì)量的好壞直接影響到后期儲氣是否安全、可靠，且單井井身結構設計等是否合理對后期建庫的經(jīng)濟性具有重要影響，這些關鍵問題都與建庫區(qū)地質(zhì)因素息息相關，對單井鉆井地質(zhì)因素的分析，提高儲氣庫井單井建設質(zhì)量，對推進鹽穴儲氣庫建設具有深遠意義。

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，是早白堊世基礎上發(fā)展起來的斷陷盆地，晚白堊世末期儀征運動后，整個金壇盆地開始解體，西部形成了分割性很強的直溪橋洼陷，這時受西側(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，金壇鹽礦地區(qū)屬鹽穴儲氣庫建設的有利目標區(qū)。

2 “S”型儲氣庫井技術要求及鉆探地質(zhì)風險分析

2.1 主要技術要求

①井身質(zhì)量要求：總體控制目標采用SY/T 5088-2008推薦的探井井身質(zhì)量要求，結合儲氣庫井特殊性，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”型鹽穴儲氣庫井井身質(zhì)量要求

2.2 鉆探地質(zhì)風險分析

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

①巖鹽層頂?shù)捉绱嬖谝欢ㄉ疃茸兓率广@進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出現(xiàn)泄漏，無法檢測井筒的密封性；

②需鉆穿蠕變性很強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，將會在鹽溶后失去承托，在機械碰撞作用下掉塊、坍塌；

③鉆進膏泥巖或石膏層時，若井內(nèi)鉆井液液柱壓力不能平衡地層本身的橫向應力，將會向井內(nèi)運移垮塌；

④新生界地層中實施大口徑定向鉆井，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引起套管擠毀變形，鹽膏層在構造應力、上覆巖石壓力、溫度、傾角、厚度等因素作用下，會發(fā)生溶解、蠕變、滑移或塑性流動，因此，套管必須擁有較強的承擔外擠載荷的能力，保證其不會被擠扁、彎曲甚至錯斷。

3 “S”型儲氣庫井鉆井關鍵技術措施

3.1 井身結構設計

單井設計為二級井身結構，先下入導管，封堵東臺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)全井段地層進行分析，導管段主要鉆遇第四系東臺組表土層、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組及古近系三垛組地層，第四系堆積物結構疏松，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，成巖時間短，固結弱。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螺桿進行增斜，采用有線隨鉆測斜儀對井身軌跡進行跟蹤和調(diào)整，確保軌跡圓滑。此外，弱固結地層采用大排量鉆進，在保證巖屑及時返出的同時，加強水力破巖效果；三垛組一段為玄武巖段，巖性硬度較大，一般采用6 翼PDC 鉆頭加強機械破巖效果，此外，玄武巖段具地層自然增斜的特點，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，采用1° Φ197mm 螺桿進行降斜，配合MWD 無線隨鉆測斜儀對軌跡進行監(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，鹽巖段機械鉆速明顯大于泥巖，鉆進過程中根據(jù)鉆時及巖屑錄井情況，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”型鹽穴儲氣庫井井身結構圖

3.3 鉆井液體系的使用與維護

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、固結程度不好的泥質(zhì)粉砂巖，地層造漿嚴重，弱固結地層特征和定向井井身結構特點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，需具備良好的井眼凈化能力。鉆進過程中及時補充包被劑。同時，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。加強對鉆井液性能的監(jiān)測，必要時排漿并及時補充泥漿材料。通過及時補充膠液和水化后的膨潤土來確保鉆井液量及性能滿足設計要求。采取一系列措施有效控制鉆井液中劣質(zhì)固相含量，加上對固控設備的巡回檢查維護，保證設備運轉(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)定劑來護膠、提粘切，提高鉆井液降失水能力，改善泥餅質(zhì)量。鉆進過程中需加強對鉆井液性能的監(jiān)測，及時補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。及時清除井內(nèi)巖屑，防止巖屑分散形成虛泥餅。加強對鉆井液氯根監(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，同時最大限度利用好固控設備，控制泥漿中的劣質(zhì)固相含量。

4 結論

（1）金壇鹽穴儲氣庫井的井身結構設計與區(qū)域地層特征相關，所采用的井身結構能夠科學、經(jīng)濟地實現(xiàn)儲庫建設，能夠在井深1000m 左右的情況下實現(xiàn)200 米以上水平位移；

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