楚州盐矿建设地下储气库配套钻井技术研究

2018-11-15王立东王元刚王晓刚张新悦

石油化工应用 2018年10期

薛雨，王立东，王元刚，王晓刚，井岗，张新悦

（中国石油天然气股份有限公司西气东输管道分公司储气库项目部，江苏镇江 212000）

由于盐穴储气库具有注采灵活，单井吞吐量大、垫气量小且可回收、储气损失小等优点[1，2]，国内各地都在大力开展盐穴储气库建设[3-7]。楚州盐矿位于江苏省淮安市淮安区（原楚州区），距冀宁联络线楚州分输站7 km，距离在建的中俄东线天然气管道61 km，矿区内便利的公路、水路运输也为盐矿的开发提供了有利条件。楚州盐矿建成地下储气库后，不但能参与中俄东线和冀宁联络线的调峰和应急供气，更能保证长三角和环渤海地区的天然气供应[8]，具有重要建设意义。钻井工程是盐穴储气库建设中的一个重要环节，因此有必要对楚州盐矿建设地下储气库过程中的钻井技术进行研究，以达到提高钻井效率，缩短钻井周期的目的。

1 地质概况

楚州盐矿地层从上到下可分为第四系东台组、第三系上统盐城组、白垩系上统赤山组和浦口组[9]。浦口组地层可分为三段，其中浦二段上盐亚段第三岩性组合含盐厚度大，含矿率高，为储气库建设的主要目的层段。结合钻井资料以及二、三维地震勘探结果，楚州储气库将分为张兴和杨槐两个区块建设。张兴区块造腔层位为第三岩性组合7～9盐群，盐层顶板平均埋深为1 400 m；杨槐区块造腔层位为第三岩性组合1～5盐群，盐层顶板平均埋深为1 900 m。

2 配套钻井技术研究

2.1 井型优选

盐穴储气库在建设中可以采用单井单腔、单井双腔和双井单腔三种井型。目前国内外最常用的是单井单腔模式，虽然周期相对长一些，但技术成熟，可靠性高。单井双腔目前国内盐穴储气库还未尝试过，只在采盐作业中有过类似方式。双井单腔已在云应盐穴储气库开展先导性试验[10]，有初步的钻井实施经验，但造腔才刚刚开始，实施经验少，注采无实施经验，在腔体形态控制、顶板保护、造腔工艺、后续的注采运行及安全性等方面双井单腔存在的许多问题还不明了。因此楚州盐矿在建设储气库钻井时仍采用最成熟的单井单腔方式。

2.2 井身结构优选

2.2.1 井身结构盐穴注采气井井身结构不同于枯竭油气藏，必须同时满足注采、造腔和钻井安全的需要。根据金坛、云应、淮安、平顶山等已建和在建的盐穴储气库经验，目前盐穴储气库主要有二开和三开两种井身结构。生产井如果采用三开井身结构，在实际生产中容易存在以下几个问题：（1）三开目的层井径只有φ215.9 mm，井径偏小，下步造腔中需要使用的油水界面仪下入困难，而且易挂靠损坏；（2）井径偏小使作业过程相对困难，如造腔中起下管柱作业、声呐测腔作业施工等，环空间隙小还使界面测井仪器数据识别难度增大；（3）三开后如果扩眼，则施工困难，成本高；而且扩眼后的井径也相对二开井要小。因此，注采气生产井从减少施工程序，缩短钻井周期以及为后续的造腔过程提供条件等角度考虑，楚州盐矿在建库过程中仍然采用常用的二开井身结构。取心井出于获取区块资料的需要，一般在盖层和目的层会有长段取心作业，以及地层的多次承压试验，则选择采用三开结构能够更好地维持井眼的稳定性。

2.2.2 套管尺寸综合考虑目前国内盐穴储气库建设现状及当前技术情况，楚州盐穴储气库采用常规的尺寸，即生产套管尺寸为Φ244.5 mm，表层套管尺寸为Φ339.7 mm。

2.2.3 完钻井深楚州盐穴储气库的盐层总厚度较大，达到230 m，主要集中在浦口组浦二段上盐亚段。张兴区块造腔层位为第三岩性组合7～9盐群，盐群平均埋深为1 400 m～1 630 m；杨槐区块造腔层位为第三岩性组合1～5盐群，盐群埋深平均为1 900 m～2 130 m。因此在楚州建库有两种建腔方案，张兴区块目的层段盐底为1 630 m，最终完钻层位确定为距造腔目的层段盐层底板5 m的位置，即裸眼完成井段钻深为1 625 m。杨槐区块的目的层段盐底确定为2 130 m，最终完钻层位确定为距造腔目的层段盐层底板5 m的位置，即裸眼完成井段钻深为2 125 m。

2.2.4 套管下深根据楚州盐矿的地层岩性，上部地层东台组含有砾质砂岩，盐城组含有中细砂岩、含砾砂岩，赤山组含有砂质泥岩夹细砂岩、泥质粉砂岩，浦三段含有粉砂质泥岩、泥岩与粉砂岩互层。上述地层易漏，必须进行封堵。因此有必要下入表层套管封堵上述地层，参考老井资料，表层套管下入深度为进入浦三段70 m，张兴区块表层套管下深455 m，杨槐区块表层套管下深520 m。生产套管鞋一般进入盐层15 m～20 m。楚州盐穴储气库的造腔目的层厚度较大，根据地质要求，生产套管的下深以不少于20 m为准。依据上述基本原则和造腔层段的位置确定了张兴区块和杨槐区块生产套管下深分别为1 420 m和1 920 m。张兴和杨槐区块井身结构（见图1）。

2.3 钻具组合及钻井参数优选

2.3.1 钻具组合优选盐穴储气库在钻井时需要考虑以下几点：（1）表层井眼要铅直确保井口装置平正；（2）二开盐岩层段以上，地层倾角小，采用塔式或钟摆钻具结构，确保盐岩层上部井眼垂直；（3）盐岩层蠕变缩径，采用简化的钻具结构，防止卡钻；（4）根据井下情况，需要随时加入减震器和随钻振击器；（5）为保证井身质量检测准确性，要求尽量在靠近钻头上部使用一根无磁钻铤。

根据以上原则，楚州储气库钻井时一开钻具组合为：φ444.5 mm 钻头+φ228.6 mmDC×3根+φ203 mmDC×3根+φ177.8 mmDC×3 根+φ158.8 mmDC×15 根+φ127 mmDP（备注：DC-钻铤，DP-钻杆，以下相同）；二开钻具组合为：φ311.1 mm钻头+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 钻铤×12根+φ127 mmDP。

如所钻的井为取心井时，生产套管固井后的三开钻进过程，可能会对生产套管鞋附近的固井质量存在影响，在三开钻进时推荐使用井下动力钻具，或者在钻具上添加防磨套，降低钻进过程对生产套管鞋处固井质量的影响。

2.3.2 钻头优选可通过对地层可钻性划分，优选钻头[11]，主要使用钢齿或镶齿牙轮钻头。钢齿钻头单位时间切削量比镶齿钻头大，价格低，适用于软～中硬地层，缺点是寿命短，不适合硬地层。镶齿钻头寿命长，价格高于钢齿，地层适应性强。楚州盐矿上部地层以中细砂岩、含砾砂岩为主，中部和下部以泥岩、粉砂质泥岩、盐岩为主，可钻性比较好。因此，一开以上用钢齿钻头，二开以下用镶齿钻头。

2.4 钻井液优选

2.4.1 钻井液密度的确定上部井段钻井液必须具有防漏失性能，防止东台组、盐城组地层中的含砂质黏土、泥质粉砂岩和细砂岩在钻井过程中发生漏失；根据楚州盐矿的埋深特点以及实钻情况，一开钻井液密度控制在1.10 g/cm3～1.15 g/cm3范围内。二开中部井段为淡水钻井液向饱和盐水钻井液的转化阶段，通过循环周连续缓慢地加入NaCl，逐步达到饱和盐水钻井液的各项性能。二开下部井段及盐层段，采用能够防止盐岩地层溶蚀及蠕变的饱和盐水钻井液[12]，钻井液密度1.3 g/cm3～1.35 g/cm3。

图1 楚州储气库井身结构

2.4.2 钻井液体系的确定依据楚州地层特征，经C1井钻井实践，初步确定一开采用聚合物钻井液体系，二开中部井段使用盐水聚合物钻井液，进入盐顶以上200 m左右完成盐水聚合物钻井液向饱和盐水型钻井液的转换，二开下部井段及三开使用饱和盐水型钻井液。

2.4.3 钻井液性能要求

（1）上部井段：上部井段井眼尺寸相对较大，应重点解决大井眼携砂问题；推荐使用聚合物钻井液体系，对易造浆地层建议使用抑制性较强的KPAM，以保持钻井液良好的流变性能。

（2）盐层段：钻井液密度（1.3 g/cm3～1.35 g/cm3）；控制好钻井液的滤失量；保持Cl-浓度大于1.8×105mg/L，跟踪检测Cl-浓度，必要时采取相应措施。

2.4.4 固相控制措施二开以后井段保证固控设备（振动筛、除砂器、离心机、除泥器）运转正常，降低钻井液中的劣质土含量和钻屑含量，以保证钻井液流变性易于调整。

2.5 固井工艺技术

2.5.1 套管材质及扣型优选楚州储气库作为中俄东线配套储气库，其来源气中CO2含量最高为0.06 mol%，无H2S。盐穴储气库运行压力区间为张兴区块 10 MPa～23 MPa，杨槐区块13 MPa～32 MPa。根据CO2含量以及运行压力生产套管选用普通碳钢即可。综合考虑套管强度的要求，张兴区块和杨槐区块分别选用80T和P110TT钢级的套管。

对于楚州盐穴储气库使用的生产套管，要求其连接丝扣必须具有气密性，而且由于来源气中含有一定量的CO2，因此丝扣还必须具有抗黏扣的性能。由此，必须使用特殊丝扣才能满足这些要求。推荐选用的气密扣类型为：NK-3SB、VAM-TOP、宝钢BGT、VAGT扣等。

2.5.2 固井难点分析盐穴储气库的水泥浆要求与常规油气井和采卤井有很大不同，其技术难度非常大，主要有：固井时盐层溶解，卤水进入水泥浆，由于偏摩尔量变化造成水泥浆总体积减少，导致上部水泥浆回落，盖层和泥岩层的封隔质量受到影响。同时，盐层部位的水泥浆也由于受到侵蚀，稠化时间大大延长，抗压强度发展缓慢，本身的胶结也减弱。油气井的压力在固井后逐步降低，而储气库的压力则是周期性变化[13]。水泥石的胶结承受交变应力的影响。盐水水泥浆与低矿化度的地层水之间，由于扩散作用将产生物质交换，造成水泥石强度随时间衰竭快。溶腔逐步扩大后，由于地层压力变化，可能沿胶结面产生裂缝，造成地层水倒灌入井和井口冒卤；当转为储气后，井口会泄漏天然气。另外，盐穴储气库井眼尺寸较大，固井顶替效率难以保证。

2.5.3 固井施工工艺针对楚州地层和盐穴储气库注采井的特点，采取的提高固井质量的工艺措施有：表层套管采用内插法固井，生产套管采用常规固井方式。生产套管下入时，应逐根进行氦气气密封性检测，以确保生产套管柱螺纹气密封性。

采用两种水泥浆体系，盐岩层以上用常规水泥浆体系，盐岩层采用半饱和盐水水泥浆体系。水泥浆配方必须按规范在室内进行严格筛选，固井前取现场配浆水做重复试验及与钻井液、前置液的相容性试验，有问题及时调整。

固井前充分循环钻井液，根据井下情况调整钻井液的性能，做到低黏低切，确保井壁稳定、井眼畅通、无垮塌，无后效，为固井创造一个良好的井眼条件。若固井前发生井漏，必须进行堵漏后，方可进行施工，视井漏情况确定合适的固井方案。如固井过程中发生井漏，水泥浆返不到井口，必须从井口灌浆，保证全井段的封固质量。

生产套管固井质量应达到合格，盖层段胶结质量连续优质段大于50 m。固井作业完成后72 h内进行固井质量测井，测固井质量之前严禁进行其他井筒作业。

3 钻探效果

C1、C2、C3是楚州储气库的三口资料井，也作为生产井使用，C1井于2015年完钻，C2、C3井于近期完钻，目前C3井已投入造腔生产。三口井中C1、C2井位于杨槐区块，C3井位于张兴区块，井身结构（见表1）。在总结C1井钻井经验的基础上，C2、C3井综合采用上述钻井技术，钻井效率、井身质量有了大幅提高。

3.1 提高机械钻速，缩短钻井周期

C2、C3井合理搭配钻具组合和钻井液，钻井过程中没有出现任何井下复杂情况，相比C1井机械转速提高了12.2%～28.7%，钻进时间的时效从27.65%降至22.6%，缩短了钻井周期（见表2）。

3.2 井身质量大幅度提高

C2、C3井在钻井过程中一开井段采用钟摆降斜钻具组合，并钻进50 m左右，单点测斜1次，保证了井斜达标。二开、三开下入PDC+螺杆+稳定器的塔式钟摆钻具组合，在施工中采用MWD仪器实时监测井身轨迹做好防斜打直工作，每钻进30 m左右测斜1次，确保了井身质量达标。最大井斜、水平位移相比C1井有了大幅度的提高，二开和三开平均井径扩大率也要优于C1井（见表3）。