楚州盐穴储气库钻井工程难点及对策

薛 雨 王立东,2 王元刚 周冬林,2 井 岗

1. 中国石油西气东输管道分公司 2. 中国石油储气库技术研究中心

0 引言

为积极应对气荒，落实国家能源发展战略，中国石油天然气集团公司正在建设中俄东线天然气管道来调节并保证东部地区的天然气供给。楚州盐穴储气库是中俄东线9座配套储气库中唯一的1座盐穴储气库，通过楚州储气库不但可以参与中俄东线和冀宁联络线的调峰和应急供气，更能保障长三角地区的天然气供应[1]，故而具有重要的建设意义。随着储气库的持续开发，钻井中的关键技术决定着储气库的钻井速度、成本消耗和注采开发进度[2]。针对盐穴储气库对钻井的要求，在分析楚州盐矿地质条件的基础上，提出了适用于楚州盐穴钻井的技术对策，为建库钻井施工提供指导。

1 楚州盐矿的地质特征

楚州盐矿位于江苏省淮安市淮安区，距在建的中俄东线天然气管道约61 km。该区地层从上到下依次为第四系东台组、新近系盐层组、上白垩统赤山组和浦口组[3]。楚州盐穴储气库的建库层段为浦口组二段上盐亚段第三岩性组合，其埋深大于1800 m，盐岩厚度大、泥质含量低，地质层位及岩性如表1所示。

表1 楚州盐矿地层表

2 楚州储气库钻井工程难点

盐穴储气库井运行周期长，需超过50年[4-5]，储气库注采井要求强注强采，并且周期循环，井内压力交替变化，包括井内管柱、井口装置和固井质量等必须能承受交变应力的影响[6-7]。 因此储气库对井身质量、固井质量和密封性的要求非常高。同时楚州盐矿本身的地质特点也给钻井施工带来了严峻挑战。

2.1 地层复杂，容易造成井下复杂情况

楚州储气库钻井时，表层为不成岩黏土，容易造成井口塌陷。第一次开钻的施工层段为东台组、盐城组泥岩，容易缩径，流沙层容易垮塌。盐城组与赤山组之间有断层且新老地层交界，容易产生漏失和地层失稳现象。赤山组、浦口组发育大段泥岩，地层较硬，机械钻速较低。第二次开钻的施工层段浦口组发育大段泥岩，机械钻速低。浦三段中下部含石膏团块或石膏线，钻井液易受钙污染。钻遇纯盐段时，盐层易溶蚀扩径，且中间夹大量泥岩，易蠕变缩径且泥岩容易因盐的溶蚀失去支撑而垮塌，造成井下复杂情况[8-9]。

2.2 井身质量要求高

盐穴储气库井身质量要求1 000 m内最大井斜不超过2°，1 000 m以后最大井斜不超过1.5°，井径扩大率不能超过10%。此外，楚州储气库受夹层多、新老地层交接面的影响，防斜打直难度大。直井全井段全角变化率要求小于1.25°/30 m。若全角变化连续3个点超标，则判为不合格井。

2.3 钻井液维护困难

钻井时上部东台组、盐城组、赤山组成岩性差，胶结疏松，钻井液容易漏失。盐城组中下部的黏土容易造浆，浦三段中下部石膏团块中的钙也会污染钻井液。浦二段含有芒硝层，其受温度影响溶解度变化大，钻井液在下部层段可能欠饱和，但循环至上部层段又可能结晶，造成摩阻大甚至卡钻[10-11]。这些因素都增加了钻井液处理维护的难度。

2.4 一次封固段长，固井难度大

盐穴储气库固井时要求水泥返至地面[12]。楚州储气库生产套管平均下深在1 800 m左右，一次封固段长，上部承压能力低，在施工过程中容易产生漏失现象，难以保证水泥浆上返至地面。同时上部封固段盐层厚度超过600 m，固井时盐层溶解，卤水进入水泥浆，造成水泥浆总体积减小，导致上部水泥浆回落，盖层和泥岩层的封隔质量受到影响。盐层部位的水泥浆也由于受到侵蚀，水泥浆稠化时间受盐层溶解的影响会大幅度延长，无法形成良好的水泥环，水泥与井壁间胶结质量差[13-16]。另外盐穴储气库井眼尺寸较大，由于地层复杂容易形成井径不规则井段，固井顶替效率也难以保证。

2.5 环保要求高

近年来，政府越来越重视工程建设中的环保工作，且楚州储气库地处经济发达的江苏地区，百姓的环保意识更为强烈，企业担负的环保责任也对本地区的钻井工作提出了更高的要求。

3 钻井技术对策

3.1 大井眼防斜优快钻井技术

与常规油气井相比，盐穴储气库井眼尺寸大，钻井液环空返速偏低，携砂困难。此外受夹层多、新老地层交接面和地层倾角的影响，防斜打直难度大。为此，根据地层岩性特点选用19 mm复合片五刀翼PDC钻头施工，第一次开钻井段采用钟摆降斜钻具组合[17-18]，同时保证钻井液排量不小于40 L/s、钻进50 m左右，单点测斜1次，保证井斜达标。第二、三次开钻下入“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，确保井身质量达标。

为减小井径扩大率，施工中做到均匀送钻，严禁定点循环，防止出现大井眼。针对盐城组与赤山组之间有断层且新老地层交界、井眼易漏失和失稳的特点，施工时严格控制钻压，处理好地层交界面，做好防斜打直工作。针对赤山组、浦口组发育大段泥岩、地层硬、机械钻速较低的特点，施工时以井下安全为主，不求速度，安全穿过了这一地层。

3.2 钻井液技术

钻进时采用分井段钻井液保证井壁稳定，确保井径规则，各井段钻井液方案如表2所示，钻井液设计参数如表3所示。

表2 不同井段钻井液方案表

第一次开钻钻进时针对上部地层成岩性差、易渗漏和垮塌的特点，钻井液中加入零滤失井眼稳定剂、单向压力封闭剂，并配合使用超细碳酸钙随钻堵漏，防止渗漏。盐城组中下部地层含造浆黏土，应加足抑制包被剂做好抑制造浆处理。盐城组与赤山组之间有断层且新老地层交界，若钻进中出现漏失和地层失稳情况，应及时补充防塌剂，并提高钻井液密度至设计上限，防止井壁坍塌。若钻井液流变性能发生变化，可通过稀释剂来调整。

第二次开钻钻至进入盐层前将钻井液转换为聚合物饱和盐水润滑钻井液体系[19-21]，由于盐的加入及地层中盐的溶解进入，钻井液pH值降低，应及时补充烧碱，保持钻井液体系的pH值。定期对钻井液中Clˉ含量进行监测，保证Clˉ含量维持在180 000 mg/L以上。加入抗盐结晶剂防止盐的重结晶而发生井下复杂情况。为抵抗盐水钻井液对管具材料及循环系统的腐蚀，在钻井液中添加适量的防腐剂。同时根据盐岩的蠕变情况，及时调整钻井液密度。

第三次开钻盐层段，尽管饱和盐水钻井液抗污染能力很强，但无法除去扫塞过程中钻井液中的钙离子，因此，钻进时仍按常规进行抗钙、除钙处理[22]，恢复其原有性能。

3.3 固井技术

楚州盐穴储气库固井难度主要体现在筛选稳定性好的抗盐水泥浆配方、提高大尺寸井眼段的顶替效率、防止上部地层的漏失以及防止环空憋堵等方面。

3.3.1 应用抗盐水泥浆体系

为保证楚州储气库盐层段的固井质量以及水泥环的长期密封性能，在借鉴国外盐穴储气库和其他盐穴储气库成功固井经验的基础上，确定楚州储气库固井时采用DRB-3S+JSS抗盐水泥浆体系，此水泥浆体系在金坛盐穴储气库、平顶山盐穴储气库、淮安盐穴储气库已经成功应用[23-24]。

表3 钻井液性能参数表

3.3.2 提高顶替效率

楚州储气库生产套管固井时采用卤水作为冲洗液来保证冲洗液与钻井液的相容性及井壁稳定。同时为了增加钻井液与水泥浆的相容性，增加接触时间，有效驱替及携带环空中的稠化钻井液及浮滤饼，在注入要求密度的水泥浆前打入1.70～1.75 g/cm3的低密度水泥浆来隔离和缓冲钻井液和水泥浆。固井时中间浆密度介于1.85～1.90 g/cm3，尾浆密度介于1.90～1.95 g/cm3。

3.3.3 防漏、防憋堵

楚州盐穴储气库由于地层承压能力低等原因，在替浆过程中可能发生漏失现象。封固段长加上低压漏失层的存在，这给固井的替净工作造成了极大的困难。为此，固井前需对上部地层的承压能力进行测试，同时充分循环钻井液来调整钻井液性能，增加流动性。

施工时采用DRY-S增黏型隔离液，该隔离液在低温下增黏剂和悬浮剂易溶解、隔离液的黏度易调整，可防止不规则环空中钻屑沉积引起的环空憋堵问题。

3.4 钻井液不落地技术

钻井液是钻井过程中的主要污染物，对此楚州储气库钻井时采用钻井液不落地技术，对钻井作业产生的废弃钻井液进行固液分离，分离出的液相部分排到均质调节罐回用，部分转运；分离出的固相与钻屑一起转运，进行固化处理。处理工艺流程如图1所示。

图1 钻井液不落地处理工艺流程图

4 应用实例

C1、C2、C3井是楚州储气库采用上述技术新完钻的3口井，其中C3井已投入造腔。从3口井实钻的井身结构、钻井方式、钻井液使用、固井等技术验证钻井技术方案的合理可行性，具体施工过程以C3井为例，其井身结构如图2所示。

图2 C3井井身结构图

C3井为楚州储气库张兴矿区的第1口资料井，设计井深2 700 m，为取全盐层资料，实际井深2753 m。施工除正常第一、二、三次开钻外，还进行了取心、地应力测试、静置7 d测井温、VSP测井、非造腔段封堵、造腔段扩眼、井筒气密封试压等工序，并进行了12次测井，所有工序及测井均一次成功，未发生任何井下复杂情况。全井施工周期162 d，平均机械钻速3.59 m/h。第一次开钻平均井径为487.04 mm，第二次开钻平均井径为333.56 mm，第三次开钻平均井径为235.53 mm。

C3井施工中优选塔式钟摆钻具组合施工，第一次开钻钻具组合为：Ø444.5 mm钻头+ Ø228.6 mm DC×3根 + Ø203 mm DC×3根 + Ø177.8 mm DC×3根+ Ø158.8 mm DC×15根+ Ø127 mm DP（备注：DC表示钻铤，DP表示钻杆，以下相同）；第二次开钻非盐层钻进：Ø311.1 mm钻头+ Ø203 mm DC×3根+ Ø177.8 mm DC×15根+ Ø127 mm DP；盐层钻进：Ø311.1 mm钻头+ Ø177.8 mm DC×18根+ Ø127 mm DP；第三次开钻：Ø215.9 mm钻头+ Ø172 mm 螺杆 1根 + Ø165 mm DC×5根 + Ø127 mm DP(加重 )×15 根 + Ø127 mm DP。

在施工中严格按照钻井工程设计做好定点测斜工作，同时根据测斜数据及时调整钻井参数，井身质量符合设计要求如表4所示，井眼轨迹如图3所示。

表4 C3井井身质量表

图3 井身垂直剖面投影图

为保证钻井液及时将岩屑携带出井外，防止沉砂卡钻，保持井壁稳定，降低摩阻，施工中采取了以下措施：①在大井眼段坚持双泵循环钻进，保证钻井液能及时携带出井底岩屑；②钻进时补充足量的提黏剂，增强钻井液的悬浮携带能力；③保持钻井液的强抑制性，加入足量的降滤失剂，提高黏度，从化学方面防塌；④充分利用固控设备，降低钻井液中有害固相和含砂，确保井眼干净清洁，降低摩阻。通过这些钻井液处理措施很好地配合了钻井施工，保证了安全高效钻进，钻井液实际性能参数如表5所示。

C3井表层套管采用内插法固井，采用常规密度低温早强稳定性好的水泥浆，切实保证套管鞋处及上部井段的固井质量，第一次开钻固井难度相对较小。生产套管固井采用常规固井方法，减少套管内水泥浆与钻井液的混窜。采用高早强稳定性好的盐水水泥浆体系，以保证裸眼段及套管重合段的固井质量，固井施工过程如表6所示。

候凝72 h后进行固井质量测井，固井质量合格，并对井筒进行了气密封试压，24 h后气液界面由1804.16 m降低至1 803.89 m，井口环空压力由21.29 MPa降低至21.22 MPa，井筒气密封试压合格，C3井能够满足盐穴储气库对密封性的要求。

C3井在钻井时随钻收集钻井废水和岩屑，通过泥浆不落地设备实现固液分离，液相收集后回用或者拉运至有资质的污水处理厂进行深度处理达标排放，固相则通过加入水泥、固化剂、pH调节剂等后，在处理罐内实施无害化处理，拉送至指定地点填埋，实现了钻井废弃物与土壤隔离，未造成任何现场污染。

5 结论

1）使用钟摆钻具组合，配合MWD随钻监测，能够有效应对楚州地区地层，控制井斜，保证井身质量，实现高效钻进。

2）采用分段钻井液，在钻进过程中加强监测，及时调整钻井液性能，严格控制钻井液滤失量，改善滤饼质量，提高悬浮、携带能力，保证正常钻进。

3）采用DRB-3S+JSS抗盐水泥浆体系，配合合适的顶替排量以及三段制水泥浆的液柱结构，可以有效提高顶替效率，保证固井质量。

4）钻井时采用钻井液不落地设备，进行固液分离及无害化处理，能够保证钻井液、岩屑不落地，达到地方环保部门要求。

表5 钻井液实际性能参数表

表6 C3固井施工流程表

5）通过3口井的现场成功应用，证明制定的技术对策可行，能够有效保证楚州盐穴储气库钻井施工的质量和安全。