金坛大口径“S”型盐穴储气库井地质因素分析及采用的钻井技术措施研究

赵云松 陈 峰

盐穴地下储气库是利用地下较厚的盐层或盐丘，采用人工方式在盐层或盐丘中制造储存空间来存储天然气。它具有注采率高、短期吞吐量大、垫层气量低并可完全回收等特点。目前我国建设最好的是金坛盐穴储气库，在保证管道季节调峰、事故应急、管道计划内维护和维修、合理储备、用户外提等方面将发挥重要作用。针对金坛地区人口稠密、河网密布的特点，中盐金坛公司在金坛施工丛式储气库井，即在一个井场通过大口径定向技术在地下不同位置建腔，达到充分利用地下岩盐资源，增加区块内盐穴数量的目的。同时节约地面道路、场地、管网投资，也便于后期储气库运行统一管理。

成功建设盐穴储气库，除了在前期对建库区基本地质条件进行科学评价以外，对钻井成井的地质因素分析尤为重要。在金坛施工“S”型盐穴储气库井将会面临大口径玄武岩钻进难、井身轨迹控制难、井壁稳定难、固井质量保证难等多项问题，而井身质量的好坏直接影响到后期储气是否安全、可靠，且单井井身结构设计等是否合理对后期建库的经济性具有重要影响，这些关键问题都与建库区地质因素息息相关，对单井钻井地质因素的分析，提高储气库井单井建设质量，对推进盐穴储气库建设具有深远意义。

1 金坛盐矿区域地质基本情况

金坛凹陷为新生代凹陷盆地，是早白垩世基础上发展起来的断陷盆地，晚白垩世末期仪征运动后，整个金坛盆地开始解体，西部形成了分割性很强的直溪桥洼陷，这时受西侧的茅山和东南的大华～上黄高山屏障阻隔，形成了一个与广湖分割的半封闭～封闭箕状凹陷，具良好的成盐环境。

研究区直溪桥洼陷新生界地层经钻井揭露地层基本齐全，与区域地层相同，新生界地层从下到上分别为下第三系阜宁组、戴南组、三垛组、第四系东台组，普遍缺失上第三系盐城组地层（表1）。

金坛盐矿盐岩层主要发育于阜宁组四段地层，岩盐体在平面上和纵向上都比较稳定，呈北东向展布，厚度67.85～230.95m。由于区域构造稳定、盐岩沉积范围大、盐层埋深适中、厚度大、品位高及不溶物少等特点，金坛盐矿地区属盐穴储气库建设的有利目标区。

2 “S”型储气库井技术要求及钻探地质风险分析

2.1 主要技术要求

①井身质量要求：总体控制目标采用SY/T 5088-2008推荐的探井井身质量要求，结合储气库井特殊性，单井井身质量要求（表2）；

②完钻原则：阜宁组四段（E1f 4）岩盐层底预留5m 完钻；

③各层套管固井水泥浆返至地面，生产套管固井质量胶结合格段长度不小于70%，盖层

段固井质量连续优质水泥段不小于25m。

表1 金坛地区新生界地层简表

表2 金坛大口径“S”型盐穴储气库井井身质量要求

2.2 钻探地质风险分析

单井采用定向井钻井，需钻穿造浆超强的第四系上部松软弱固结地层、大厚度超硬玄武岩段、蠕变性很强的膏泥岩地层以及厚层的盐膏层段，主要存在以下地质风险：

①岩盐层顶底界存在一定深度变化，致使钻进中对盐底的把控难度巨大，一旦钻穿盐层，完井气密封试压将会出现泄漏，无法检测井筒的密封性；

②需钻穿蠕变性很强的膏泥岩地层以及厚层的盐膏层段，盐岩的塑性变形易引起井径缩小。夹在盐岩层间的薄层泥岩夹层等不溶物，将会在盐溶后失去承托，在机械碰撞作用下掉块、坍塌；

③钻进膏泥岩或石膏层时，若井内钻井液液柱压力不能平衡地层本身的横向应力，将会向井内运移垮塌；

④新生界地层中实施大口径定向钻井，面临造斜段短、位移大，要求造斜精度高；

⑤盐膏层非均匀载荷将会引起套管挤毁变形，盐膏层在构造应力、上覆岩石压力、温度、倾角、厚度等因素作用下，会发生溶解、蠕变、滑移或塑性流动，因此，套管必须拥有较强的承担外挤载荷的能力，保证其不会被挤扁、弯曲甚至错断。

3 “S”型储气库井钻井关键技术措施

3.1 井身结构设计

单井设计为二级井身结构，先下入导管，封堵东台组未成岩的流砂和软泥层，一开钻至三垛组玄武岩底部80m 以下的稳定泥岩段后结束，下入表管固井，以防止玄武岩层和三垛组地层的漏失。二开开始降斜，盐顶以上预留50m 垂直段，之后垂直钻至岩盐层底界以上5m 完钻，套管下入距井底30m 左右位置。

3.2 钻具组合使用

对本地区全井段地层进行分析，导管段主要钻遇第四系东台组表土层、粘土、亚粘土、砂砾层，施工使用Φ660.4mm三翼钻头直接成孔；一开井段井身轨迹为直- 增-稳，井径为Φ444.5mm，主要钻遇表层第四系东台组及古近系三垛组地层，第四系堆积物结构疏松，夹含砂层、砂砾层，井壁易垮塌，古近系三垛组二段主要为泥质粉砂岩，但泥质含量高，成岩时间短，固结弱。施工中直井段采用塔式钻具组合防斜，增斜段采用5 翼PDC 钻头，配合1.25° Φ244.5mm螺杆进行增斜，采用有线随钻测斜仪对井身轨迹进行跟踪和调整，确保轨迹圆滑。此外，弱固结地层采用大排量钻进，在保证岩屑及时返出的同时，加强水力破岩效果；三垛组一段为玄武岩段，岩性硬度较大，一般采用6 翼PDC 钻头加强机械破岩效果，此外，玄武岩段具地层自然增斜的特点，施工中充分考虑地层因素合理优化轨迹；二开井段井身轨迹为降斜段及垂直段，井径为Φ311.2mm，钻遇地层为戴南组、阜宁组，钻遇岩性有泥岩、粉砂质泥岩、膏盐岩及盐岩，局部夹硬脆性泥岩、泥质粉砂岩。岩性硬度相对不大，可钻性较强，采用1° Φ197mm 螺杆进行降斜，配合MWD 无线随钻测斜仪对轨迹进行监测。此外，同样的钻井参数情况下，PDC 钻头对于泥岩和盐岩破岩效果相差明显，盐岩段机械钻速明显大于泥岩，钻进过程中根据钻时及岩屑录井情况，判断出盐顶及夹层位置，推算出盐底位置，确定完钻深度。

图1 金坛某大口径“S”型盐穴储气库井井身结构图

3.3 钻井液体系的使用与维护

3.3.1 钻井液体系

一开钻遇古近系三垛组地层，岩性主要为粘土岩、玄武岩、固结程度不好的泥质粉砂岩，地层造浆严重，弱固结地层特征和定向井井身结构特点对钻井液性能要求较高，钻井液性能需满足能解决泥岩水化膨胀、钙侵的问题，同时，需具备良好的井眼净化能力。钻进过程中及时补充包被剂。同时，加足纯碱及烧碱，保证钻井液中CO32+及OH-含量，保证PH值控制在8-9，防止因地层中Ca2+、Mg2+的侵入造成钻井液污染。加强对钻井液性能的监测，必要时排浆并及时补充泥浆材料。通过及时补充胶液和水化后的膨润土来确保钻井液量及性能满足设计要求。采取一系列措施有效控制钻井液中劣质固相含量，加上对固控设备的巡回检查维护，保证设备运转正常，可最大能力清除钻井液中的劣质固相。

二开主要钻遇戴南组泥岩、阜宁组四段盐岩地层，且井眼轨迹进入降斜段及垂直段。调配饱和盐水钻井液，为解决含盐地层中钻井液易水土分离、失水量大的问题，钻井液采用抗盐粘土+LV-PAC+0.7%改性淀粉+RHPT-1+井壁稳定剂来护胶、提粘切，提高钻井液降失水能力，改善泥饼质量。钻进过程中需加强对钻井液性能的监测，及时补充抗盐的聚合物胶液，保证钻井液对岩屑具有良好的抑制包被能力。及时清除井内岩屑，防止岩屑分散形成虚泥饼。加强对钻井液氯根监测，保证钻井液中Cl-浓度符合要求，防止盐岩溶蚀。为防止井眼坍塌，钻井液比重需要保持在1.30g/cm3以上以平衡地层压力，保证井壁稳定，同时最大限度利用好固控设备，控制泥浆中的劣质固相含量。

4 结论

（1）金坛盐穴储气库井的井身结构设计与区域地层特征相关，所采用的井身结构能够科学、经济地实现储库建设，能够在井深1000m 左右的情况下实现200 米以上水平位移；

（2）通过对地层的特征、硬度、成分等因素进行详细分析，可以更科学地使用钻具组合，实现钻井液体系优化，对“S”型盐穴储气库井钻井技术措施的研究具有重要意义。