金坛盐穴储气库定向井提高盐岩利用率研究与应用

庄晓谦 夏焱 袁光杰 付盼 李景翠 王元庆 路立君

1. 中国石油集团工程技术研究院有限公司；2. 华北石油管理局有限公司江苏储气库分公司

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水溶形成洞穴储存空间来存储天然气，是储气库主要类型之一。盐穴储气库的类型主要有3 种：薄盐层中的巷道式盐穴腔体，多夹层岩盐中的倒梨形腔体和盐丘中的圆柱形腔体，其建造技术在国外已是一种比较成熟的应用技术［1-3］。金坛盐穴储气库为我国第1 个盐穴地下储气库，建库时间已有10 余年。建库初期，考虑到施工难度，且国内盐穴建库的实施经验尚不丰富，因此前期常规盐穴注采井的钻井井型一般为直井。直井井型在金坛地区已实施了60 余口，其中有部分井已注气排卤完毕，进入了注采气运行阶段。实践证明，直井的钻井方式基本能够满足盐穴储气库建库的需要。但是，在可行性设计中，由于采用直井钻井，在设计探勘阶段和实施征地阶段，处处受制于地表条件，导致盐矿资源得不到充分的利用。

为此，在金坛盐穴储气库茅兴矿区尝试进行丛式布井试验，在原可行性设计井网、井距基础上，对可行性方案中的设计井进行调整，设计一直井多定向井于一个井场内，直井和斜井相结合，以期在有限的矿区面积内，增强后期溶腔、注采气集输作业工作的高效管理和安全控制，使盐层资源得到更有效的利用，最终形成更高效的盐穴储气库建设方案。

在国内湖北云应、河南平顶山等盐穴储气库，曾经采取定向钻水平井的方式进行盐穴注采井的钻井作业［4-5］，即盐穴双井单腔形式，其特点是双井建腔，钻两口井用于建同一个盐腔，连通后一注一采进行造腔作业；而笔者所述定向注采井为单井单腔形式。由于井型不同，后期造腔和注采工艺不同，这两种建腔形式对钻井的设计和施工的要求差别明显。

采用丛式井的方式，通过定向注采井单井建造盐腔，相关工作在国内为首次开展。在十余年的盐穴储气库设计和实施经验基础上，经过攻关研究和分析，提出了有效的设计方案和研究结论。

1 金坛盐穴储气库定向注采井设计方案

金坛盐矿区地层系统有元古界的震旦系，古生界的寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系，中生界的三叠系、侏罗系、白垩系及新生界的第三系和第四系。建库地区盐岩层比较稳定，建库前期采用均匀布腔、局部调整的原则，在三角形和正方形布腔2 种布腔方式中，选择三角形布腔，腔距要求210～250 m。

金坛盐穴储气库注采井井身结构一般为二开，一开封固第三系三垛组下部玄武岩易漏地层，钻穿玄武岩底后至少15 m 完钻。考虑到茅兴区块地层特点，距玄武岩底以下大约30～80 m 井段钻井过程中垮塌比较严重，因此一开深度适当加深。生产套管下入深度以满足造腔工程需要确定(图1)。

图1 金坛储气库典型定向注采井井身结构示意图Fig. 1 Schematic well structure of typical directional injection/production well in Jintan gas storage

2 井眼轨道优化设计与分析

茅兴区块储气库注采井井场采用丛式布井的方式，将多口注采井的井口布置于同一井场，基于盐穴储气库井对井身结构的特殊要求，单井采用5 段制的基本设计型式，通过一段增斜段、一段稳斜段和一段降斜段，使处于同一井场的井形成的盐腔，满足盐穴溶腔在地层中的分布要求。

2.1 井眼轨道设计难点

茅兴盐矿区内的岩盐层埋深大约在790～930 m，针对埋深较浅的岩盐层，要满足盐穴储气库布井间距要求的定向钻井(水平间距210 m 以上)存在一定难度，主要体现在以下方面。

(1)井眼轨道方案确定。表层套管要求封固玄武岩易漏地层，导致注采井表层套管下入较深。由于造腔和注采需要，一开表层套管尺寸较大，为Ø339.7 mm，使用钻头直径为444.5 mm，如果在一开开始造斜，钻进造斜比较困难；如果水平位移的要求均在二开井段实现，虽然避免了大尺寸增斜钻进的问题，但由于底部目的层盐层上部还要求一定长度的垂直段，完成盐穴储气库注采井水平位移要求的井段则集中在垂深很窄的范围。这对造斜率和最大井斜角等参数影响很大，对后期的造腔和注采同样会造成严重影响。

(2)斜井大直径套管下入问题。井斜大时摩阻较大，需要在轨道设计时考虑后期套管的下入难度。

(3)盐穴储气库注采井对轨迹的特殊要求。盐穴储气库注采井钻井完成后，后续大量的时间用于造腔，造腔过程需起下造腔管柱；而造腔完成后的注采气运行阶段也需下入注采管和排卤管进行注气排卤。此外，造腔及注气排卤过程下入的工具也对井斜等参数有要求，因此井身轨迹对这些施工过程都会造成影响，前期轨道设计必须考虑这些因素。

2.2 造斜率的确定

国外资料显示，在盐穴储气库常见的深度范围内，定向井造斜率最大为4.5°左右［6］，金坛定向井目前常用3°左右的造斜率，对于金坛特定的地质情况可满足工程需要。其他区块，针对不同井位的地质工程需求，结合地面情况，在定向工具满足要求情况下，造斜率可以适当增大，但一般不宜超过3.5°。

2.3 最大井斜角的确定

最大井斜角的限制，体现在后期造腔工程和注采运行中测井仪器的下入限制，如果井斜过大，测井仪器无法顺利下入，后续作业难以正常进行。

2.4 螺杆钻具优选

金坛区块定向注采井钻井初期，一开二开均采用1.25°的螺杆钻具，定向过程顺利，但是从效果来看，对井径扩大率造成了一定影响，初期井径扩大率较高，井身质量略差，给后期固井作业增加了难度。

经过分析研究，将二开使用的螺杆钻具由1.25°调整为1°，结合其他工艺措施，井径扩大率有一定程度的降低，井身质量有所提高。

2.5 最大水平位移的限制

国外定向注采井的设计实施经验是：为保证井下电缆及工具能够正常操作，依据现有技术，水平位移不应超过1 000 英尺，即305 m［6］，此时最大井斜角将达到41°左右。当井深较浅，而水平位移要求较大时，一方面需要保证盐层顶部以上一定长度的垂直井段，另一方面，造斜点位置还受地层等因素制约，因此水平位移最大值将存在一个极限，以避免最大井斜角过大导致的问题。

对于金坛茅兴区块，由于前述地层方面的特点，造斜点深度、稳斜段长度、降斜点深度以及降斜结束深度都存在一定限制，最大水平位移受其影响，目前的设计方案以不大于250 m 为宜。从盐腔分布的角度，此深度已基本满足区块布腔的距离要求。

2.6 套管下入分析

金坛储气库二开井段需要在Ø311.2 mm 井眼下入Ø244.5 mm 套管。考虑到二开套管管径较大，在最大井斜角约30°的井眼中，套管能否顺利下入至设计井段，需要对下套管摩阻进行计算分析。使用Landmark 钻井设计软件进行一开和二开下套管摩阻分析，并以此为依据，对设计方案的轨道进行进一步优化。模拟结果表明，一开及二开套管均可顺利下入，且下入过程中不会发生应力破坏。

2.7 定向注采井井型对后续作业的影响

定向注采井井筒呈“S”形，造腔过程相对直井井筒存在以下不同：(1)循环通道存在一定曲率，摩阻相应增大；(2)多次下入和起出造腔管柱，对生产套管易造成损伤，需要对套管采取保护措施；(3)造腔管柱随井筒弯曲存在一定曲率，受力状态更复杂。

注采过程也将造成以下影响：(1)注采管柱工具附件下入对井筒曲率提出一定的要求，最大井斜不应超过35°；(2)排卤管弯曲可能加重注气排卤时管内壁的结晶结垢程度。

针对上述可能产生的影响，前期钻井工程应提出对应的工艺措施，并在造腔、注采工程的方案设计时考虑井斜对工程的影响。

2.8 参数优化结果

(1)定向井轨道设计优化参数应根据区块地层情况和地面条件，结合现有定向工具情况综合确定。不同区块地层情况和地面条件存在差异，但均应满足布腔间距的要求，同时以保证现场施工顺利和气库长期稳定安全为设计的基本原则。就金坛区块而言，轨道设计方案推荐二开井身结构，造斜段位于一开，降斜段位于二开，稳斜穿过玄武岩段。轨道参数中，以造斜率不超过3.5°、最大井斜角不超过30°、水平位移不超过250 m 为宜。

(2)井身结构设计除考虑常规盐穴储气库井设计因素外，还应结合定向注采井的轨迹情况综合确定。由于盐穴储气库井的井筒尺寸往往较大，在进行定向钻进及下套管作业前，应对区块典型井进行必要分析论证，避免在施工阶段出现复杂情况。

(3)细致的控制管理措施与技术要求在施工中的精确实施，是保障建库效果的关键。盐穴储气库井的井身质量要求较高，而定向注采井的井筒特点又对井身质量和井筒密封性提出了更高的要求，一方面需要对设计和施工中的各个方面进行优化；另一方面，针对施工过程，应制订明确的施工措施，细化达到技术要求需要采取的管理手段，以保证实施效果符合设计目的。

3 现场应用

金坛盐穴储气库规划盐穴定向注采井约50 口，每个井场1～4 口井，目前完钻18 口井，部分定向井轨迹见图2。定向钻井使同区块布井数量较初步设计增加60%以上，大大增加了盐岩资源的利用率，扩充了盐穴储气库的总库容量和有效工作气量，同时也提升了盐矿企业的采矿率等重要生产指标。

图2 金坛储气库部分定向井轨迹Fig. 2 Trajectory of some directional wells in Jintan gas storage

定向井在此区块的成功应用，解决了本区块难以获批地面新井场的难题，同时降低了新井场选择难度，扩大了地面可布井范围，为盐穴储气库已有区块加密布新井，提出了新的思路和方法。

4 结论

(1)采用丛式定向井井型钻探盐穴储气库注采井，在目前国内盐层建库条件下是可行的，且具有灵活、经济、盐岩资源利用率高的优势，后期盐穴建库应推广这种方式。

(2)在金坛地区盐穴储气库建库地质条件下，一开Ø444.5 mm 钻 头 下 入Ø339.7 mm 套 管，二 开Ø311.2 mm 钻头下入Ø244.5 mm 套管，此种类型的大尺寸井眼进行定向钻完井是可以顺利实现的，其他区块也可以在条件允许的情况下进行类似实验。这有利于拓宽对大尺寸井眼定向钻井的认识。

(3)目前国内已钻探部分盐穴定向注采井，这部分井的造腔工程已开始逐步实施，注采工程由于整体工程进度的顺序性还尚未开展。随着建库工程的逐步推进，与定向井井型相关的新问题，在以后的工程实施中，将逐步显现和解决，最终形成成熟的盐穴储气库定向钻完井技术。