“S”型盐穴储气库井地质因素及钻井技术浅析

赵云松，陈 峰

(1.中盐金坛盐化有限责任公司，江苏 金坛 213200；2.江苏煤炭地质勘探三队，江苏 常州 213022)

1 前言

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。

2 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)。

表1 金坛地区新生界地层简表Tab.1 Cenozoic strata in Jintan area

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 m～230.95 m。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。

3 “S”型储气库井技术要求及钻探地质风险分析

3.1 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，单井井身质量要求见表2。

表2 金坛大口径“S”型盐穴储气库井井身质量要求Tab.2 Quality requirements for well bore of large-diameter“s”-type salt cavern gas storage wells in Jintan

(2)完钻原则。阜宁组四段(E1f4)岩盐层底预留5 m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25 m。

3.2 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。

4 “S”型储气库井钻井关键技术措施

4.1 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80 m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50 m垂直段，之后垂直钻至岩盐层底界以上5 m完钻，套管下入距井底30 m左右位置。金坛“S”型盐穴储气库如图1。

图1 金坛某大口径“S”型盐穴储气库井井身结构图Fig.1 Well bore structure of a large-diameter "S" type salt cavern gas storage well in Jintan

4.2 钻具组合使用

对该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Φ660.4 mm三翼钻头直接成孔；一开井段井身轨迹为直—增—稳，井径为Φ444.5 mm，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°Φ244.5 mm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Φ311.2 mm，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°Φ197 mm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。

4.3 钻井液体系的使用与维护

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1.30 g/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。

5 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1 000 m左右的情况下实现200 m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。