宁晋石盐田水平连通井堵塞成因分析与认识

张旭，郭家轩

（河北省煤田地质局第二地质队，河北 邢台 054001）

随着钻井设备和钻井技术、测井仪器和测井技术的不断发展与进步，定向水平井连通法采卤成为目前最先进的钻井水溶开采方法［1］。该方法较单井对流法采卤有明显的“三高一低”特点，即卤水产量高、浓度高、矿石采收率高、投资成本低。另外，对接点不受地层条件限制，适用于各种构造和不同埋深、厚度、品位盐矿的开采。

河北宁晋石盐田采卤生产均采用定向水平井连通水溶开采法，自连通投产后多次发生卤井堵塞情况。针对本区卤井生产过程中多次出现的井堵问题，分析总结了堵塞成因，提出了合理化建议，期许对本区后续的钻修井工程提供指导［2］。

1 矿区盐层、构造概况

1.1 盐矿层

本矿区盐矿层主要赋存在古近系沙河街组一段地层中，埋深在2600~2885 m。中上部地层岩性为暗紫红、棕红、灰绿色泥岩、砂质泥岩与紫红、灰绿、灰白色粉细砂岩互层，间夹若干层泥灰岩、灰白色硬石膏薄层；下部主要为灰、灰白色泥质灰岩、膏质、灰质泥岩与石盐互层；底部岩性主要为褐红色白云质泥岩、灰色灰质泥岩。盐矿层结构较简单，顶板为泥灰岩夹硬石膏薄层，底板为灰色泥灰岩、泥质白云岩。

1.2 构造

本区位于华北断凹之临清台陷之束鹿断凹之中部，向西为晋县断凹，向东为新河断凸，向南为南和断凸，向北为冀中台陷［3］。区内盐矿层总体走向北东，倾向南东，地层倾角近似1°~4°。在以往钻井施工过程中未遇到断层，盐矿层呈缓倾斜的单斜发育，断层稀少，对盐矿层影响不大。

2 矿区卤井概况

目前矿区内共有4对卤井，Y1、Y2、Y6、Y10井为2008年到2012年 完工的 直井，Y3井为2014年底完工的定向水平井，与Y1井组成一对采卤井；Y4、Y5、Y9井为2018年完工的定向水平井，分别与Y2、Y6、Y10井组成采卤井组，对接连通一段时间后4对井组先后堵塞，又分别对其进行修井，通过通井、开窗侧钻等方法使其重新连通。对接连通井井身结构示意见图1。

3 卤井堵塞原因分析

3.1 盐层蠕变挤破套管

在深井、超深井中，盐岩层在上覆岩层压力和地温作用下会产生蠕变。由于非均匀地应力的作用［4］，更加剧了盐岩层蠕变，导致套管破损，卤水过流面积变小，破损严重时甚至直接造成通道闭合，导致井组堵塞。

矿区内直井均出现技术套管被挤破现象（见表1），具体说明本区地应力大于套管抗挤强度。假设盐层的水平应力［5］与垂直应力接近，上覆地层岩石平均密度为2.2 g/cm3，以Y10井套管变形位置2710 m计算，则水平应力为59.62 MPa，而所用Ø177.8 mm×10.36 mm（N80）技术套管最大抗挤强度为48.4 MPa，所以出现了矿区内直井套管被挤破现象。

另外，套管在卤水中长时间使用极易被腐蚀，腐蚀形式包括酸腐蚀、电化学腐蚀和氧化腐蚀等［6-7］。本区盐井返出的卤水浓度高，达到300 g/L以上，通过图2钻具和配水管的腐蚀情况判断长时间浸泡的套管受腐蚀的可能性也比较大，腐蚀后的套管更容易被挤破。

图1 对接连通井井身结构示意Fig.1 Structure of the intersected well set

表1 各直井技术套管变形位置统计Table 1 Casing damage depth in vertical wells

多年以来深层盐层钻井一直是钻井工程重大难题之一，能否顺利完井更是后期顺利采卤的重要保障。盐层的蠕变特性［8］在施工过程中经常造成井眼失稳、卡钻、挤破套管［9］等事故，给钻修井工作和后期采卤造成重大经济损失。

图2 钻杆和配水管腐蚀情况Fig.2 Corrosion of drill pipe and water supply pipe

3.2 夹石、岩粉等杂物沉淀

本区各石盐矿层均含有大于0.1 m的夹石，主要岩性为灰质泥岩、石膏质泥岩和泥灰岩，呈不等厚状分布于各石盐矿层中。通过对部分采样样品进行力学性能测试结果分析，本区夹石厚度较薄，抗压强度较低，具体测试结果见表2。

表2 石盐矿层夹石岩石力学性能测试成果Table 2 Test results of mechanical properties of rock inclusions in the rock salt layer

本区对接井井距都在300 m左右，在水溶开采过程中，由于石盐矿层力学性能差，形成一定的溶腔后，石盐矿层及薄层夹石层因跨度过大逐渐垮落，矿石被溶解，而部分夹石则成为矿渣沉至溶腔或连通通道内，夹石矿渣量会随着开采的不断进行而逐渐沉积增多，聚积到一定量时，造成连通通道的堵塞。

3.3 盐结晶堵塞通道

目前国内外盐井开采时造成井堵的重要原因是由盐结晶引起的。饱和卤水由溶腔返至地面过程中，随着地温梯度的变化，温度逐渐降低，盐的溶解度也不断减小，并形成晶体析出，附着在管道、阀门等不光滑的位置或变径处［10］，久而久之，盐结晶使通道逐渐变小甚至堵塞（见图3），最终导致井堵。

本区石盐矿层主要矿物以NaCl为主，CaSO4次之，还有KCl、Na2SO4、MgCl2等少量其它矿物。根据几种单盐矿物溶解度曲线可知，NaCl溶解度随温度升高变化较小，CaSO4微溶于水，溶解度随温度升高变化不大；KCl和MgCl2溶解度随温度升高而增大；Na2SO4在40℃前溶解度随温度升高逐渐增大，40℃之后随温度升高缓慢降低。具体情况见图4。 本区采卤位置在埋深2700~2850 m，溶腔温度86~96℃，除CaSO4外各矿物溶解度均较高，很容易形成饱和甚至过饱和溶液，在卤水返至地面过程中，温度能达到60℃左右，随温度的逐渐降低，各矿物溶解度均降低（Na2SO4除外），析出晶体后很容易造成通道的堵塞。

图3 钻具内和阀门处盐结晶情况Fig.3 Salt crystallization in the drill pipe and the valve

图4 几种单盐矿物溶解度曲线Fig.4 Solubility curves of several single salt minerals

4 卤井堵塞预防措施

4.1 使用高强度抗挤毁套管、减缓套管腐蚀

随着本区卤井后期开发与生产的需要，已认识到使用高强度抗挤毁套管的重要性及必要性，修井过程中发现前期施工直井均有技术套管被挤破的现象，因此，后续施工的斜井在盐系地层均使用高强度抗挤毁套管。具体情况见表3。

表3 后续施工卤井情况Table 3 Casing for later drilled brine wells

盐系地层使用的TP125TT型技术套管的抗外挤强度>80.7 MPa，修井后所下P110型尾管最大抗外挤强度100.3 MPa，适用于本区复杂地质条件下的盐岩开采。后期修井过程中，尚未发现高强度套管损坏情况。

虽然所用高强度抗外挤套管，但也存在套管服务年限的问题，长时间卤水腐蚀和高强度开采也会加剧套管的腐蚀和磨损，也应注意套管使用寿命。

对于套管的腐蚀现象，应采取相应的措施，一是采取合理的除氯工艺，调整、控制pH值和游离氯含量；二是对管柱进行涂层防腐，如无溶剂环氧液体涂料具有较好的耐盐卤腐蚀性，可采用喷涂工艺、单管预制、一次喷涂成膜等方式提髙管柱防腐性能［11］。

4.2 预防盐结晶

卤水在开采过程中形成结晶是一个普遍的问题，也是影响卤井生产的一个主要原因，如果预防和处理不当，就会发生井堵事故。结晶的形成与卤水温度、饱和度和流速等多种因素相关，因此预防盐结晶主要从3方面入手。

4.2.1 降低卤水饱和度

为防止盐结晶，最直接有效的方法是降低卤水饱和度［12］，即从卤水饱和度数据计算配兑淡水量，使返至地面的卤水在地表温度压力条件下达到亚饱和状态，以保证卤水质量。配兑淡水量计算公式为：

式中：m——配兑淡水量，m3/h；C1——井下卤水温度T1时的饱和度；C2——返至地面卤水温度T2时的饱和度；M——采卤管出口出卤量，m3/h。

不同温度下NaCl的溶解度和饱和度见表4。

表4 不同温度下NaCl的溶解度和饱和度Table 4 NaCl solubility and saturation at different temperatures

本区2850 m处矿层温度96℃，采卤管出口温度60℃，出卤量为100 m3/h，根据表4数据，插值估算得到96℃时的饱和度为28.31%，根据公式（1）计算可得，需要配兑淡水4.02 m3/h，地面卤水温度越低需要配兑淡水量越多。在采卤生产过程中，为防止技术套管内出现盐结晶，通过给反卤井下配水管降低反卤浓度［13］，预防结晶的产生，本区配水流量控制在10 m3/h左右，配水管采用Ø60.32 mm×6.45 mm（N80Q）油管，下入深度距技术套管底端3~5 m。

4.2.2 控制出卤流速

在采卤水过程中，通过控制卤水流速，能起到预防或减少盐结晶现象。采卤管内卤水的流动会对管壁上附着的晶体产生流体剪切力［14］，可以使晶体脱离管内壁或分解成许多小晶粒，起到抑制晶体生长的作用。

根据相关实验数据可知，通过模拟管柱内出现内壁结晶现象，当泵流量在0和3 m3/h时，管内壁结晶盐厚度为9 m；当泵流量在5、10、20和30 m3/h时，管内壁未形成明显结晶。

饱和卤水在上返过程中，流体剪切力的作用能减缓晶体的生长速度，且流速越大，晶体生长越不明显。在实际采卤工作中，应尽量避免排卤管道内饱和卤水缓慢上升，应合理提高出卤流速。若确实需要停井时，应向排卤管内注入淡水，降低卤水浓度，防止晶体在过饱和卤水中迅速生长而造成井堵。

根据图3室内实验数据［15］可知，在一定范围内，岩盐的溶解速度随卤水流速的增大而增大，当流速达到一定值后，溶解速率开始下降，因此在生产过程中要适当控制淡水注入流速。正常采卤时，淡水注入流速一般控制在100~120 m3/h，使岩盐矿物的溶解效果达到最佳，预防岩盐结晶堵塞。

图3 岩盐溶速与水体流速的关系Fig.3 Relationship between dissolution rate of rock salt and solvent flow rate

5 结语

宁晋盐井连通后又井堵的主要原因是盐层蠕变挤毁套管、岩粉夹石沉淀堵塞通道和盐结晶堵塞通道3个方面。

高强度抗挤毁套管已在本区广泛使用，能从根本上抵抗盐层蠕变对套管造成的伤害，有效地保护好连通通道。盐层蠕变到底能产生多大的地应力是未知的，建议在本区进行地应力测量工作，掌握本区3000 m深的地应力情况，根据测得的地应力数据来选择适合本区的套管。

后续新建工程要慎重考虑井距，井距过大，建井周期长，还会造成溶腔因跨度大失稳造成顶板垮塌；井距过小，淡水与盐层的接触面过小，溶解盐的时间短，卤井不可能较长时间保持产出高浓卤水，因此应根据盐层的埋深、品位、夹矸、溶解特性等相关数据设计适合本区的合理井距。

采卤过程中要根据实际情况来决定配水管的下深，另外要实时准确监测出卤水温度和饱和度，适时调整卤水流速和配水量，达到最有效地降低卤水浓度，尽可能防止盐结晶的产生。