薛 雨 王元?jiǎng)?張新悅

中國(guó)石油西氣東輸管道公司

0 引言

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)對(duì)于地下鹽層的地質(zhì)條件有很高的要求[1-4]。國(guó)內(nèi)適合建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)的鹽礦資源比較缺乏，在建或擬建的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)只有江蘇金壇、淮安，河南等地[5-8]。而且在建的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)中都存在鹽層厚度較薄、夾層較多、夾層厚度大、不溶物含量高等不利條件，延緩了儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的進(jìn)度。我國(guó)是井礦鹽生產(chǎn)大國(guó)，地下鹽腔數(shù)量眾多，僅湖北云應(yīng)、河南平頂山等地就擁有老腔500多個(gè)，大部分充滿鹵水，處于廢棄閑置狀態(tài)[9]。為加快儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)，盡快形成儲(chǔ)氣能力，改造鹽化老腔建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)是行之有效的方法，這種鹽化采鹵形成鹽腔建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)的方法已經(jīng)在金壇儲(chǔ)氣庫(kù)6口井獲得成功應(yīng)用[10-12]。金壇鹽礦采用單井采鹵方式，而云應(yīng)、平頂山以及淮安等地鹽礦企業(yè)通常采用對(duì)流井采鹵，為加快鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)，改造對(duì)流井老腔已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有對(duì)流井老腔改建為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的案例，筆者提出了一種封堵原有兩口老井鉆新井，在通道中間打一口排鹵井與原水平通道對(duì)接的改造工藝技術(shù)并成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某對(duì)流井老腔，在大幅度增加該對(duì)流井鹽腔有效體積的同時(shí)，也為其他對(duì)流井老腔的改造提供了一定的借鑒。

圖1 鹽礦對(duì)流井示意圖

1 對(duì)流井老腔改造必要性

國(guó)內(nèi)絕大部分鹽礦企業(yè)都采用對(duì)流井采鹵，先鉆一口直井well-1，再鉆一口定向井well-2與之連通，兩口井交替注采生產(chǎn)（圖1）。鹽礦采鹵井基本都采用?177.8 mm生產(chǎn)套管的井身結(jié)構(gòu)，如果直接下入?89 mm油管改為儲(chǔ)氣庫(kù)注采井后，油管和套管同采最大采氣量分別為40×104m3/d和80×104m3/d，只能滿足正常調(diào)峰的需要，不具備應(yīng)急供氣的能力。

通過(guò)篩選鹽化老腔發(fā)現(xiàn)，可用于進(jìn)行改造的老腔采鹵年限都較長(zhǎng)，有些井甚至達(dá)到20年，井筒腐蝕、老化嚴(yán)重，并且鹽化采鹵井固井要求遠(yuǎn)低于儲(chǔ)氣庫(kù)井對(duì)固井的要求，固井水泥未返至井口或者部分井段固井質(zhì)量差，生產(chǎn)套管在井內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間腐蝕后，其密封性能和剩余強(qiáng)度不能滿足注采氣長(zhǎng)時(shí)間工作的要求。

同時(shí)對(duì)流井老腔底部及通道中存在大量的溶蝕空間，但大部分被不溶物所填埋，若能通過(guò)采取與單腔不同的注氣排鹵方式，排出不溶物之間的鹵水將有效增大實(shí)際儲(chǔ)氣空間，增加庫(kù)容。

2 對(duì)流井老腔改造工藝技術(shù)優(yōu)選

對(duì)老腔進(jìn)行改造必須使腔體、井筒、地層三者之間能夠有效密封，同時(shí)井筒有足夠的天然氣注入和采出能力。成熟的單井老腔改造技術(shù)有以下3種[13-15]。

1）將原老井眼直接進(jìn)行封堵，在邊上按鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井標(biāo)準(zhǔn)重新鉆新井。

2）鍛銑原老井部分下部套管和水泥，封堵后再打大直徑井眼新井。

3）全井套銑，擴(kuò)眼后下入大直徑套管。

根據(jù)單井老腔改造經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合對(duì)流井特點(diǎn)，對(duì)流井老腔改造工藝技術(shù)有以下6種。

1）利用原有兩個(gè)老井筒，中間下入小尺寸注采管柱作為注采井。

2）全井套銑，將原有兩口采鹵井的?177.8 mm生產(chǎn)套管通過(guò)套銑方式取出，重新用?311.2 mm鉆頭擴(kuò)眼，下入?244.5 mm生產(chǎn)套管固井。

3）封堵原有兩口采鹵井，在采鹵溶腔上方按照儲(chǔ)氣庫(kù)鉆井標(biāo)準(zhǔn)重新鉆井，下入?244.5 mm生產(chǎn)套管固井。

4）利用原有兩個(gè)老井筒，中間下入小尺寸注采管柱作為注采井，然后在通道中在打一口新井作為排鹵井。

5）封堵原有兩口采鹵井，在采鹵溶腔上方按照儲(chǔ)氣庫(kù)鉆井標(biāo)準(zhǔn)重新鉆井，下入?244.5 mm生產(chǎn)套管固井，然后在通道中再打一口新井作為排鹵井。

6）全井套銑，即將原有兩口采鹵井的?177.8 mm生產(chǎn)套管通過(guò)套銑方式取出，重新用?311.2 mm鉆頭擴(kuò)眼，下?244.5 mm生產(chǎn)套管固井，然后在通道中在打一口新井作為排鹵井。

對(duì)上述6種工藝進(jìn)行比較，工藝5既能滿足地下儲(chǔ)氣庫(kù)最根本的密封性和可靠性要求，又能最大程度利用鹽腔下部殘?jiān)械目紫扼w積，是最佳的改造工藝技術(shù)（表1）。

表1 改造工藝技術(shù)對(duì)比表

3 工藝技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策

優(yōu)選的工藝技術(shù)需要將原有的well-1、well-2井封堵，新鉆 well-1'、well-2'和 well-3'這 3 口井（圖 2）。后期投產(chǎn)注氣排鹵時(shí)，well-1'和well-2'作為注氣井，well-3'作為排鹵井。

圖2 對(duì)流井老腔改造示意圖

3口新井均按鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)常規(guī)鉆井方式施工，其中well-1'和well-2'井口距離老井井口中心線10 m左右，井口正對(duì)鹽腔底部最深位置以利于后期注氣排鹵，生產(chǎn)套管與腔體頂部保留一定的距離，以保證固井作業(yè)的安全性。鹽腔上部的形狀以及位置可以通過(guò)聲納技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)量，但腔體下部被不溶物填埋，現(xiàn)有的技術(shù)無(wú)法測(cè)出腔體下部以及水平連通通道的形狀及位置，因此，well-1'和well-2'鉆井相對(duì)簡(jiǎn)單，well-3'井鉆井難度較大。well-3'井在鉆井施工時(shí)，需要考慮以下因素。

3.1 井口位置及井斜控制

well-3'井必須鉆入水平通道，否則腔體下部積無(wú)法利用，失去改造意義。由于水平通道的位置及形狀均未知，因此well-3'井口位置應(yīng)盡量選在原水平段井眼軌跡上方。

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)對(duì)井身質(zhì)量要求較高，二開(kāi)井段最大井斜不超過(guò)1.5°，考慮到地層偏溶，為確保well-3'井鉆入通道，二開(kāi)井段井斜可適當(dāng)放寬至3°。

3.2 井身結(jié)構(gòu)選擇

目前鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)井通常采用二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，若well-3'井采用二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，二開(kāi)直接鉆入水平通道，鉆入水平通道瞬間，由于井筒鉆井液與通道內(nèi)鹵水存在壓力差，可能會(huì)形成井噴現(xiàn)象。并且井眼與原水平通道對(duì)接，生產(chǎn)套管固井時(shí)需要先下入橋塞，滿足承壓條件后才能進(jìn)行下套管及固井施工，工藝流程較為復(fù)雜。從工藝及安全角度考慮，well-3'井宜采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，待生產(chǎn)套管固井結(jié)束后，再三開(kāi)鉆入水平通道。

3.3 生產(chǎn)套管下深及固井

為避免二開(kāi)鉆井時(shí)提前進(jìn)入水平通道，在施工前需要對(duì)通道位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，以確定生產(chǎn)套管下深。但由于此數(shù)值僅為預(yù)測(cè)值，實(shí)際深度可能比預(yù)測(cè)值淺，因此二開(kāi)完鉆時(shí)，可不鉆測(cè)井口袋。

在固井時(shí)，若下部地層承壓能力不夠，可能發(fā)生將下部地層與水平通道壓穿的情況，因此需要在固井前對(duì)老腔進(jìn)行地層承壓試驗(yàn)，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)套管固井水泥漿密度介于1.90～1.95 g/cm3，承壓試驗(yàn)時(shí)鉆井液密度可達(dá)到2.00 g/cm3。

3.4 三開(kāi)鉆入水平通道

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井二開(kāi)進(jìn)入鹽層后及三開(kāi)井段通常采用飽和鹽水聚合物鉆井液鉆進(jìn)，考慮到避免污染鹽腔中原有鹵水，well-3'井三開(kāi)采用飽和鹽水鉆進(jìn)，同時(shí)盡量避免添加處理劑，在三開(kāi)層段存在多個(gè)泥巖夾層的情況下，用高黏度鹽水清洗井內(nèi)巖屑。

三開(kāi)進(jìn)入水平通道瞬間，可能會(huì)形成先漏后噴的現(xiàn)象。通道內(nèi)也有可能存在氣體，連通瞬間上串造成氣頂現(xiàn)場(chǎng)。三開(kāi)施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)觀察，做好應(yīng)對(duì)措施，防止發(fā)生井下復(fù)雜情況。一旦發(fā)現(xiàn)鉆井液返出減少或者增多、鉆時(shí)突然變快或者放空以及井漏等異常情況，說(shuō)明已鉆至水平通道。

well-3'井在鉆井時(shí)也存在無(wú)法鉆遇水平通道的可能，若鉆至設(shè)計(jì)位置仍未鉆遇通道，則繼續(xù)鉆進(jìn)至鹽底，通過(guò)溶腔連通水平通道。

3.5 水平腔體整體試壓

為確保腔體整體密封性，除新鉆井需單獨(dú)每口井進(jìn)行井筒氣密封試壓外，還需對(duì)整個(gè)水平腔體進(jìn)行密封性測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)well-1'和well-2'井關(guān)井憋壓，從well-3'井環(huán)空持續(xù)注入氮?dú)?，觀察壓力變化情況，連續(xù)24 h內(nèi)壓力降在0.5 MPa以內(nèi)為合格。

4 對(duì)流井老腔改造試驗(yàn)

4.1 對(duì)流老腔基本情況

選取我國(guó)某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)一組對(duì)流井老腔進(jìn)行改造試驗(yàn)，該對(duì)流井井身結(jié)構(gòu)如圖3所示，兩口井井距為330 m，對(duì)接點(diǎn)深度為1 490 m。

圖3 對(duì)流井老腔井身結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 對(duì)流井老腔形態(tài)預(yù)測(cè)

對(duì)流老腔形態(tài)如圖4所示，圖中A、C可通過(guò)聲納實(shí)際測(cè)量得到（表2），兩口井剛投入采鹵后，腔體主要向上擴(kuò)展，由于測(cè)溶，水平方向也會(huì)向四周擴(kuò)展，當(dāng)腔體下部殘?jiān)盥竦揭欢ǔ潭群?，不再向四周擴(kuò)展，只向上發(fā)展，所以well-1和well-2井下部殘?jiān)麭和D部分的形狀預(yù)測(cè)為圓柱體。水平通道E由于開(kāi)采過(guò)程注入水很快達(dá)到飽和，不再溶蝕鹽層，因此水平段截面在水平段中部最小，越靠近well-1和well-2井，截面越大，但此處也預(yù)測(cè)為理想狀態(tài)下的圓柱體。

將B、D部分腔體預(yù)測(cè)為圓柱體的話，則B部分柱體半徑為41.39 m，D部分柱體半徑為31.16 m。根據(jù)半徑及高度可計(jì)算出B和D部分體積分別為74.93×104m3和48.17×104m3。再根據(jù)兩井距離330 m可計(jì)算出圖4所示hE為257.45 m。

該對(duì)流井組共采鹵678.1×104m3，鹵水濃度300 g/L左右，估算動(dòng)用含鹽地層地下空間體積為171.2×104m3（表 3）。

根據(jù)鹽層動(dòng)用體積、ABCD部分體積及hE，可計(jì)算出水平通道腔體E部分體積及水平通道平均半徑（表4）。

根據(jù)計(jì)算E部分柱體半徑為9.16 m，因此水平通道頂面位置預(yù)測(cè)介于1 480.84～1 490.84 m。

圖4 對(duì)流井老腔形態(tài)預(yù)測(cè)

4.3 生產(chǎn)套管下深

為保證二開(kāi)固井時(shí)下部地層有足夠的承壓能力，同時(shí)還需留出100 m左右的溶腔建槽深度，以防止注氣排鹵時(shí)不溶物堵塞排鹵管，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，綜合考慮鹽層分布情況，二開(kāi)生產(chǎn)套管下深定為1 385 m。

表2 well-1和well-2聲納測(cè)腔結(jié)果表

表3 well-1—well-2井鹽腔總體積估算表

表4 對(duì)流井老腔各部分體積預(yù)測(cè)表

4.4 對(duì)流井老腔改造現(xiàn)場(chǎng)施工

well-3'井采用鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)常規(guī)鉆井施工方式，實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表5所示。二開(kāi)最大井斜1.49°，井身質(zhì)量合格，井筒氣密封試壓滿足鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)密封性要求。

表5 well-3'井實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

生產(chǎn)套管固井后，關(guān)閉well-1和well-2井，采用飽和鹵水進(jìn)行三開(kāi)作業(yè)，當(dāng)鉆至1 477 m時(shí)進(jìn)入水平通道，此時(shí)井筒中鹵水發(fā)生漏失，補(bǔ)充注入60 m3鹵水后，鹵水從井口返出，說(shuō)明已鉆至水平通道。使用鉆頭探底，水平通道底部位置在1 486 m，水平通道位置與預(yù)測(cè)值基本一致。

整體測(cè)試時(shí)向well-1井內(nèi)注入清水，使well-1井口壓力升至5.1 MPa，此時(shí)well-2井壓力為 3.4 MPa。關(guān)閉well-1和well-2井，從well-3'井注入氮?dú)猓h(huán)空注氣壓力17.00 MPa，氣液界面深度為1 396.81 m。經(jīng)過(guò)24 h觀察，氣液界面降低0.08 m，其余壓力均無(wú)變化，整體試壓合格。

由于鹽化企業(yè)需要繼續(xù)采鹵生產(chǎn)，此次改造試驗(yàn)并未對(duì)原well-1和well-2井進(jìn)行封堵和鉆新井，該兩井生產(chǎn)已超過(guò)10年，若對(duì)該兩口老井進(jìn)行改造，則腔體的密封性和承壓能力將進(jìn)一步提高。

4.5 改造后注氣排鹵潛力分析

注氣排鹵時(shí)well-3'井作為排鹵井，將排鹵管柱下入水平通道即1 477.0 m的深度，1 477.0 m深度以上的鹵水均可有效排出（圖5）。

圖5 對(duì)流井老腔注氣排鹵示意圖

根據(jù)圖4、表4可計(jì)算出1 477 m以上B'部分圓柱體積為92.15×104m3，D'部分圓柱體積為47.26×104m3，不溶物殘?jiān)蛎浐蟮目傮w積為139.41×104m3。

根據(jù)表3，不溶物原始體積為77.0×104m3（總體積171.2×104m3減去采鹽體積94.2×104m3）。從圖4可知，實(shí)際不溶物體積為154.09×104m3，則不溶物膨脹率=實(shí)際不溶物體積/不溶物體積，即154.09×104m3/ 77.0×104m3=2.0。

根據(jù)上式，不溶物遇水后膨脹后體積變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍，則不溶物殘?jiān)械柠u水占比50%，1 477 m以上B'和D'部分不溶物殘?jiān)械柠u水體積為69.71×104m3。假如能排出膨脹體積中20%～40%的鹵水，則可增加腔體體積（13.94～27.88）×104m3，根據(jù)該儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力，通過(guò)改造該對(duì)流井老腔可增加庫(kù)容（3 108～6 216）×104m3，增加工作氣量（1 763～3 526）×104m3。

5 結(jié)論

1）利用對(duì)流井老腔改建儲(chǔ)氣庫(kù)可充分利用底部不溶物中的孔隙空間，增加腔體體積，縮短鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)周期。

2）結(jié)合單腔改造經(jīng)驗(yàn)和對(duì)流井特點(diǎn)，在綜合考慮密封性，調(diào)峰能力，腔體利用程度等因素的基礎(chǔ)上，提出封堵原有兩口老井并鉆新井、在通道中間再打一口排鹵井的對(duì)流井老腔改造工藝。

3）中間排鹵井鉆遇水平通道是改造成功的關(guān)鍵，從簡(jiǎn)化工藝及安全考慮，推薦采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，且需要留有足夠的三開(kāi)井段，保證下部地層的承壓能力。

4）我國(guó)某儲(chǔ)氣庫(kù)的對(duì)流老腔改造試驗(yàn)的結(jié)果表明，本文提出的改造技術(shù)是可行的，試驗(yàn)井可增加腔體體積（13.94～27.88）×104m3，增加工作氣量（1 763～3 526）×104m3。該試驗(yàn)井的成功改造可推廣應(yīng)用于其他對(duì)流老腔的改造。