鹽穴地下儲氣庫對流井老腔改造工藝技術

薛 雨 王元剛 張新悅

中國石油西氣東輸管道公司

0 引言

鹽穴儲氣庫建設對于地下鹽層的地質條件有很高的要求[1-4]。國內適合建設儲氣庫的鹽礦資源比較缺乏，在建或擬建的鹽穴儲氣庫只有江蘇金壇、淮安，河南等地[5-8]。而且在建的鹽穴儲氣庫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，延緩了儲氣庫建設的進度。我國是井礦鹽生產(chǎn)大國，地下鹽腔數(shù)量眾多，僅湖北云應、河南平頂山等地就擁有老腔500多個，大部分充滿鹵水，處于廢棄閑置狀態(tài)[9]。為加快儲氣庫建設，盡快形成儲氣能力，改造鹽化老腔建設儲氣庫是行之有效的方法，這種鹽化采鹵形成鹽腔建設儲氣庫的方法已經(jīng)在金壇儲氣庫6口井獲得成功應用[10-12]。金壇鹽礦采用單井采鹵方式，而云應、平頂山以及淮安等地鹽礦企業(yè)通常采用對流井采鹵，為加快鹽穴儲氣庫建設，改造對流井老腔已經(jīng)成為一種趨勢。當前國內外沒有對流井老腔改建為鹽穴儲氣庫的案例，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接的改造工藝技術并成功應用于國內某對流井老腔，在大幅度增加該對流井鹽腔有效體積的同時，也為其他對流井老腔的改造提供了一定的借鑒。

圖1 鹽礦對流井示意圖

1 對流井老腔改造必要性

國內絕大部分鹽礦企業(yè)都采用對流井采鹵，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)套管的井身結構，如果直接下入?89 mm油管改為儲氣庫注采井后，油管和套管同采最大采氣量分別為40×104m3/d和80×104m3/d，只能滿足正常調峰的需要，不具備應急供氣的能力。

通過篩選鹽化老腔發(fā)現(xiàn)，可用于進行改造的老腔采鹵年限都較長，有些井甚至達到20年，井筒腐蝕、老化嚴重，并且鹽化采鹵井固井要求遠低于儲氣庫井對固井的要求，固井水泥未返至井口或者部分井段固井質量差，生產(chǎn)套管在井內長時間腐蝕后，其密封性能和剩余強度不能滿足注采氣長時間工作的要求。

同時對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際儲氣空間，增加庫容。

2 對流井老腔改造工藝技術優(yōu)選

對老腔進行改造必須使腔體、井筒、地層三者之間能夠有效密封，同時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有以下3種[13-15]。

1）將原老井眼直接進行封堵，在邊上按鹽穴儲氣庫井標準重新鉆新井。

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，擴眼后下入大直徑套管。

根據(jù)單井老腔改造經(jīng)驗，并結合對流井特點，對流井老腔改造工藝技術有以下6種。

1）利用原有兩個老井筒，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)套管通過套銑方式取出，重新用?311.2 mm鉆頭擴眼，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氣庫鉆井標準重新鉆井，下入?244.5 mm生產(chǎn)套管固井。

4）利用原有兩個老井筒，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氣庫鉆井標準重新鉆井，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)套管通過套銑方式取出，重新用?311.2 mm鉆頭擴眼，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。

對上述6種工藝進行比較，工藝5既能滿足地下儲氣庫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渣中的孔隙體積，是最佳的改造工藝技術（表1）。

表1 改造工藝技術對比表

3 工藝技術難點及對策

優(yōu)選的工藝技術需要將原有的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，well-1'和well-2'作為注氣井，well-3'作為排鹵井。

圖2 對流井老腔改造示意圖

3口新井均按鹽穴儲氣庫常規(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聲納技術準確測量，但腔體下部被不溶物填埋，現(xiàn)有的技術無法測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'鉆井相對簡單，well-3'井鉆井難度較大。well-3'井在鉆井施工時，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'井口位置應盡量選在原水平段井眼軌跡上方。

鹽穴儲氣庫對井身質量要求較高，二開井段最大井斜不超過1.5°，考慮到地層偏溶，為確保well-3'井鉆入通道，二開井段井斜可適當放寬至3°。

3.2 井身結構選擇

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

3.3 生產(chǎn)套管下深及固井

為避免二開鉆井時提前進入水平通道，在施工前需要對通道位置進行預測，以確定生產(chǎn)套管下深。但由于此數(shù)值僅為預測值，實際深度可能比預測值淺，因此二開完鉆時，可不鉆測井口袋。

在固井時，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老腔進行地層承壓試驗，鹽穴儲氣庫生產(chǎn)套管固井水泥漿密度介于1.90～1.95 g/cm3，承壓試驗時鉆井液密度可達到2.00 g/cm3。

3.4 三開鉆入水平通道

鹽穴儲氣庫井二開進入鹽層后及三開井段通常采用飽和鹽水聚合物鉆井液鉆進，考慮到避免污染鹽腔中原有鹵水，well-3'井三開采用飽和鹽水鉆進，同時盡量避免添加處理劑，在三開層段存在多個泥巖夾層的情況下，用高黏度鹽水清洗井內巖屑。

三開進入水平通道瞬間，可能會形成先漏后噴的現(xiàn)象。通道內也有可能存在氣體，連通瞬間上串造成氣頂現(xiàn)場。三開施工時應加強觀察，做好應對措施，防止發(fā)生井下復雜情況。一旦發(fā)現(xiàn)鉆井液返出減少或者增多、鉆時突然變快或者放空以及井漏等異常情況，說明已鉆至水平通道。

well-3'井在鉆井時也存在無法鉆遇水平通道的可能，若鉆至設計位置仍未鉆遇通道，則繼續(xù)鉆進至鹽底，通過溶腔連通水平通道。

3.5 水平腔體整體試壓

為確保腔體整體密封性，除新鉆井需單獨每口井進行井筒氣密封試壓外，還需對整個水平腔體進行密封性測試。試驗時well-1'和well-2'井關井憋壓，從well-3'井環(huán)空持續(xù)注入氮氣，觀察壓力變化情況，連續(xù)24 h內壓力降在0.5 MPa以內為合格。

4 對流井老腔改造試驗

4.1 對流老腔基本情況

選取我國某鹽穴儲氣庫一組對流井老腔進行改造試驗，該對流井井身結構如圖3所示，兩口井井距為330 m，對接點深度為1 490 m。

圖3 對流井老腔井身結構示意圖

4.2 對流井老腔形態(tài)預測

對流老腔形態(tài)如圖4所示，圖中A、C可通過聲納實際測量得到（表2），兩口井剛投入采鹵后，腔體主要向上擴展，由于測溶，水平方向也會向四周擴展，當腔體下部殘渣填埋到一定程度后，不再向四周擴展，只向上發(fā)展，所以well-1和well-2井下部殘渣B和D部分的形狀預測為圓柱體。水平通道E由于開采過程注入水很快達到飽和，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，但此處也預測為理想狀態(tài)下的圓柱體。

將B、D部分腔體預測為圓柱體的話，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可計算出圖4所示hE為257.45 m。

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

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

根據(jù)計算E部分柱體半徑為9.16 m，因此水平通道頂面位置預測介于1 480.84～1 490.84 m。

圖4 對流井老腔形態(tài)預測

4.3 生產(chǎn)套管下深

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

表2 well-1和well-2聲納測腔結果表

表3 well-1—well-2井鹽腔總體積估算表

表4 對流井老腔各部分體積預測表

4.4 對流井老腔改造現(xiàn)場施工

well-3'井采用鹽穴儲氣庫常規(guī)鉆井施工方式，實鉆井身結構數(shù)據(jù)如表5所示。二開最大井斜1.49°，井身質量合格，井筒氣密封試壓滿足鹽穴儲氣庫密封性要求。

表5 well-3'井實鉆井身結構數(shù)據(jù)表

生產(chǎn)套管固井后，關閉well-1和well-2井，采用飽和鹵水進行三開作業(yè)，當鉆至1 477 m時進入水平通道，此時井筒中鹵水發(fā)生漏失，補充注入60 m3鹵水后，鹵水從井口返出，說明已鉆至水平通道。使用鉆頭探底，水平通道底部位置在1 486 m，水平通道位置與預測值基本一致。

整體測試時向well-1井內注入清水，使well-1井口壓力升至5.1 MPa，此時well-2井壓力為 3.4 MPa。關閉well-1和well-2井，從well-3'井注入氮氣，環(huán)空注氣壓力17.00 MPa，氣液界面深度為1 396.81 m。經(jīng)過24 h觀察，氣液界面降低0.08 m，其余壓力均無變化，整體試壓合格。

由于鹽化企業(yè)需要繼續(xù)采鹵生產(chǎn)，此次改造試驗并未對原well-1和well-2井進行封堵和鉆新井，該兩井生產(chǎn)已超過10年，若對該兩口老井進行改造，則腔體的密封性和承壓能力將進一步提高。

4.5 改造后注氣排鹵潛力分析

注氣排鹵時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 對流井老腔注氣排鹵示意圖

根據(jù)圖4、表4可計算出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，不溶物殘渣膨脹后的總體積為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，實際不溶物體積為154.09×104m3，則不溶物膨脹率=實際不溶物體積/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)樵瓉淼膬杀?，則不溶物殘渣中的鹵水占比50%，1 477 m以上B'和D'部分不溶物殘渣中的鹵水體積為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)該儲氣庫運行壓力，通過改造該對流井老腔可增加庫容（3 108～6 216）×104m3，增加工作氣量（1 763～3 526）×104m3。

5 結論

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

2）結合單腔改造經(jīng)驗和對流井特點，在綜合考慮密封性，調峰能力，腔體利用程度等因素的基礎上，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鍵，從簡化工藝及安全考慮，推薦采用三開井身結構，且需要留有足夠的三開井段，保證下部地層的承壓能力。

4）我國某儲氣庫的對流老腔改造試驗的結果表明，本文提出的改造技術是可行的，試驗井可增加腔體體積（13.94～27.88）×104m3，增加工作氣量（1 763～3 526）×104m3。該試驗井的成功改造可推廣應用于其他對流老腔的改造。