張旭，郭家軒

（河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北 邢臺 054001）

隨著鉆井設(shè)備和鉆井技術(shù)、測井儀器和測井技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，定向水平井連通法采鹵成為目前最先進的鉆井水溶開采方法［1］。該方法較單井對流法采鹵有明顯的“三高一低”特點，即鹵水產(chǎn)量高、濃度高、礦石采收率高、投資成本低。另外，對接點不受地層條件限制，適用于各種構(gòu)造和不同埋深、厚度、品位鹽礦的開采。

河北寧晉石鹽田采鹵生產(chǎn)均采用定向水平井連通水溶開采法，自連通投產(chǎn)后多次發(fā)生鹵井堵塞情況。針對本區(qū)鹵井生產(chǎn)過程中多次出現(xiàn)的井堵問題，分析總結(jié)了堵塞成因，提出了合理化建議，期許對本區(qū)后續(xù)的鉆修井工程提供指導(dǎo)［2］。

1 礦區(qū)鹽層、構(gòu)造概況

1.1 鹽礦層

本礦區(qū)鹽礦層主要賦存在古近系沙河街組一段地層中，埋深在2600~2885 m。中上部地層巖性為暗紫紅、棕紅、灰綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖與紫紅、灰綠、灰白色粉細砂巖互層，間夾若干層泥灰?guī)r、灰白色硬石膏薄層；下部主要為灰、灰白色泥質(zhì)灰?guī)r、膏質(zhì)、灰質(zhì)泥巖與石鹽互層；底部巖性主要為褐紅色白云質(zhì)泥巖、灰色灰質(zhì)泥巖。鹽礦層結(jié)構(gòu)較簡單，頂板為泥灰?guī)r夾硬石膏薄層，底板為灰色泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖。

1.2 構(gòu)造

本區(qū)位于華北斷凹之臨清臺陷之束鹿斷凹之中部，向西為晉縣斷凹，向東為新河斷凸，向南為南和斷凸，向北為冀中臺陷［3］。區(qū)內(nèi)鹽礦層總體走向北東，傾向南東，地層傾角近似1°~4°。在以往鉆井施工過程中未遇到斷層，鹽礦層呈緩傾斜的單斜發(fā)育，斷層稀少，對鹽礦層影響不大。

2 礦區(qū)鹵井概況

目前礦區(qū)內(nèi)共有4對鹵井，Y1、Y2、Y6、Y10井為2008年到2012年 完工的 直井，Y3井為2014年底完工的定向水平井，與Y1井組成一對采鹵井；Y4、Y5、Y9井為2018年完工的定向水平井，分別與Y2、Y6、Y10井組成采鹵井組，對接連通一段時間后4對井組先后堵塞，又分別對其進行修井，通過通井、開窗側(cè)鉆等方法使其重新連通。對接連通井井身結(jié)構(gòu)示意見圖1。

3 鹵井堵塞原因分析

3.1 鹽層蠕變擠破套管

在深井、超深井中，鹽巖層在上覆巖層壓力和地溫作用下會產(chǎn)生蠕變。由于非均勻地應(yīng)力的作用［4］，更加劇了鹽巖層蠕變，導(dǎo)致套管破損，鹵水過流面積變小，破損嚴重時甚至直接造成通道閉合，導(dǎo)致井組堵塞。

礦區(qū)內(nèi)直井均出現(xiàn)技術(shù)套管被擠破現(xiàn)象（見表1），具體說明本區(qū)地應(yīng)力大于套管抗擠強度。假設(shè)鹽層的水平應(yīng)力［5］與垂直應(yīng)力接近，上覆地層巖石平均密度為2.2 g/cm3，以Y10井套管變形位置2710 m計算，則水平應(yīng)力為59.62 MPa，而所用?177.8 mm×10.36 mm（N80）技術(shù)套管最大抗擠強度為48.4 MPa，所以出現(xiàn)了礦區(qū)內(nèi)直井套管被擠破現(xiàn)象。

另外，套管在鹵水中長時間使用極易被腐蝕，腐蝕形式包括酸腐蝕、電化學(xué)腐蝕和氧化腐蝕等［6-7］。本區(qū)鹽井返出的鹵水濃度高，達到300 g/L以上，通過圖2鉆具和配水管的腐蝕情況判斷長時間浸泡的套管受腐蝕的可能性也比較大，腐蝕后的套管更容易被擠破。

圖1 對接連通井井身結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of the intersected well set

表1 各直井技術(shù)套管變形位置統(tǒng)計Table 1 Casing damage depth in vertical wells

多年以來深層鹽層鉆井一直是鉆井工程重大難題之一，能否順利完井更是后期順利采鹵的重要保障。鹽層的蠕變特性［8］在施工過程中經(jīng)常造成井眼失穩(wěn)、卡鉆、擠破套管［9］等事故，給鉆修井工作和后期采鹵造成重大經(jīng)濟損失。

圖2 鉆桿和配水管腐蝕情況Fig.2 Corrosion of drill pipe and water supply pipe

3.2 夾石、巖粉等雜物沉淀

本區(qū)各石鹽礦層均含有大于0.1 m的夾石，主要巖性為灰質(zhì)泥巖、石膏質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r，呈不等厚狀分布于各石鹽礦層中。通過對部分采樣樣品進行力學(xué)性能測試結(jié)果分析，本區(qū)夾石厚度較薄，抗壓強度較低，具體測試結(jié)果見表2。

表2 石鹽礦層夾石巖石力學(xué)性能測試成果Table 2 Test results of mechanical properties of rock inclusions in the rock salt layer

本區(qū)對接井井距都在300 m左右，在水溶開采過程中，由于石鹽礦層力學(xué)性能差，形成一定的溶腔后，石鹽礦層及薄層夾石層因跨度過大逐漸垮落，礦石被溶解，而部分夾石則成為礦渣沉至溶腔或連通通道內(nèi)，夾石礦渣量會隨著開采的不斷進行而逐漸沉積增多，聚積到一定量時，造成連通通道的堵塞。

3.3 鹽結(jié)晶堵塞通道

目前國內(nèi)外鹽井開采時造成井堵的重要原因是由鹽結(jié)晶引起的。飽和鹵水由溶腔返至地面過程中，隨著地溫梯度的變化，溫度逐漸降低，鹽的溶解度也不斷減小，并形成晶體析出，附著在管道、閥門等不光滑的位置或變徑處［10］，久而久之，鹽結(jié)晶使通道逐漸變小甚至堵塞（見圖3），最終導(dǎo)致井堵。

本區(qū)石鹽礦層主要礦物以NaCl為主，CaSO4次之，還有KCl、Na2SO4、MgCl2等少量其它礦物。根據(jù)幾種單鹽礦物溶解度曲線可知，NaCl溶解度隨溫度升高變化較小，CaSO4微溶于水，溶解度隨溫度升高變化不大；KCl和MgCl2溶解度隨溫度升高而增大；Na2SO4在40℃前溶解度隨溫度升高逐漸增大，40℃之后隨溫度升高緩慢降低。具體情況見圖4。 本區(qū)采鹵位置在埋深2700~2850 m，溶腔溫度86~96℃，除CaSO4外各礦物溶解度均較高，很容易形成飽和甚至過飽和溶液，在鹵水返至地面過程中，溫度能達到60℃左右，隨溫度的逐漸降低，各礦物溶解度均降低（Na2SO4除外），析出晶體后很容易造成通道的堵塞。

圖3 鉆具內(nèi)和閥門處鹽結(jié)晶情況Fig.3 Salt crystallization in the drill pipe and the valve

圖4 幾種單鹽礦物溶解度曲線Fig.4 Solubility curves of several single salt minerals

4 鹵井堵塞預(yù)防措施

4.1 使用高強度抗擠毀套管、減緩套管腐蝕

隨著本區(qū)鹵井后期開發(fā)與生產(chǎn)的需要，已認識到使用高強度抗擠毀套管的重要性及必要性，修井過程中發(fā)現(xiàn)前期施工直井均有技術(shù)套管被擠破的現(xiàn)象，因此，后續(xù)施工的斜井在鹽系地層均使用高強度抗擠毀套管。具體情況見表3。

表3 后續(xù)施工鹵井情況Table 3 Casing for later drilled brine wells

鹽系地層使用的TP125TT型技術(shù)套管的抗外擠強度>80.7 MPa，修井后所下P110型尾管最大抗外擠強度100.3 MPa，適用于本區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下的鹽巖開采。后期修井過程中，尚未發(fā)現(xiàn)高強度套管損壞情況。

雖然所用高強度抗外擠套管，但也存在套管服務(wù)年限的問題，長時間鹵水腐蝕和高強度開采也會加劇套管的腐蝕和磨損，也應(yīng)注意套管使用壽命。

對于套管的腐蝕現(xiàn)象，應(yīng)采取相應(yīng)的措施，一是采取合理的除氯工藝，調(diào)整、控制pH值和游離氯含量；二是對管柱進行涂層防腐，如無溶劑環(huán)氧液體涂料具有較好的耐鹽鹵腐蝕性，可采用噴涂工藝、單管預(yù)制、一次噴涂成膜等方式提髙管柱防腐性能［11］。

4.2 預(yù)防鹽結(jié)晶

鹵水在開采過程中形成結(jié)晶是一個普遍的問題，也是影響鹵井生產(chǎn)的一個主要原因，如果預(yù)防和處理不當，就會發(fā)生井堵事故。結(jié)晶的形成與鹵水溫度、飽和度和流速等多種因素相關(guān)，因此預(yù)防鹽結(jié)晶主要從3方面入手。

4.2.1 降低鹵水飽和度

為防止鹽結(jié)晶，最直接有效的方法是降低鹵水飽和度［12］，即從鹵水飽和度數(shù)據(jù)計算配兌淡水量，使返至地面的鹵水在地表溫度壓力條件下達到亞飽和狀態(tài)，以保證鹵水質(zhì)量。配兌淡水量計算公式為：

式中：m——配兌淡水量，m3/h；C1——井下鹵水溫度T1時的飽和度；C2——返至地面鹵水溫度T2時的飽和度；M——采鹵管出口出鹵量，m3/h。

不同溫度下NaCl的溶解度和飽和度見表4。

表4 不同溫度下NaCl的溶解度和飽和度Table 4 NaCl solubility and saturation at different temperatures

本區(qū)2850 m處礦層溫度96℃，采鹵管出口溫度60℃，出鹵量為100 m3/h，根據(jù)表4數(shù)據(jù)，插值估算得到96℃時的飽和度為28.31%，根據(jù)公式（1）計算可得，需要配兌淡水4.02 m3/h，地面鹵水溫度越低需要配兌淡水量越多。在采鹵生產(chǎn)過程中，為防止技術(shù)套管內(nèi)出現(xiàn)鹽結(jié)晶，通過給反鹵井下配水管降低反鹵濃度［13］，預(yù)防結(jié)晶的產(chǎn)生，本區(qū)配水流量控制在10 m3/h左右，配水管采用?60.32 mm×6.45 mm（N80Q）油管，下入深度距技術(shù)套管底端3~5 m。

4.2.2 控制出鹵流速

在采鹵水過程中，通過控制鹵水流速，能起到預(yù)防或減少鹽結(jié)晶現(xiàn)象。采鹵管內(nèi)鹵水的流動會對管壁上附著的晶體產(chǎn)生流體剪切力［14］，可以使晶體脫離管內(nèi)壁或分解成許多小晶粒，起到抑制晶體生長的作用。

根據(jù)相關(guān)實驗數(shù)據(jù)可知，通過模擬管柱內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)壁結(jié)晶現(xiàn)象，當泵流量在0和3 m3/h時，管內(nèi)壁結(jié)晶鹽厚度為9 m；當泵流量在5、10、20和30 m3/h時，管內(nèi)壁未形成明顯結(jié)晶。

飽和鹵水在上返過程中，流體剪切力的作用能減緩晶體的生長速度，且流速越大，晶體生長越不明顯。在實際采鹵工作中，應(yīng)盡量避免排鹵管道內(nèi)飽和鹵水緩慢上升，應(yīng)合理提高出鹵流速。若確實需要停井時，應(yīng)向排鹵管內(nèi)注入淡水，降低鹵水濃度，防止晶體在過飽和鹵水中迅速生長而造成井堵。

根據(jù)圖3室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)［15］可知，在一定范圍內(nèi)，巖鹽的溶解速度隨鹵水流速的增大而增大，當流速達到一定值后，溶解速率開始下降，因此在生產(chǎn)過程中要適當控制淡水注入流速。正常采鹵時，淡水注入流速一般控制在100~120 m3/h，使巖鹽礦物的溶解效果達到最佳，預(yù)防巖鹽結(jié)晶堵塞。

圖3 巖鹽溶速與水體流速的關(guān)系Fig.3 Relationship between dissolution rate of rock salt and solvent flow rate

5 結(jié)語

寧晉鹽井連通后又井堵的主要原因是鹽層蠕變擠毀套管、巖粉夾石沉淀堵塞通道和鹽結(jié)晶堵塞通道3個方面。

高強度抗擠毀套管已在本區(qū)廣泛使用，能從根本上抵抗鹽層蠕變對套管造成的傷害，有效地保護好連通通道。鹽層蠕變到底能產(chǎn)生多大的地應(yīng)力是未知的，建議在本區(qū)進行地應(yīng)力測量工作，掌握本區(qū)3000 m深的地應(yīng)力情況，根據(jù)測得的地應(yīng)力數(shù)據(jù)來選擇適合本區(qū)的套管。

后續(xù)新建工程要慎重考慮井距，井距過大，建井周期長，還會造成溶腔因跨度大失穩(wěn)造成頂板垮塌；井距過小，淡水與鹽層的接觸面過小，溶解鹽的時間短，鹵井不可能較長時間保持產(chǎn)出高濃鹵水，因此應(yīng)根據(jù)鹽層的埋深、品位、夾矸、溶解特性等相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)計適合本區(qū)的合理井距。

采鹵過程中要根據(jù)實際情況來決定配水管的下深，另外要實時準確監(jiān)測出鹵水溫度和飽和度，適時調(diào)整鹵水流速和配水量，達到最有效地降低鹵水濃度，盡可能防止鹽結(jié)晶的產(chǎn)生。