深层卤水钻孔完井工艺分析.pdf

赵春永等:深层卤水钻孔完井工艺分析第2 4卷 第3期深层卤水钻孔完井工艺分析赵春永1,党宇宁2(1.江苏长江地质勘查院,南京 2 1 0 0 4 6;2.江苏省南京工程高等职业学校,南京 2 1 1 1 3 5)摘 要:为了更好地勘查开发和利用钾锂卤水资源,选择一种合适的完井工艺非常重要。本文以碱石山钾盐矿预查项目为例,在了解了碱石山地质概况和水文地质特征的基础上,通过对比分析碱石山卤水钾盐项目、第四系深层卤水勘查、油田井3种成井结构,评价了各种完井工艺的优缺点,得出了在进行深层构造卤水勘查中,碱石山卤水钾盐项目钻孔完井工艺更加经济合理,方法更具有可行性。关键词:深层卤水;完井工艺;钾盐卤水中图分类号:P 6 3 4 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 9 2 8 2 X(2 0 2 3)0 3 0 0 2 8 0 5C o m p l e t i o n P r o c e s s A n a l y s i s f o r D e e p B r i n e D r i l l i n gZ HA O C h u n y o n g1 D A N G Y u n i n g21 J i a n g s u Y a n g t z e R i v e r G e o l o g i c a l E x p l o r a t i o n I n s t i t u t e N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 4 6 C h i n a2 J i a n g s u P r o v i n c e N a n j i n g H i g h e r V o c a t i o n a l S c h o o l o f E n g i n e e r i n g N a n j i n g J i a n g s u 2 1 1 1 3 5 C h i n aA b s t r a c t I n o r d e r t o b e t t e r e x p l o r e d e v e l o p a n d u t i l i z e p o t a s s i u m l i t h i u m b r i n e w a t e r r e s o u r c e s i t i s i m p o r t a n t t o c h o o s e a s u i t a b l e c o m p l e t i o n p r o c e s s T a k i n g t h e p r e i n v e s t i g a t i o n p r o j e c t o f J i a n s h i s h a n p o t a s s i u m s a l t m i n e a s a n e x a m p l e a n d b a s e d o n t h e u n d e r s t a n d i n g o f g e o l o g i c a l c o n d i t i o n a n d h y d r o g e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f J i a n s h i s h a n t h i s p a p e r e v a l u a t e s t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f v a r i o u s c o m p l e t i o n p r o c e s s e s b y c o m p a r i n g a n d a n a l y z i n g t h r e e w e l l s t r u c t u r e s o f J i a n s h i s h a n b r i n e p o t a s s i u m s a l t p r o j e c t t h e Q u a t e r n a r y d e e p b r i n e e x p l o r a t i o n a n d o i l f i e l d w e l l a n d c o n c l u d e s t h a t t h e c o m p l e t i o n p r o c e s s o f J i a n s h i s h a n b r i n e p o t a s s i u m s a l t p r o j e c t i s m o r e e c o n o m i c a l a n d r e a s o n a b l e i n t h e d e e p s t r u c t u r a l b r i n e e x p l o r a t i o n a n d t h i s m e t h o d i s f e a s i b l e K e y w o r d s d e e p b r i n e c o m p l e t i o n p r o c e s s p o t a s s i u m s a l t b r i n e 收稿日期:2 0 2 2 0 7 0 6 作者简介:赵春永(1 9 8 2-),男,高级工程师,硕士学位,南京大学地质工程专业,E-m a i l:9 9 0 4 4 9 7 2 q q.c o m0 引言锂、钾资源是我国紧缺的战略性矿产资源,特别是随着锂电池和新能源汽车行业的快速发展,对锂资源的需求越来越大1-4。柴达木盆地深层构造卤水中富含锂离子,资源量丰富2-5。为更好地勘查开发及利用卤水资源,研究深层卤水钻孔完井工艺,实现探采结合,使资源量得到充分利用,具有十分重要的意义6。1 碱石山地质概况1.1 地层碱石山位于柴达木盆地西北部,柴达木盆地一里坪地区碱石山落雁山构造带中部,区内出露的地层主要为第四系,新近系仅在钻孔中见到。1.1.1 新近系(N)新近系由中新统和上新统组成。中新统(N1)典型的湖相沉积,下部为上干柴沟组、上部为下油砂山组。上干柴沟组(N1g)在本区钻孔未揭穿,岩性以绿灰色钙质页岩为主,夹砂质泥岩、泥灰岩、细砾岩。产介形虫、腹足类、轮藻、植物、孢粉、哺乳动物、鱼类化石。下油砂山组(N1y)厚度约1 0 0 0 m,岩性以灰色泥岩、砂质泥岩为主,灰色泥质粉砂岩次之,夹棕灰色泥岩、砂质泥岩、灰色钙质泥岩。上新统(N2)为一套湖相沉积,下部为上油砂山822 0 2 3年6月地质装备组,上部为狮子沟组。上油砂山组(N2y)厚度约9 0 0 m,岩性以灰色泥岩、砂质泥岩为主,夹少量灰色泥质粉砂岩及少量石膏薄层,与下伏地层整合接触。狮子沟组(N2s)厚度约1 3 0 0 m,岩性以灰色泥岩、砂质泥岩为主,夹盐岩层及少量灰色泥质粉砂岩,含少量石膏,与下伏地层整合接触。1.1.2 第四系(Q)第四系分布于全区,成因主要为湖积、风积和化学沉积。1.2 构造预查区主体构造为碱石山背斜构造,在碱石山背斜南侧还平行分布有相对平缓、规模较小的土林堡背斜构造,并以碱石山背斜轴部西南翼断层较发育。从收集相关地震资料上显示,区内有8条逆断层,构造复杂程度为中等构造(图1)。区内断裂构造在碱石山背斜轴以及土林堡背斜附近较为发育。断层倾向以北东向为主,走向北西向。图1 碱石山地震时间剖面F i g.1 S e i s m i c t i m e p r o f i l e o f J i a n s h i s h a n2 水文地质特征预查区及其周边地表水系(体)极不发育,纵览全区为一片荒漠。区内普遍为碎屑岩类裂隙孔隙水,浅部主要为咸卤水,单井涌水量 1 0 0 m3/d。2.1 地下水的赋存条件与分布规律预查区内有部分洪积斜地上洪积物较发育,岩性结构松散,颗粒粗,为典型的松散岩类,本应是孔隙水贮存的良好地段,但由于受到补给条件的限制,松散岩类孔隙水基本不发育。碱石山地区主要为一抬升的背斜山体,自柴达木盆地形成以来,又经历了多次构造运动,断裂和裂隙较发育,为裂隙水提供了重要的贮存空间。盆地内所出露的及钻孔揭露的新近系及第四系下、中更新统地层,由一套微胶结的湖泊相所构成。具有由碎屑岩和灰岩、粉细砂及盐岩层所构成的含水层,和由黏土、淤泥等阻水良好的隔水层,因而在其内部赋存着大量高矿化卤水。在受到后期新构造运动影响,发生褶皱后,形成了碎屑岩类孔隙裂隙水。2.2 地下水类型及含水岩组的划分根据地下水赋存条件、水理性质及水力特征,将勘查区内地下水定为碎屑岩类孔隙裂隙型矿床类型,根据埋藏深度及充水介质可分为上下两层。上部孔隙裂隙型卤水赋存于区内新近系上新统狮子沟组地层中,含水层岩性以砂岩、盐岩层为主,广泛分布于全区。含水层底板埋深1 4 0 0 m左右,含水层厚度3 5.4 03 9.2 0 m,单位涌水量0.1 0 80.2 2 9 m3/(dm)。下部孔隙裂隙型卤水主要分布于新生界新近系上新统上油砂山组和中新统下油砂山组地层构造裂隙中。含卤水介质岩性为半胶结的泥质砂岩、砂岩、粉砂岩,透水性弱,水头压力高,与石油、天然气共生。区内主要分布于碱石山背斜的核部地区,埋深一般大于1 4 0 0 m,卤水矿层厚度、涌水量及品位等各构造位置差异较大,富水性一般较弱,水化学类型为氯92赵春永等:深层卤水钻孔完井工艺分析第2 4卷 第3期化物型。主要裂隙孔隙水深度在3 0 0 0 m左右,为断层破碎带,单位涌水量0.1 2 4 0.2 4 0 m3/(dm)。3 完井工艺碱石山深层卤水井主要揭露上、下部两层孔隙裂隙型卤水含水层,因此成井结构为三开结构,见图2。图2 碱石山卤水钾盐项目钻孔成井结构示意图F i g.2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f d r i l l i n g w e l l s t r u c t u r e f o r t h e J i a n s h i s h a n b r i n e p o t a s s i u m s a l t p r o j e c t一开1 0 0 m下入直径3 3 9.7 mm套管对上部松散层进行护壁,水泥固井;二开1 4 0 0 m下入直径2 4 4.5 mm工作套管和滤水管,套管顶部及底部分别水泥固井;三开下入直径1 6 8.3 mm工作套管和滤水管,三开套管使用止水悬挂器悬挂在二开套管底部以上5 0 m。悬挂器上留有插头,抽下部孔隙裂隙水前将直径1 7 7.8 mm止水套管插入止水。插入后通过止水套管内外水位差,确定止水效果。抽水结束后,拔出止水套管,便于生产利用。该完井工艺的优点如下:便于实施分层抽水,取全取准上、下两层孔隙裂隙型卤水含水层各项水文地质参数;方便后期生产,可以使上下两层水都能得到利用;安全性提升,3 0 0 0 m成井,对套管质量要求很高,下部滤水管的承重是最大问题,本次采用止水悬挂器的方式,即达到了止水效果,也减轻了下部滤水管的承重;节约套管,三开抽水插入的止水套管,后期可提出另作他用,更加经济。4 方案对比将该完井工艺与第四系深层卤水孔和油田井的完井工艺进行对比。4.1 第四系深层卤水孔目的层主要为第四系含岩盐地层,孔深在1 0 0 0 m 左右,成井结构见图3。在钻进过程中采用分段取心、分段抽水的方式。一开对上部进行护壁,水泥固井;二开下入井壁管+滤水管,在进行完该井段抽卤试验后,在井内下内止水管,内止水管下入完成后,对内外管的环状间隙用水泥进行固井;三开使用托盘下入井壁管+滤水管,下入位置在二开套管底部。图3 第四系深层卤水孔成井结构示意图F i g.3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f w e l l f o r m a t i o n s t r u c t u r e f o r t h e Q u a t e r n a r y d e e p b r i n e h o l e s该完井工艺与碱石山卤水钾盐项目钻孔完井工艺对比,其优点是下部抽水前用水泥止水,止水效果和保障程度更高,缺点有:钻孔结构相对复杂,多下入一路套管,成本增加;上部含水层被水泥封闭,后期无法利用;三开套管长度较大时,对托盘和滤水管承重要求很高,容易引发安全问题。4.2 油田井射孔完井方法是目前国内外石油行业使用最广泛的完井工艺,在直井、定向井以及水平井中都可采用。射 孔 完 井 包 括 套 管 射 孔 完 井 和 尾 管 射 孔完井7-9。套管射孔完井是用同一尺寸的钻头钻穿油气层直至设计井深,下油层套管至油气层底部并注水泥032 0 2 3年6月地质装备固井,然后再用射孔器射穿套管和水泥环,并射入生产层内一定深度,见图4。油气就可通过射孔所形成的孔道流入井内。图4 油田井套管射孔完井F i g.4 C a s i n g p e r f o r a t i o n c o m p l e t i o n f o r o i l f i e l d w e l l尾管射孔完井是在钻达油气层顶部时,下技术套管注水泥固井,然后换小钻头钻穿油气层直至设计井深,用钻具将尾管送下一并悬挂在技术套管上,尾管和技术套管的重合段一般不小于5 0 m1 0-1 1。再对尾管注水泥固井,然后射孔,见图5。油气层部位的结构与射孔完井工艺完全相同。图5 油田井尾管射孔完井F i g.5 T a i l-p i p e p e r f o r a t i o n c o m p l e t i o n f o r o i l f i e l d w e l l相对于碱石山卤水钾盐项目钻孔完井工艺,射孔完井法的优点是:能有效支撑疏松易塌的生产层;能有效封隔油层、气层和水层,防止气窜、水窜,该项只针对油气层,对卤水项目意义不大。其主要缺点是:在固井过程中,含水层受水泥浆的侵害较为严重;由于射孔孔眼的数目和深度有限,深层卤水流入井内的阻力较大;成本增加。综上所述,对于深层卤水,特别构造水,使用本次碱石山卤水钾盐项目钻孔完井工艺更加合理。5 结语在对比分析碱石山卤水钾盐项目、第四系深层卤水勘查、油田井成井结构的基础上,评价了各种完井工艺的优缺点,得出在进行深层构造卤水勘查中,碱石山卤水钾盐项目钻孔完井工艺更加经济合理,方法可行。同时建议对下部不存在盐岩层和基岩完整的条件下,可进行裸孔成井的试验。参考文献(R e f e r e n c e s):1 周娜.中国锂产业链安全态势与治理研究D.武汉:中国地质大学,2 0 2 1.Z HO U N a.S e c u r i t y D y n a m i c s a n d G o v e r n a n c e o f C h i n as L i t h i u m S u p p l y C h a i nD.W u h a n:C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s,2 0 2 1.2 王建国,邢佳,宋振国,等.我国典型锂矿床类型、分布特征及资源利用探讨J.有色金属工程,2 0 2 1,1 1(1 1):1 9.WA N G J i a n g u o,X I N G J i a,S O N G Z h e n g u o,e t a l.D i s c u s s i o n o n t h e t y p e s,d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d r e s o u r c e u t i l i z a t i o n o f t y p i c a l l i t h i u m d e p o s i t s i n C h i n aJ.N o n f e r r o u s M e t a l s E n g i n e e r i n g,2 0 2 1,1 1(1 1):1 9.3 刘成林,余小灿,袁学银,等.世界盐湖卤水型锂矿特征、分布规律与成矿动力模型J.地质学报,2 0 2 1,9 5(0 7):2 0 0 9 2 0 2 9.L I U C h e n g l i n,Y U X i a o c a n,Y U A N X u e y i n,e t a l.C h a r a c t e r i s t i c s,d i s t r i b u t i o n r e g u l a r i t y a n d f o r m a t i o n m o d e l o f b r i n e-t y p e L i d e p o s i t s i n s a l t l a k e s i n t h e w o r l dJ.A c t a G e o l o g i c a S i n i c a,2 0 2 1,9 5(0 7):2 0 0 92 0 2 9.4 陈帅.柴达木盆地中部富锂盐湖高M g/L i卤水富镁物源探讨D.中国科学院大学(中国科学院青海盐湖研究所),2 0 1 9.C H E N S h u a i.D i s c u s s i o n o n M a g n e s i u m-r i c h s o u r c e w i t h h i g h M g/L i r a t i o i n L i t h i u m-r i c h s a l t l a k e r s i n t h e m i d d l e Q a i d a m b a s i nD.C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s(Q i n g h a i I n s t i t u t e o f S a l t L a k e s),2 0 1 9.5 刘颖,王云生,乜贞,等.柴西深层地下卤水资源及其综合利用研究进展J.无机盐工业,2 0 1 8,5 0(1):1 2 1 5,2 7.L I U Y i n g,WA N G Y u n s h e n g,N I E Z h e n,e t a l.13赵春永等:深层卤水钻孔完井工艺分析第2 4卷 第3期R e s e a r c h p r o g r e s s o n c o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o n o f d e e p u n d e r g r o u n d b r i n e r e s o u r c e s i n w e s t e r n Q a i d a m B a s i nJ.I n o r g a n i c C h e m i c a l s I n d u s t r y,2 0 1 8,5 0(1):1 21 5,2 7.6 耿瑞伦.我国的水资源与西部地下水钻探技术J.地质装备,2 0 0 1(2):3 7.G E N G R u i l u n.W a t e r r e s o u r c e s i n C h i n a a n d g r o u n d w a t e r d r i l l i n g i n W e s t e r n C h i n aJ.E q u i p m e n t f o r G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g,2 0 0 1(2):3 7.7 赵建锋.钻井作业中完井方法分析J.中国石油和化工标准与质量,2 0 1 1,3 1(3):5 9.Z HA O J i a n f e n g.A n a l y s i s o f C o m p l e t i o n M e t h o d s i n D r i l l i n g O p e r a t i o n sJ.C h i n a P e t r o l e u m a n d C h e m i c a l S t a n d a r d a n d Q u a l i t y,2 0 1 1,3 1(3):5 9.8 郑俊德,杨长祜.水平井、分支井采油工艺现状分析与展望J.石油钻采工艺,2 0 0 5,2 7(6):9 3 9 6,1 0 6.Z H E N G J u n d e,Y A N G C h a n g h u.S t a t u s a n a l y s i s a n d p r o s p e c t o f t h e h o r i z o n t a l w e l l,c o m p l e x-s t r u c t u r e w e l l t e c h n i q u e sJ.O i l D r i l l i n g&P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y,2 0 0 5,2 7(6):9 3 9 6,1 0 6.9 张绍东,张全胜,孙国华.胜利油田水平井完井技术现状及发展趋势J.石油钻采工艺,2 0 0 1(6):3 3 3 7,8 2.Z HA N G S h a o d o n g,Z HA N G Q u a n s h e n g,S U N G u o h u a.P r e s e n t S t a t e a n d D e v e l o p i n g T r e n d o f H o r i z o n t a l W e l l C o m p l e t i o n T e c h n o l o g y i n S h e n g l i O i l f i e l dJ.O i l D r i l l i n g&P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y,2 0 0 5,2 3(6):3 3 3 7,8 2.1 0史鹏涛,陈朋刚,张祖峰.复杂结构井完井技术的研究J.西部探矿工程,2 0 1 0,2 2(2):7 2 7 6.S H I P e n g t a o,C H E N P e n g g a n g,Z H A N G Z u f e n g.R e s e a r c h o n c o m p l e t i o n t e c h n o l o g y o f c o m p l e x s t r u c t u r e w e l l sJ.W e s t-C h i n a E x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g,2 0 1 0,2 2(2):7 2 7 6.1 1游静裕.科学钻井的实践与认识J.石油钻采工艺,1 9 9 2(2):1 1 7.Y O U J i n g y u.P r a c t i c e a n d U n d e r s t a n d i n g o f S c i e n t i f i c D r i l l i n gJ.O i l D r i l l i n g&P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y,1 9 9 2(2):1 1 7.23