威荣深层页岩气田水平段安全提速技术对策_兰凯.pdf

引言据原国土资源部油气资源战略研究中心预测1，中国页岩气地质资源量为123.011012m3，其中四川盆地及其周缘为57.271012m3。四川盆地及其周缘下志留统底界埋深小于3 500 m的中浅层页岩气工作区面积为12.8104km2，埋深3 5004 500 m的深层页岩气工作区面积为5.5104km2，埋深4 500 m以深的深层页岩气工作区面积为7.3104km2，估算深层页岩气的威荣深层页岩气田水平段安全提速技术对策兰凯1，董成林1，李光泉2，杜小松1（1.中国石化中原石油工程有限公司西南钻井分公司，四川 成都610052；2.中国石化石油工程技术服务有限公司，北京100029）基金项目：中国石化优秀青年科学基金项目“页岩气4000米长水平段钻井关键技术研究”（P20010）摘要以威荣页岩气田为代表的深层海相页岩气产能建设是中国石化“十四五”天然气增储上产的重点区域，但是已完钻井的完钻周期普遍超过设计周期，且卡钻等井下复杂情况频发，无法实现效益开发的目标。针对水平段施工的瓶颈难题，从水平段导向层位选择、钻井参数优化设计和配套工艺措施制定等3个方面开展研究。基于含气性指标和可钻性兼顾的原则，将31-1小层作为地质导向钻进的目标层；根据钻头二维破岩临界钻压、扭矩的解析公式，建议水平段PDC钻头钻齿后倾角控制在25以内，钻压在100150 kN，扭矩限定值在25 kNm；基于岩屑床冲刷滚动和运移模型，在高转速、大排量随钻清砂工艺基础上，提出用稀浆与稠浆交替举砂来提高复杂井段井筒的清洁效果。现场应用表明，优质储层钻遇率达100%，机械钻速提高46.51%，扭矩平稳，对深层页岩气钻井提质提效具有借鉴与指导意义。关键词深层页岩气；水平井；钻井参数；钻井提速；井筒清洁；威荣区块中图分类号：TE243文献标志码：ATechnical strategy to enhance drilling speed safely of horizontal section for deep shale gasfield in Weiyuan-Rongchang BlockLAN Kai1,DONG Chenglin1,LI Guangquan2,DU Xiaosong1(1.Southwest Drilling Company,Zhongyuan Petroleum Engineering Co.,Ltd.,SINOPEC,Chengdu 610052,China;2.Sinopec Oilfield Service Coporation,Beijing 100029,China)Abstract:The deep marine shale gas field represented by Weiyuan-Rongchang Block is the key area to increase reserves and gasproduction for SINOPEC in the 14th Five-Year Plan period.However,actual drilling cycle is longer than designed cycle generally,and downhole complex accidents such as sticking take place frequently,which could not realize the target of benefit development.To solve the key construction problems in horizontal drilling section,investigations are implemented on steering layer choice,drilling parameters optimization and supplementary technical measures.Based on gas-bearing index and drillability,layer 31-1 issuggested as the geosteering object.According to analytic formula of 2D rock breaking critical weight on bit(WOB)and torque,it issuggested that the back angle of PDC bit tooth is within 25,WOB equals to 100-150 kN and torque limit sets to 25 kNm inhorizontal section.According to rock debris bedding erosion and transport model,alternating cuutings-lifting by thin and thick slurryare recommended to enhance hole cleaning efficiency in complex section on bases of sand cleaning techniques at high rotary speedand large displacement.Field application shows that drilling ratio of high-quality reservoir reaches 100%,drilling speed improves by46.51%,and torque remains stable.This technology has referential significance for the drilling technology optimization in deep shalegas reservoirs.Key words:deep shale gas;horizontal well;drilling parameters;drilling speed enhance;hole cleaning;Weiyuan-Rongchang Block断块油气田FAULT-BLOCK OIL GAS FIELDdoi:10.6056/dkyqt2023030192023年5月断块油气田2023年5月2水平段导向层位选择从地质评价结果来看，龙一段的2小层和31-1小层的生物硅质储层及含钙-黏土质-硅质储层为核心优质储层5。但是，从三端元矿物含量变化来看，2小层的碳酸盐黏土硅质组分比为0.80.81.0，而31-1小层的碳酸盐黏土硅质组分比为0.60.71.0。表2表明：2小层的硅元素质量分数小于31-1小层，研磨性要弱一些；2小层的钙、铁元素质量分数大于31-1小层，可能对随钻测量仪器造成信号干扰。地层岩石类型特征参数储层分类结果对应自然伽马峰位置组段层小层石英与长石质量分数/%黏土矿物质量分数/%碳酸盐矿物质量分数/%自然伽马/API自然伽马平均值/API补偿密度/（gcm-3）补偿密度平均值/（gcm-3）孔隙直径/nm龙马溪组龙一段79黏土质页岩32.048.143.561.005.6103.477.34119.842.612.772.685625.244.043.061.94.920.783.4026.25117.072.492.622.564硅质-钙质-黏土质混合页岩21.041.032.057.010.035.0102.13179.69125.542.392.552.5020.7545.6633332-2硅质-黏土质页岩32.050.535.049.05.623.0126.26171.49141.902.472.532.5118.8936.10号峰32-131-2含黄铁矿的黏土质-硅质页岩45.063.019.034.05.518.9185.70201.50191.402.302.402.35号峰31-1生物硅质页岩20.0070.002含钙-黏土质-硅质混合页岩37.7092.60号峰五峰组112黏土质-硅质页岩23.045.015.035.017.031.03.71322.98185.212.422.672.49观音桥段11钙质-黏土质-硅质混合页岩12.1934.69资源量约为中浅层的2倍2。随着涪陵、威远-长宁、昭通等3个国家级页岩气示范区的建成3，我国已成功实现中浅层页岩气的商业化开发，2019年页岩气产量达153.84108m3。国家能源局印发的页岩气发展规划（20162020年）提出，2030年实现页岩气产量8001081 000108m3。为达到这个目标，深层页岩气商业开发是主要的领域。2018年，威荣页岩气田（埋深大于3 500 m）提交探明储量1 246.78108m3（面积为143.77 km2），成为第一个落实超千亿立方米储量的深层页岩气建产目标区。但是，从已完钻井施工情况来看，有的完钻周期明显超过设计周期，有的出现井下复杂情况，导致整体达不到效益开发的目标。总体来看，目前的提速瓶颈在于三开水平段。为此，本文从地层岩性特点出发，通过分析龙马溪组不同小层的可钻性与岩石力学特征，提出水平段的提速技术。1区域地质特点威荣页岩气田在构造上位于川中隆起低缓区白马镇向斜，北部邻近威远构造，东南紧邻自流井背斜，总体受威远大型穹窿背斜的控制和制约，经历了多期、多旋回构造沉积演化，构造形变较为复杂。威荣页岩气田的主要目标层系为厚约8090 m的五峰组龙马溪组的富有机质泥页岩。由于龙二、三段为浅水陆棚相沉积的贫有机质灰色泥页岩，总有机碳质量分数（TOC）小于1%；而五峰组龙一段为深水陆棚相沉积的富有机质暗色页岩，TOC大于1%，综合涪陵页岩气田立体勘探开发的效果，五峰组龙一段为主力产层。综合地质研究成果4-6，可以把主要目标层系的特征归纳为表1。龙一段的2小层和31-1小层是最优质的页岩发育段，TOC为6.07.2，平均6.7，呈现高TOC、高含气量、高孔隙度、高脆性、低密度特征。表1威荣页岩气田五峰组龙一段地质特征参数汇总Table 1Geologic characteristic parameters of Wufeng Formation and first Member of Longmaxi Formation in Weirong shale gas field506第30卷第3期对比2小层和31-1小层机械钻速、机械比能与自然伽马之间的关系（见图1），可以看出：处于号峰和号峰之间的31-1小层机械钻速要高于处于号峰的2小层，同时考虑到穿2小层时易进入五峰组观音桥段，导致钻头提前损坏，因此，可以将31-1小层作为地质导向钻进的目标层，即在实际钻进中，将号峰至号峰的高自然伽马段地层作为导向目标层段。a机械钻速b机械比能图1WY24-2HF井水平段机械钻速、机械比能与自然伽马的关系Fig.1Relationship between ROP,mechanical specific energy and GR ofWell WY24-2HF horizontal section3钻井参数优化设计威远工区龙马溪组的微钻头钻进试验结果表明，由于存在层理结构，沿着不同方向切削岩石需要不同的钻压和扭矩。因此，实钻过程中根据地质要求调整轨迹时，所需要的破岩临界钻井参数是一个范围值，而不是一个固定的数。为此，依托威荣工区龙马溪组页岩岩石力学室内实验参数，对破岩临界钻井参数进行优化。基于Rahmani10提出的利用单个钻齿二维破岩模型计算钻头破岩钻压和扭矩的解析公式，考虑钻井液密度、钻齿切削深度等结构参数，得到威荣工区龙马溪组215.9 mmPDC钻头破岩的临界钻压和扭矩（见图2、图3）。a钻齿后倾角10b钻齿后倾角15c钻齿后倾角20d钻齿后倾角25e钻齿后倾角30f钻齿后倾角35图2破岩临界钻压与钻齿布置参数的计算结果图版Fig.2Caculated results charts of rock breaking critical WOB and bit tootharrangement parameters在层理角度为0和90时，由于页岩的层理面或产生较小的滑动，或被压缩，不易发生滑动变形，宏观上表现为岩石强度较高，因此，沿着平行于层理或垂直于层理方向钻进需要更高的破岩能量，临界钻压与扭矩都较高。这与刘向君等11利用焦石坝工区所做的物理实验和数值模拟结果一致。从图4（纵坐标红线为现场可能达到的钻头转速最高值，横坐标2条红线为现场可接受的机械钻速区间）可以看出，考虑实钻过程中可能采用的钻井方式，推荐钻齿切削深度在1.02.2mm。结合图2和图3，从降低破岩能量消耗角度出发，表2威荣页岩气田五峰组龙一段岩心电子探针测试结果Table 2Electronic probe test results of Wufeng Formation and first Member of Longmaxi Formation in Weirong shale gas field31-10.390.975.1877.971.691.800.090.010.030.550.0220.057.588.3755.553.209.770.230.020.111.100.03Na2OMgOAl2O3SiO2K2OCaOTiO2Cr2O3MnOFeONiO小层质量分数/%兰凯，等.威荣深层页岩气田水平段安全提速技术对策507断块油气田2023年5月造斜段钻齿后倾角可以控制在30以内，保持很高的攻击性，但是在水平段建议其控制在25以内，钻压在100150 kN，扭矩限定值在25 kNm。a钻齿后倾角10b钻齿后倾角15c钻齿后倾角20d钻齿后倾角25e钻齿后倾角30f钻齿后倾角35图3破岩临界扭矩与钻齿布置参数的计算结果图版Fig.3Caculated results charts of rock breaking critical torque and bit tootharrangement parameters图4预期钻头转速与机械钻速的计算结果图版Fig.4Caculated results charts of predicted bit rotary speed and ROP4配套工艺措施制定页岩气井的大量钻井实践表明，即使在强化了油基钻井液的封堵性能后12，还会出现起钻时卡钻的问题。分析表明，多数卡钻和井下复杂情况的发生与井筒中岩屑清除不及时有直接关系13。基于数值模拟结果和现场实践经验，文献14提出了排量不小于30 L/s、顶驱转速不低于70 r/min的水平段随钻清砂理念，并在现场收获了良好的效果。但是，如果钻遇破碎性地层，或者是钻遇断层后地质导向偏差进入五峰组，难免会出现掉块增多15等井下复杂情况，可能出现环空憋堵，使得大排量和高转速等技术措施难以实现。文献16全面总结了岩屑床冲刷滚动和运移模型，指出岩屑颗粒的冲刷滚动主要受重力（Fg）、浮力（Fb）、流体拖曳力（Fd）和流体举升力（Fl）的相互作用，并与环空流体的流态息息相关。4种力的计算公式16分别为Fg=16d3ssg（1）Fb=16d3sfg（2）Fd=18d2sCDfu2（3）Fl=18d2sCLfu2（4）其中CD24Re（Re1）24Re1+0.2Re+0.000 3Re（1Re105）0.1（Re105|)式中：s为岩屑颗粒密度，kg/m3；f为流体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；ds为岩屑颗粒直径，m；u为环空流体速度，m/s；CD为拖曳力系数；CL为举升力系数；Re为雷诺数。室内实验结果证实，流体对沉砂颗粒的拖曳力约为举升力的2050倍17。在不考虑冲刷作用时长的情况下，可以忽略举升力的影响。因此，综合式（1）（3）可以看出：采用高密度稠浆有利于增加岩屑颗粒的浮力，更便于岩屑被带离原来位置，但是也制约了流速的提高，携带距离有限；采用低密度稀浆有利于提高对井筒低边岩屑床的冲刷，能指数倍地提升拖曳力，虽然无法使得岩屑颗粒更好地悬浮，但是可以使其有效滚动；钻井液黏度高，流动阻力大，在泥浆泵功率一定时，易由紊流状态转变为层流状态，拖曳力变小，井筒清洁效率变差。因此，建议采用稀浆与稠浆段塞，配合大排量交替举砂，提高井筒清洁效率，降低倒划眼起钻的卡钻风险。5现场应用实例以威荣深层页岩气田某平台为例，2口井采用的508第30卷第3期图5某平台2口井三开井段钻井参数对比Fig.5Comparison of drilling parameters during the third spud in two wells on a certain platformb排量a钻时c顶驱转速d钻压钻井参数如图5所示。WY24-2HF井在三开钻井施工中，井深4 956 m以前采用旋转导向工具施工，钻压控制在80120 kN，顶驱转速在70110 r/min，排量前期在20 L/s，后续稳定在38 L/s。从扭矩波动情况来看，井下存在明显的岩屑床堆积，在倒划眼起钻过程中发生卡钻故障。处理卡钻过程中，间断性地以稀浆+稠浆+大排量的组合方式冲刷井底岩屑床，最终保证旋转导向工具安全起出，故障解除。解除井下复杂情况后，采用单弯螺杆的常规几何导向钻具组合施工，顶驱转速降至5060 r/min，排量保持在32 L/s以上，扭矩巨幅波动，脱压现象明显，钻时变慢至平均11.40 min/m。WY24-7HF井全程使用旋转导向工具施工，钻压保持在120160 kN，排量稳定在30 L/s左右。配合井下动力钻具时，顶驱转速控制在80100 r/min；不带井下动力钻具时，顶驱转速提高到100120 r/min。全井段扭矩平稳，控制在22 kNm以内；平均钻时为6.82min/m，较WY24-2HF井机械钻速提高46.51%，共用2趟钻、251.59 h钻完三开全部进尺。优质储层钻遇率为100%，其31小层进尺1 299 m，占比86.6%，而WY24-2HF井占比仅为78.1%。6结论1）威荣页岩气水平井实钻过程中，应将龙一段号峰至号峰的高自然伽马段地层作为导向目标层段，既能达到提高优质储层钻遇率的地质开发目的，又有利于提高水平段行程进尺和机械钻速，是实现水平兰凯，等.威荣深层页岩气田水平段安全提速技术对策509断块油气田2023年5月段一趟钻的重要保障。2）优化钻井参数有利于提高机械钻速，但是在实钻过程中应该结合钻头攻击性设计来合理确定钻井参数，减少能量浪费。从降低破岩能量消耗的角度出发，威荣页岩气井水平段PDC钻头的钻齿后倾角建议控制在25以内，钻齿切削深度在1.02.2 mm，钻压在100150 kN，扭矩限定值在25 kNm。3）对于长水平段钻进而言，井眼清洁关系到钻压传递、钻井安全、套管下入等多个方面，采用高转速、大排量的随钻清砂方式，可以显著改善井眼清洁状况。但是，对于影响岩屑有效清除的情况，如地层存在掉块、井眼轨迹受地层展布影响波动较大、井筒存在“大肚子”井段等，建议采用稀浆与稠浆段塞，配合大排量交替举砂。参考文献1何治亮，聂海宽，蒋廷学.四川盆地深层页岩气规模有效开发面临的挑战与对策J.油气藏评价与开发，2021，11（2）：135-145.HE Zhiliang，NIE Haikuan，JIANG Tingxue.Challenges and counter-measures of effective development with large scale of deep shale gas inSichuan BasinJ.Reservoir Evaluation and Development，2021，11（2）：135-145.2HE Z L，LI S J，NIE H K，et al.Theshalegas“sweetwindow”：“thecrackedandunbroken”stateofshaleanditsdepthrangeJ.Marine andPetroleum Geology，2019，101：334-342.3蔡勋育，赵培荣，高波，等.中国石化页岩气“十三五”发展成果与展望J.石油与天然气地质，2021，42（1）：16-27.CAI Xunyu，ZHAO Peirong，GAO Bo，et al.Sinopecs shale gas develop-ment achievements during the“Thirteenth Five-Year Plan”period andoutlookforthefutureJ.Oil&GasGeology，2021，42（1）：16-27.4周桦，魏力民，王同，等.威荣深层页岩气储层精细评价方法及应用J.油气藏评价与开发，2021，11（2）：176-183.ZHOU Hua，WEI Limin，WANG Tong，et al.Evaluation method ofWeirong deep shale gas reservoir and its applicationJ.ReservoirEvaluation and Development，2021，11（2）：176-183.5熊亮，魏力民，史洪亮.川南龙马溪组储层分级综合评价技术及应用：以四川盆地威荣页岩气田为例J.天然气工业，2019，39（增刊1）：60-65.XIONG Liang，WEI Limin，SHI Hongliang.Comprehensive evaluationtechnology and application of reservoir classification in LongmaxiFormation of South Sichuan：taking Weirong shale gas field in SichuanBasin as an exampleJ.Natural Gas Industry，2019，39（S1）：60-65.6廖崇杰，陈雷，郑健，等.四川盆地长宁西部地区上奥陶统五峰组下志留统龙马溪组龙一1亚段页岩岩相划分及意义J.石油实验地质，2022，44（6）：1037-1047.LIAO Chongjie，CHEN Lei，ZHENG Jian，et al.Classification of shalelithofacies from Ordovician Wufeng Formation to first section of firstmember of Silurian Longmaxi Formation，western Changning area，Sichuan Basin，and its significanceJ.Petroleum Geology&Experi-ment，2022，44（6）：1037-1047.7武恒志，熊亮，葛忠伟，等.四川盆地威远地区页岩气优质储层精细刻画与靶窗优选J.天然气工业，2019，39（3）：11-20.WU Hengzhi，XIONG Liang，GE Zhongwei，et al.Fine characterizationand target window optimization of high-quality shale gas reservoirs intheWeiyuanarea，SichuanBasinJ.NaturalGasIndustry，2019，39（3）：11-20.8WANG T，XIAO X H，ZHU H Y，et al.Experimental study on Long-maxishalebreakingmechanismwithmicro-PDCbitJ.Rock Mechanics&Rock Engineering，2017（50）：2795-2804.9孟英峰，刘厚彬，余安然，等.深层脆性页岩水平井裸眼完井井壁稳定性研究J.西南石油大学学报（自然科学版），2019，41（6）：51-59.MENG Yingfeng，LIU Houbin，YU Anran，et al.Borehole completionstability of deep brittle shale horizontal wellsJ.Journal of SouthwestPetroleum University（Science&Technology Edition），2019，41（6）：51-59.10RAHMANI R.Analytical modeling and diagnosis of penetration rateperformance of PDC bitsD.Baton Rouge：Louisiana State University，2013.11 王跃鹏，刘向君，梁利喜.页岩力学特性的层理效应及脆性预测J.岩性油气藏，2018，30（4）：149-160.WANG Yuepeng，LIU Xiangjun，LIANG Lixi.Influences of beddingplanes on mechanical properties and prediction method of brittlenessindex in shaleJ.Lithologic Reservoirs，2018，30（4）：149-160.12 马文英，刘昱彤，钟灵，等.油基钻井液封堵剂研究及应用J.断块油气田，2019，26（4）：529-532.MA Wenying，LIU Yutong，ZHONG Ling，et al.Research and appli-cation of oil-based drilling fluid plugging agentJ.Fault-Block Oil&Gas Field，2019，26（4）：529-532.13 胡金帅，张光伟，李峻岭，等.基于CFD-DEM耦合模型的岩屑运移数值模拟分析J.断块油气田，2022，29（4）：561-566.HU Jinshuai，ZHANG Guangwei，LI Junling，et al.Numerical simulationof cuttings migration based on CFD-DEM coupling modelJ.Fault-Block Oil&Gas Field，2022，29（4）：561-566.14 李传武，兰凯，杜小松，等.川南页岩气水平井钻井技术难点与对策J.石油钻探技术，2020，48（3）：16-21.LI Chuanwu，LAN Kai，DU Xiaosong，et al.Difficulties and counter-measures in horizontal well drilling for shale gas in southern SichuanJ.Petroleum Drilling Techniques，2020，48（3）：16-21.15 刘厚彬，崔帅，孟英峰，等.深层脆性页岩水平井井壁崩落失稳研究J.断块油气田，2021，28（3）：323-328.LIU Houbin，CUI Shuai，MENG Yingfeng，et al.Study on wellborecaving and instability of horizontal well in deep brittle shaleJ.Fault-Block Oil&Gas Field，2021，28（3）：323-328.16PANDYA S.Wellbore cleanout in inclined and horizontal wellbores：theeffectsoffluidrheology，inclination，andsolidsdensityD.Norman：University of Oklahoma，2019.17BIZHANI M，KURU E.Critical review of mechanistic and empirical（Semimechanistic）models for particle removal from sandbed depositsinhorizontalannuliwithwaterJ.SPEJournal，2017，23（2）：237-255.（编辑赵卫红）510