新型“井工廠”技術(shù)開發(fā)頁巖氣優(yōu)勢探討

姚健歡 姚 猛,2 趙 超 劉 娟 彭 攀,4 左文永

1.中國石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；

2.中國石油天然氣管道局國際事業(yè)部，河北 廊坊 065000；

3.中國石油大學(xué)提高采收率研究院，北京 102249；

4.中海石油深圳分公司研究院，廣東 廣州 510240

0 前言

頁巖氣儲(chǔ)層具有特殊的生儲(chǔ)蓋一體條件以及低孔低滲物性特征。 我國頁巖氣勘探開發(fā)處于初期探索階段，投入成本高，開發(fā)難度大，經(jīng)濟(jì)效益低，單井產(chǎn)能小，因此探索適合中國頁巖氣發(fā)展的開發(fā)技術(shù)勢在必行［1］。從國內(nèi)外應(yīng)用效果來看，頁巖氣“井工廠”技術(shù)模式勢必將成為我國頁巖氣商業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)［2］。 本文介紹了“井工廠”技術(shù)模式的開發(fā)特征及特點(diǎn)，概述了現(xiàn)階段我國非常規(guī)油氣應(yīng)用“井工廠”開發(fā)模式取得的成果，在此基礎(chǔ)上闡述了該技術(shù)的優(yōu)勢，對非常規(guī)頁巖氣資源的開發(fā)具有借鑒意義和推動(dòng)作用。

1 “井工廠”技術(shù)及開發(fā)特征

“井工廠”技術(shù)起源于北美，首先由加拿大能源公司EnCana 提出并將其作為一種開發(fā)模式，其主要借鑒了美國機(jī)器生產(chǎn)流水作業(yè)最初主要用于非常規(guī)油氣資源開發(fā)的思路。21 世紀(jì)美國“頁巖氣革命”經(jīng)歷了常規(guī)開發(fā)模式到叢式“井工廠”技術(shù)的轉(zhuǎn)變，該技術(shù)已被推廣到致密油氣等非常規(guī)能源的開發(fā)。

“井工廠”技術(shù)主要包括：布井、施工、資源、管理、環(huán)境五大方面，具有批量化、流程化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、效益最大化等優(yōu)點(diǎn)。 “井工廠”以系統(tǒng)工程為理論基礎(chǔ)，集中配備人力、物力、施工用料、地面設(shè)施等生產(chǎn)要素，將工廠化管理手段、方式和理念應(yīng)用到常規(guī)、非常規(guī)能源的勘探開發(fā)過程中，實(shí)現(xiàn)資源合理配置。具體而言，工廠化鉆井即在充分考慮地理?xiàng)l件、降低鉆井施工和井眼控制難度情況下，集中在單個(gè)井場實(shí)現(xiàn)井組的鉆探及后續(xù)作業(yè)。 在高度觸及目標(biāo)區(qū)域前提下，利用高水平井間防碰技術(shù)， 根據(jù)油氣藏分布設(shè)計(jì)井眼軌跡及三維水平軌跡，用高造斜旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)精確控制鉆進(jìn)方向，增加垂直段長度，使井筒較早觸及目標(biāo)增大接觸面積。鉆井過程中，利用可移動(dòng)式鉆機(jī)進(jìn)行一開，鉆固完井組后短距離移動(dòng)依次進(jìn)行二開、三開，實(shí)現(xiàn)批量化鉆完井。由于井口位置較常規(guī)井組集中，施工設(shè)備等無需移動(dòng)，在井場內(nèi)部實(shí)現(xiàn)同步大規(guī)模水力壓裂頁巖儲(chǔ)層，采用裂縫監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測裂縫延伸和發(fā)展情況，與此同時(shí)鉆井液、壓裂液實(shí)現(xiàn)循環(huán)回收利用，最后統(tǒng)一進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)劃管理。 Marcellus 頁巖氣盆地多階段“井工廠”技術(shù)三維示意圖見圖1［3］。

圖1 Marcellus 頁巖氣盆地多階段“井工廠” 技術(shù)三維示意圖

“井工廠”技術(shù)的關(guān)鍵有集約化部署井場技術(shù)、井間防碰技術(shù)、三維軌道控制技術(shù)、高造斜旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)、鉆井液循環(huán)利用、壓裂液回收利用等。 而開發(fā)過程中移動(dòng)式模塊化鉆進(jìn)、DAT 工具、高精度旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、快速移動(dòng)鉆機(jī)、陀螺儀隨鉆測量工具、密閉罐車、水化車等相關(guān)配套先進(jìn)工具等為批量化鉆進(jìn)、工廠化生產(chǎn)提供了必不可少的條件。

2 國內(nèi)外“井工廠”技術(shù)應(yīng)用探索現(xiàn)狀

國外頁巖氣開發(fā)井型經(jīng)歷了直井、水平井、叢式“井工廠”的蛻變過程，“井工廠”技術(shù)已較為成熟，實(shí)現(xiàn)了頁巖氣區(qū)塊集合式布井、集中作業(yè)、共同生產(chǎn)、統(tǒng)一管理和遠(yuǎn)程控制；形成了多道作業(yè)工序無間隔實(shí)施、針對不同儲(chǔ)層特點(diǎn)的多樣壓裂形式［4-6］。 相關(guān)配套技術(shù)（如鉆井液增產(chǎn)技術(shù)）為“井工廠”技術(shù)發(fā)展提供便利條件，滑溜水壓裂液增產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)場操作示意圖見圖2；遠(yuǎn)程FDC 技術(shù)平面展布見圖3， 其真正實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離控制、 自動(dòng)化鉆進(jìn)、大幅度提高工廠化模式工作效率［7］。 總體上看，國外有高級設(shè)備、先進(jìn)技術(shù)支撐，有相關(guān)政策鼓勵(lì)，應(yīng)用“井工廠”技術(shù)后，其頁巖氣井?dāng)?shù)目急速上升，達(dá)到較好的開發(fā)效果。

圖2 滑溜水壓裂液增產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)場操作示意圖

圖3 遠(yuǎn)程FDC 技術(shù)平面展布

國內(nèi)中國石油、中國石化在“井工廠”實(shí)踐和探索領(lǐng)域有一定建樹［8］。中國石油以長慶油田為代表，先后對王加平2 井、陽平雙水平井、榆平1 井等采用“井工廠”壓裂模式；姬塬和大慶也先后采用“井工廠”開發(fā)模式進(jìn)行工廠化作業(yè)，實(shí)施效果顯著［8-10］。 中國石化大牛地氣田和勝利東辛油區(qū)在鹽227 區(qū)塊、 江漢油田也通過工廠化模式改善開發(fā)效果，獲得較高產(chǎn)量增幅。 鹽227-1 HF 井壓裂現(xiàn)場見圖4。

圖4 鹽227-1 HF 井壓裂現(xiàn)場

在頁巖氣方面， 威遠(yuǎn)-長寧頁巖氣示范區(qū)實(shí)踐探索了“井工廠”鉆井模式。 2014 年4 月，中國石化涪陵頁巖氣田焦頁9 號平臺兩口井首次實(shí)施“井工廠”交叉式壓裂（見圖5），相比于傳統(tǒng)的單井分別壓裂作業(yè)，其提高了近1 倍的工作效率，同時(shí)避免了重型設(shè)備搬遷和重組，試氣周期大幅度縮減。

圖5 頁巖氣 “井工廠” 交叉式壓裂施工現(xiàn)場

國內(nèi)學(xué)者司光［11］等從工程造價(jià)角度提出了適合頁巖氣“工廠化”的計(jì)價(jià)方法。 2014 年2 月，長城鉆探工程公司撰寫了“井工廠”壓裂標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化了“井工廠”壓裂模式操作的規(guī)范性。 目前我國“井工廠”在非常規(guī)油氣開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用較多，而頁巖氣“井工廠”的實(shí)踐應(yīng)用才剛剛起步，相關(guān)工藝技術(shù)還不成熟，與國外技術(shù)相比具有明顯劣勢［12-13］。 國內(nèi)“井工廠”配套設(shè)備不能適應(yīng)工廠化作業(yè)模式的需求， 沒有真正實(shí)現(xiàn)流水線式作業(yè)、 遠(yuǎn)程化控制。

3 “井工廠”技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用

常規(guī)鉆井施工作業(yè)過程中，每鉆完一口井之后需要“搬家”，不僅工期時(shí)間長，動(dòng)遷費(fèi)用高，還會(huì)增加施工不確定性和安全隱患， 搬遷對當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生一定破壞。 若壓裂液等不及時(shí)處理，還會(huì)污染水資源和土壤［14］。基于頁巖氣“井工廠”開發(fā)模式，以其集約化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的思想，通過批量化施工、流水線生產(chǎn)、統(tǒng)一式管理能很好地規(guī)避上述問題。

3.1 適用性較好

常規(guī)油藏通常構(gòu)造發(fā)育，目的層與實(shí)際深度相差幾米甚至數(shù)十米，因此通常首先鉆勘探井，根據(jù)新井資料部署其他井，即鉆井間斷作業(yè)。 頁巖氣單井產(chǎn)量低，通過“井工廠” 作業(yè)可以高效建產(chǎn)； 且頁巖氣資源分布較穩(wěn)定，頁巖氣儲(chǔ)層厚度幾十米甚至上百米不等，地質(zhì)橫向分布較均勻，比常規(guī)油藏確定性更強(qiáng)，在很大程度上滿足“井工廠”作業(yè)批量化布井的要求。 因此“井工廠”技術(shù)開發(fā)頁巖氣具有較好的適用性。

3.2 減少占地面積，增大動(dòng)用儲(chǔ)量

頁巖氣儲(chǔ)層滲透率極低，要想經(jīng)濟(jì)高效開采，需要?dú)饩休^大的動(dòng)用儲(chǔ)量和滲流面積。 “井工廠”技術(shù)是在地表采用叢式方式布井，在集中有限區(qū)域內(nèi)密集批量化鉆井，多條水平井使得井筒與頁巖儲(chǔ)層有較大的滲流面積，儲(chǔ)層內(nèi)有較大的動(dòng)用儲(chǔ)量［15］。

“井工廠”技術(shù)提高了勝利油田鹽227 塊動(dòng)用儲(chǔ)量程度至96.7%。 大牛地氣田DP 43 水平井組應(yīng)用 “井工廠”可減少征地24 個(gè)，共節(jié)省占地面積25.4×104m2，而蘇里格東南G 0-7 井場單個(gè)井組僅占地0.5×104m2，比常規(guī)開發(fā)模式節(jié)省占地1.29×104m2，且共減少道路建設(shè)8 條，節(jié)約道路面積3.2×104m2， 通過串接式管線輸送技術(shù)，共縮短管線45.5 km。

3.3 縮短鉆井周期，降低鉆井成本

頁巖氣開發(fā)投入巨大，鉆井成本直接決定頁巖氣開采經(jīng)濟(jì)效益。 叢式“井工廠”批量化鉆井，其高效率主要表現(xiàn)在采用移動(dòng)式鉆機(jī)批量化作業(yè)，批次鉆井減少鉆機(jī)移動(dòng)次數(shù)， 移動(dòng)聯(lián)合裝置減少鉆機(jī)搬遷的非作業(yè)時(shí)間，先進(jìn)鉆機(jī)體型小、鉆進(jìn)快，降低非進(jìn)尺時(shí)間［16-17］。

采用“井工廠”技術(shù)后，機(jī)械鉆速延川南煤層氣由7.37 m/h 提升至12 m/h， 大牛地氣田由7.34 m/h 提升至8.28 m/h，其平均建井時(shí)間降低為47.7 d，相對縮短8.79%；大慶齊平2、平3 井鉆機(jī)搬遷及重組時(shí)間縮短7 d，設(shè)備搬遷及二次安裝時(shí)間相對縮短了30%［18］； 鹽227 區(qū)塊采用“井工廠”模式后機(jī)械鉆速甚至提升3 倍，極大地提高鉆井效率；與此同時(shí)降低了對井架設(shè)備損壞程度、工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了由于再安裝帶來的安全隱患。

3.4 縮短壓裂時(shí)間，提高壓裂設(shè)備利用率

頁巖氣開采過程中最重要的工藝為壓裂施工，裂縫的擴(kuò)展和延伸直接關(guān)系到頁巖氣井產(chǎn)量高低，壓裂施工費(fèi)用直接影響最終收益。 從壓裂施工角度來看，叢式“井工廠”能集中批量化進(jìn)行大規(guī)模水力壓裂，整體上降低了單次壓裂費(fèi)用支出。

長慶油田經(jīng)過對“井工廠”技術(shù)的應(yīng)用，總結(jié)出一套適合長慶油田的工廠化快速施工作業(yè)方法，可提高作業(yè)效率50%。 通過工廠化同步壓裂技術(shù)，姬塬油田11 段壓裂作業(yè)僅用時(shí)9 d，單井試油用時(shí)23 d。 大牛地氣田6 口井批量化壓裂作業(yè)用時(shí)13 d。 鹽227 區(qū)塊平均壓裂速度為6 段/d，縮短壓裂時(shí)間60%［19-20］；涪陵頁巖氣“井工廠”交叉壓裂無需移動(dòng)機(jī)組，節(jié)省了設(shè)備拖拽時(shí)間，減少無效占用，同時(shí)也無需進(jìn)行如管線重新連接、壓裂液存儲(chǔ)罐再清洗等輔助工作，極大提高壓裂設(shè)備利用率：延川南煤層氣區(qū)塊時(shí)間利用率由48.3%提升至60.0%。

3.5 提高資源利用率，節(jié)省材料消耗

頁巖氣壓裂過程中對水的需求極大， 壓裂施工過程中有20%～80%的壓裂液滯留在地層中無法反排出來［21-22］。而我國頁巖氣多分布在四川、貴州等山區(qū)地帶，水資源貧乏加之交通運(yùn)輸不方便，因而水及材料的供給成為制約頁巖氣開發(fā)的重要因素。 “井工廠”技術(shù)可循環(huán)利用鉆井液、集中回收處理壓裂液，降低水資源消耗，縮短鉆井液配制時(shí)間，降低了無害處理成本。 該技術(shù)還可節(jié)省各種施工材料， 避免長途反復(fù)搬遷的材料遺落和重新配備，為一種集約式開發(fā)模式［23］。

采用“井工廠”技術(shù)，長慶姬塬油田處理再利用液量達(dá)1 500 m3，反排液回收再利用率為85%；大慶油田回收利用油基泥漿達(dá)2 000 m3，節(jié)省柴油超千噸；川渝地區(qū)川慶鉆探重新利用鉆井液近2×104m3， 減少重晶石粉消耗近1×104t，極大緩解了山地作業(yè)區(qū)塊運(yùn)輸難、成本高的矛盾。

3.6 保護(hù)環(huán)境，安全施工

集中批量流水線作業(yè)方式下鉆機(jī)和水力壓裂等設(shè)備僅需要短距離運(yùn)輸，減少了車輛尾氣排放，而且避免了各種化學(xué)物質(zhì)長距離的運(yùn)輸，從而減少了頻繁移動(dòng)井場帶來的作業(yè)隱患、材料遺落、鉆井液配備池后處理等工作， 可相對較長時(shí)間維持頁巖氣作業(yè)井場秩序和環(huán)境。 目前，國家對油田企業(yè)形象、生態(tài)保持、油田綠色施工等關(guān)注日益密切，“井工廠”技術(shù)在頁巖氣開發(fā)的環(huán)保方面有常規(guī)開發(fā)模式不可比擬的優(yōu)勢。 路易斯安那州北部使用“井工廠”開發(fā)模式后，減少車輛運(yùn)輸量近83%，降低了由此造成的作業(yè)傷害風(fēng)險(xiǎn)66%。

3.7 經(jīng)濟(jì)效益最大化

頁巖氣開發(fā)投入巨大且風(fēng)險(xiǎn)高，“井工廠”技術(shù)采用工廠化的管理模式，在群式布井、集中施工、流水作業(yè)、資源整合、統(tǒng)一管理等各個(gè)環(huán)節(jié)都體現(xiàn)了“井工廠”技術(shù)開發(fā)頁巖氣的優(yōu)勢，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

截止2014 年5 月，采用“井工廠”技術(shù)，江漢油田新溝非常規(guī)試驗(yàn)井組18 口井建井時(shí)間共減少131 d， 節(jié)省鉆井成本1 170 萬元；延川南煤層氣區(qū)塊單個(gè)叢式井組5口井，共節(jié)約138.5 萬元；加拿大Piceance 盆地的頁巖氣平均單井鉆井成本四年內(nèi)下降50 萬美元；鹽227 區(qū)塊縮短建產(chǎn)時(shí)間達(dá)25 個(gè)月， 單井費(fèi)用限制在5 000 萬元以內(nèi)，節(jié)約成本1 750 萬元。

4 結(jié)論

a）頁巖氣“井工廠”技術(shù)縮短了非作業(yè)及作業(yè)時(shí)間，減小了井場施工面積，提高了設(shè)備利用率，降低了投資成本，且減輕了環(huán)境污染，對增大頁巖氣單井產(chǎn)量與儲(chǔ)層采收率具有現(xiàn)實(shí)意義。

b） 我國的頁巖氣富集區(qū)塊大多處于山區(qū)與丘陵地帶，地面交通十分不便，井場條件十分苛刻，且我國屬于典型的水資源缺乏國家，故應(yīng)加大力度研究“井工廠”關(guān)鍵技術(shù)和高端設(shè)備。

c） 頁巖儲(chǔ)層鉆井以及壓裂施工需要消耗大量水資源，投入成本很高，相應(yīng)的污水排放對環(huán)境沖擊很大，嚴(yán)重制約著頁巖儲(chǔ)層的開發(fā)。 “井工廠”技術(shù)對施工液體的回收與再利用能很好地規(guī)避上述矛盾，因而十分適合頁巖氣儲(chǔ)層的開發(fā)。

d） 隨著國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)的火熱進(jìn)行以及各種施工設(shè)備技術(shù)的提升，工廠化開發(fā)模式備受關(guān)注，且已在國內(nèi)多個(gè)試驗(yàn)區(qū)塊成功運(yùn)用，我國非常規(guī)頁巖氣勢必進(jìn)入“井工廠”開發(fā)階段。

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