蘇里格氣田“工廠化”壓裂作業(yè)方法

何明舫，馬旭，張燕明，來軒昂，肖元相，郝瑞芬

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院）

1 蘇里格氣田“工廠化”壓裂作業(yè)背景

蘇里格氣田是中國目前發(fā)現(xiàn)并投入開發(fā)的規(guī)模最大的天然氣田，主體位于鄂爾多斯市烏審旗境內(nèi)，區(qū)域構(gòu)造屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡。隨著開發(fā)的深入，蘇里格氣田產(chǎn)量不斷攀升，符合整體開發(fā)理念的大井組和叢式井組開發(fā)已成為氣田開發(fā)的重要方向。通過對蘇里格氣田前期大井組壓裂施工組織方式和作業(yè)周期數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)：井筒準(zhǔn)備時間是制約氣田提高施工效率的關(guān)鍵因素，工序耗時90 d左右（以9口井的井組為例），占總壓裂試氣工序時間63%（見圖1），具有較大的提速空間。

圖1 前期蘇里格氣田9口井井組壓裂試氣工序作業(yè)周期統(tǒng)計(jì)

2013年，針對蘇里格氣田壓裂作業(yè)特點(diǎn)，結(jié)合蘇里格地形地貌及水文特征，從縮短井組壓裂作業(yè)的井筒準(zhǔn)備時間入手，對該區(qū)域大井組和叢式井組壓裂施工作業(yè)流程進(jìn)行了全面的優(yōu)化，建立了一種適合蘇里格氣田特點(diǎn)的大井組“工廠化”壓裂試氣作業(yè)方法，該方法由 5部分組成：①集中供水模式；②高效壓裂工藝；③流水線作業(yè)模式；④高效作業(yè)設(shè)備；⑤返排液回收再利用。

2 蘇里格氣田“工廠化”壓裂作業(yè)模式

2.1 集中供水模式

蘇里格氣田地表多以沙漠、草地為主，地形平坦，區(qū)內(nèi)交通便利，地下水資源豐富。前期壓裂作業(yè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，該區(qū)域氣井用液量大（水平井單井用液量為3 500 m3，直井單井用液量為800 m3），若采用常規(guī)儲液罐蓄水的供水模式，井場需預(yù)備大量的儲液罐，耗費(fèi)了大量的井場準(zhǔn)備和備罐時間，且每口井壓裂作業(yè)前均需重新備水，影響壓裂施工效率。為了確保壓裂施工的連續(xù)性，最大限度地減少現(xiàn)場儲液罐，結(jié)合蘇里格氣田沙漠、草地易于挖掘的地形，使用水源井直供+井場“人工湖”模式能完全滿足井組壓裂改造連續(xù)大量用液的需求，即：通過修建井場“人工湖”提前備水，配備少量井場緩沖罐，提高備水效率。供水模式見圖2。

圖2 水源井直供+井場“人工湖”模式示意圖

通過在57個井組開展“工廠化”壓裂供水模式試驗(yàn)，平均單井組節(jié)約1 000～2 500 m3容積的儲液罐（見圖3），同時縮短了壓裂備水時間、減少了等停時間，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)作業(yè)的目標(biāo)。

圖3 壓裂施工井場所需儲液罐容積對比圖

2.2 高效壓裂工藝

為了最大限度地提高施工效率，縮短壓裂作業(yè)周期，實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)作業(yè)，優(yōu)選出一趟管柱壓裂技術(shù)。同時，為了降低現(xiàn)場工藝復(fù)雜程度和作業(yè)難度，要求在井組內(nèi)同種井型采用同一種高效的主體壓裂改造技術(shù)[1-3]和同一種成熟的壓裂液體系，確?！肮S化”作業(yè)批量施工。目前，蘇里格氣田已經(jīng)形成了直井以機(jī)械封隔器壓裂和套管滑套壓裂、水平井以水力噴砂壓裂[4]和裸眼封隔器壓裂為主體的壓裂改造工藝[5-6]。通過對4種主體壓裂改造工藝作業(yè)效率、工具成熟度、現(xiàn)場應(yīng)用局限性等方面的評價（見表 1），優(yōu)選出直井套管滑套壓裂和水平井裸眼封隔器壓裂 2種壓裂改造工藝（見圖 4），平均單井壓裂周期 5～20 h（見圖 5）。

表1 蘇里格氣田壓裂改造工藝優(yōu)缺點(diǎn)對比表

圖4 蘇里格氣田“工廠化”高效改造工具示意圖

2.3 流水線作業(yè)模式[7-8]

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)化井場

圖5 兩種優(yōu)選改造工藝施工效率統(tǒng)計(jì)

為便于作業(yè)工序交替，根據(jù)壓裂試氣作業(yè)內(nèi)容和獨(dú)立性原則將井場劃分成4個功能區(qū)（見圖6）：①液體供應(yīng)區(qū)，在區(qū)內(nèi)完成蓄水、配制壓裂液等工作，并向壓裂施工區(qū)供應(yīng)壓裂液；②壓裂施工區(qū)，在區(qū)內(nèi)擺放壓裂設(shè)備和材料，將壓裂液和支撐劑按設(shè)計(jì)要求輸送至目的層；③排液流程區(qū)，主要完成壓后的排液、測試工作，按放噴排液作業(yè)要求，預(yù)置排液管線和排液池；④液體回收區(qū)，回收再利用壓裂返排液，將排液流程區(qū)內(nèi)收集的壓裂返排液處理成可再次使用的液體后輸送至液體供應(yīng)區(qū)。

圖6 井場功能區(qū)劃分示意圖

2.3.2 作業(yè)模式

流水線作業(yè)模式就是通過優(yōu)化生產(chǎn)組織模式，將井組內(nèi)施工井的相同作業(yè)工序集中、連續(xù)作業(yè)，以加快工序施工速度、縮短壓裂作業(yè)周期、降低作業(yè)成本。各工序間通過無縫銜接縮短周期，通過規(guī)?；倪B續(xù)作業(yè)實(shí)現(xiàn)效益。單個井場的施工井?dāng)?shù)越多，流水線作業(yè)模式優(yōu)勢就越明顯。

蘇里格氣田井組“工廠化”壓裂作業(yè)采用“六個一趟過”的流水線作業(yè)模式[9]：①通洗井、試壓一趟過，采用連續(xù)油管對井組內(nèi)施工井依次進(jìn)行通洗井試壓一次作業(yè)，減少了常規(guī)立井架工序；②射孔一趟過，優(yōu)化井組射孔順序，一次完成井組射孔；③配液作業(yè)一趟過，采用連續(xù)混配技術(shù)，配液與壓裂施工同時進(jìn)行，減少壓裂等停時間；④管匯連接一趟過，合理擺放儲液罐和連續(xù)混配車位置，壓裂施工前一次性連接好所有井的高壓管匯，每口井入口處安裝旋塞閥，壓裂時打開相應(yīng)的旋塞閥進(jìn)行施工；⑤壓裂（酸化）施工一趟過，施工前一次性將所有井的陶粒和化工料組織到位，壓裂施工采取開關(guān)旋塞閥的方式，不動壓裂設(shè)備完成所有井的壓裂工作；⑥排液、測試一趟過，在施工作業(yè)前期，一次性連接每口井的排液、測試管線，確保壓后所有施工井均能正常排液、測試。

同時，施工工序之間根據(jù)順序依次批量、同步作業(yè)（見圖7），從而最大限度地提高設(shè)備利用率、減少井間工序等待時間。

壓裂作業(yè)時，壓裂機(jī)組不動遷，低壓管匯一次連接，高壓管匯將多口井并聯(lián)，并通過高壓旋塞控制每條管匯的泵注流程，減少設(shè)備和管線的移動和連接時間，同時結(jié)合連續(xù)混配技術(shù)，能大幅提高作業(yè)效率、縮短井組整體壓裂作業(yè)周期，井組壓裂作業(yè)效率平均提高 50%以上，且施工井?dāng)?shù)越多，壓裂作業(yè)效率提升越明顯（見圖8）。

圖7 “工廠化”作業(yè)模式與常規(guī)單井作業(yè)模式作業(yè)工序?qū)Ρ?/p>

圖8 “工廠化”作業(yè)模式試驗(yàn)井組施工效率統(tǒng)計(jì)

2.4 高效作業(yè)設(shè)備

為確保工廠化壓裂施工連續(xù)性，提高壓裂作業(yè)效率，現(xiàn)場作業(yè)配備了高效率的作業(yè)設(shè)備[10]。具體做法為：①采用100 m3儲液罐，組合疊加立體布放套裝式拉運(yùn)，節(jié)約搬運(yùn)次數(shù)，減少占地面積；②采用連續(xù)油管，減少在通洗井工序中的移井架作業(yè)，提高了井筒準(zhǔn)備效率；③采用2000型以上壓裂泵車和輸出排量16 m3/min以上的混砂車，實(shí)現(xiàn)大排量壓裂作業(yè)；④采用滿足10 m3/min以上大排量注入的壓裂井口，確保大排量施工安全；⑤采用50 m3或100 m3大型砂漏斗和倒砂器，滿足大排量壓裂連續(xù)加砂要求；⑥采用 8.0 m3/min連續(xù)混配車和Φ101.6 mm（4 in）高低壓管匯，滿足大排量壓裂作業(yè)供液要求。

2.5 返排液回收再利用[11]

為了提高水資源利用率、減少污水排放，緩解環(huán)保壓力，對壓裂返排液實(shí)施回收再利用[12]（見圖9）。

圖9 壓裂返排液處理流程圖

氣井返排分不含天然氣液體返排、混氣液體返排和混液氣體返排3個階段，考慮大井叢連續(xù)高效施工和返排液安全、高效回收的要求，回收前兩個階段的返排液，混液氣體返排階段在泥漿池點(diǎn)火后繼續(xù)排液、測試。

根據(jù)壓裂返排液水質(zhì)特點(diǎn)及現(xiàn)場再利用要求，研發(fā)出壓裂返排液處理裝置，主要處理工藝為“混凝沉淀+污泥脫水+過濾殺菌”（見圖10）[13]；對于黏度和酸堿性達(dá)不到要求的廢水，可采用配套預(yù)處理工藝：預(yù)氧化+調(diào)節(jié)pH值，處理后的液體可通過加入離子屏蔽劑達(dá)到壓裂配液水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[14]。

圖10 壓裂返排液處理設(shè)備示意圖

蘇-11井組壓裂返排液處理前后水質(zhì)檢驗(yàn)（見表2）表明：通過該工藝處理后的液體滿足蘇里格氣田配液水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 壓裂返排液處理前后水質(zhì)指標(biāo)對比

2.6 經(jīng)濟(jì)效益

前期常規(guī)的井場施工組織模式未考慮井間工序交叉，單井作業(yè)費(fèi)用約為 160萬元。使用“工廠化”壓裂作業(yè)方法能通過節(jié)約現(xiàn)場冗余設(shè)備、減少壓裂機(jī)組動遷、縮短壓裂試氣施工周期等方法減少壓裂作業(yè)成本，預(yù)計(jì)平均單井作業(yè)費(fèi)用節(jié)約21萬元左右（見圖11）。

圖11 井組“工廠化”壓裂預(yù)計(jì)節(jié)約作業(yè)成本

3 實(shí)例應(yīng)用

蘇里格氣田屬于典型的致密氣藏，儲集層縱向多層系疊合特征明顯，平面非均質(zhì)性強(qiáng)，且主力層系盒8氣層厚度穩(wěn)定（6～15 m）、砂體連續(xù)性較好。區(qū)內(nèi)以沙漠地形為主，地勢平坦、交通便利，易于“集群化”布井，布井方式以直井/水平井混合井組為主。2013年，蘇里格氣田開展了工廠化壓裂先導(dǎo)試驗(yàn)11個井組（見圖8），井組壓裂作業(yè)效率平均提高了50%以上。

蘇里格氣田蘇-11井組為典型的直井/水平井混合井組，該井組由直井和水平井各 7口組成，各井壓裂采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)，并結(jié)合作業(yè)現(xiàn)場條件，采用標(biāo)準(zhǔn)化井場布局，簡化了現(xiàn)場整體施工難度，為壓裂模塊化施工創(chuàng)造了條件。使用單井場水源井直供+井場“人工湖”的供水模式，現(xiàn)場準(zhǔn)備5 000 m3“人工湖”，節(jié)約了備水時間，實(shí)現(xiàn)了井組壓裂連續(xù)作業(yè)，同時結(jié)合壓裂液回收技術(shù)，提高了井組壓裂的備水效率。壓裂作業(yè)采用“六個一趟過”的流水線作業(yè)模式，創(chuàng)造了14口井67層/段，總?cè)氲匾毫?1 100 m3，壓裂作業(yè)周期42 d（見圖12）的新記錄（因排液階段不占用試氣機(jī)組，該階段時間未統(tǒng)計(jì)在內(nèi)），井組單井平均施工周期3 d，壓后各井均在24 h內(nèi)排通，取得了較為明顯的提速效果（由于標(biāo)準(zhǔn)化布局、安裝連續(xù)油管、修建井場“人工湖”和沉砂池等作業(yè)內(nèi)容增加了少量井場準(zhǔn)備時間），節(jié)約成本約300萬元。

圖12 蘇-11井組前期改造和“工廠化”壓裂試氣作業(yè)效率對比

4 結(jié)語

“工廠化”壓裂作業(yè)是提高大井組和叢式井組施工效率的基礎(chǔ)，蘇里格氣田采用“工廠化”壓裂作業(yè)模式后平均井組作業(yè)效率提高50%以上。

集中供水模式和統(tǒng)一高效、成熟的壓裂改造工藝和壓裂液體系為壓裂的快速連續(xù)作業(yè)提供了技術(shù)保障。各種工藝流水線作業(yè)是“工廠化”壓裂作業(yè)模式的核心，是縮短井組整體壓裂試氣周期的關(guān)鍵手段。

液體回收再利用技術(shù)提高了水資源利用率，減少了污水排放，緩解了環(huán)保壓力，是綠色“工廠化”壓裂作業(yè)不可或缺的環(huán)節(jié)。

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