頁巖氣壓裂“工廠化”模式

□ 文/中國石化中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司

頁巖氣壓裂“工廠化”模式

□ 文/中國石化中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司

頁巖氣的勘探開發(fā)離不開水平井分段壓裂技術(shù)，水平井分段壓裂技術(shù)目前都采用大規(guī)模的縫網(wǎng)體積壓裂工藝技術(shù)，其壓裂施工特點是“四多一長”：設(shè)備多、用液多、砂量多、井場儲液罐多、施工時間長。以往常規(guī)井的施工組織模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場生產(chǎn)提速、降本增效的需求，為此，中國石化中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司對頁巖氣大型壓裂中的各個環(huán)節(jié)進行工廠化管理模式運作，優(yōu)質(zhì)高效地完成壓裂施工。

建立工廠化管理模式

一、成立工廠化管理組織機構(gòu)，保障壓裂“工廠化”順利實施。

領(lǐng)導(dǎo)小組下設(shè)15個小組（如圖）。其中，各組分工明確，各負其責，但又是統(tǒng)一協(xié)調(diào)合作。

二、制訂壓裂“工廠化”管理工作流程實現(xiàn)施工規(guī)范化。

實行扁平式流程化管理，從施工設(shè)計理念、每道工序預(yù)案制訂到原材料采購、壓裂設(shè)備性能優(yōu)化組合，按照專業(yè)小組制定了周密細致的相應(yīng)管理流程，明確工作程序和職責，實現(xiàn)各單位及會戰(zhàn)小組的整體協(xié)調(diào)配合。以壓裂工廠化管理流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為例介紹。

1.設(shè)備方面

針對焦石壩頁巖氣壓裂施工排量大、工藝技術(shù)要求高的特點，確定使用當前性能最為先進的2500型壓裂車組擔負施工重任，并積極做好相關(guān)配套設(shè)施的購進和改造工作，特別是對現(xiàn)有的臥式罐統(tǒng)一進行改裝，確保罐體符合重疊放置安全標準。壓裂液罐清洗及液體裝車需要施工人員上罐進行高處及進入罐內(nèi)受限空間作業(yè)，危險性較大，為此設(shè)計了密閉裝車流程及大罐自動清洗裝置，加裝了生命繩，既方便員工安全操作，又避免液體滴漏產(chǎn)生的浪費和污染。

2.QHSE管理方面

一是嚴格落實領(lǐng)導(dǎo)帶班及承包關(guān)鍵要害部位責任制。二是推行班組安全建設(shè)。三是推行風險管理，重新評價并建立公司重大風險控制清單，完善防范措施及應(yīng)急預(yù)案，將之貫穿于各項活動的全過程，建立起全方位、全流程、全覆蓋的風險管理體系，把風險管理真正落實到班組、落實到崗位。

3.工藝技術(shù)方面

根據(jù)工廠化管理目標，著重對頁巖儲層天然裂縫發(fā)育、孔滲低等物性特征、巖石力學測試、地應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)進行分析，優(yōu)化壓裂改造工藝，采用簇式射孔+可鉆復(fù)合橋塞分段壓裂技術(shù)，形成體積縫網(wǎng)，擴大水力裂縫的波及體積，提高壓裂效果。

4.管理制度方面

完善管理制度，保障壓裂“工廠化”管理執(zhí)行力。通過建立嚴密的管理制度，制定清晰、現(xiàn)實的管理目標。首先明確決策、管理、執(zhí)行、操作各層次的管理結(jié)構(gòu)及管理模式，明確管理的責、權(quán)、利，實行制度管人的管理方式。其次，確保制度管理的有效性，用好的管理制度和管理機制帶來好的執(zhí)行力。切實做到計劃、執(zhí)行、檢查、總結(jié)、激勵、糾偏流程管理，把復(fù)雜的指令分層次下達，讓指令變得簡潔，通過增強指令的操作性和嚴肅性，來實現(xiàn)并提高執(zhí)行力。

三、精細工廠化管理壓裂方案設(shè)計，保障頁巖氣壓裂效果。

頁巖氣藏壓裂改造涉及眾多儲層因素，其關(guān)鍵因素包括：一是粘土含量較高（30%以上），對于巖石脆性較強的儲層，在壓裂施工過程中更易起裂和延伸；二是高楊氏模量、中低泊松比的頁巖，易于實現(xiàn)頁巖儲層在大規(guī)模復(fù)雜縫網(wǎng)改造，塑性較強的頁巖需要確保長、窄、導(dǎo)流能力好的支撐主裂縫隙；三是儲層物性參數(shù)在空間分布的差異對裂縫的起裂、延伸、材料優(yōu)選、施工設(shè)計、壓裂效果等方面有重要影響。

1.結(jié)合工廠化管理改造目標，完善壓裂工藝技術(shù)思路。

根據(jù)壓裂工廠化管理目標，制定了頁巖氣壓裂的技術(shù)措施：（1）對壓裂液添加劑的研發(fā)、改進、篩選非常必要。面對大排量、高壓施工作業(yè)，選用高性能降阻劑。優(yōu)選合適的殺菌劑能控制大規(guī)模、長時間施工時液體與地層細菌生長，造成液體性能的降低。為控制地層粘土礦物在施工過程中膨脹、運移，防止對很低孔隙空間的堵塞，粘土穩(wěn)定劑不可缺少。為提高壓后液返排，需要加入吸附能力較小的表面活性劑。（2）通過大排量降阻水形成裂縫后，采用高粘液體進行低砂比加砂，在同層中多次交替注入，以確保深穿透，網(wǎng)狀裂縫的形成。采用不同支撐劑的粒徑組合，確保各縫段的導(dǎo)流能力，前期支撐劑的粒徑100目，中期以40-70目為主，最后尾追20-40目的支撐劑。通過泵注程序的優(yōu)化，借助大排量產(chǎn)生的紊流及砂堤支撐，克服了低粘液體帶砂困難。

2.結(jié)合工廠化管理提速目標，優(yōu)化簇式射孔精確布縫改造方案。

依據(jù)《涪陵地區(qū)龍馬溪組頁巖氣開發(fā)試驗井組方案》、《涪陵地區(qū)頁巖氣開發(fā)試驗井組產(chǎn)能建設(shè)可行性研究報告》設(shè)計要求，針對壓裂改造井層水平段長度，通過與鄰井壓裂效果對比分析，優(yōu)選分段級數(shù)，確定平均單段規(guī)模、射孔位置和橋塞位置?？傮w按雙“W”型非均勻布縫，針對產(chǎn)狀轉(zhuǎn)折帶調(diào)整壓裂規(guī)模，并做好相應(yīng)的施工預(yù)案，降低施工風險。壓裂采用組合加砂、混合壓裂模式，提高裂縫導(dǎo)流能力和連通性，增加有效改造體積。

3.結(jié)合工廠化管理增產(chǎn)目標，優(yōu)化壓裂液體系和泵注程序。

由于頁巖儲層壓裂時易產(chǎn)生多裂縫液體濾失嚴重，人工裂縫寬度受限，支撐劑進入地層難度大；加之頁巖儲層孔隙度、基質(zhì)滲透率極低，外來液體的侵入容易引發(fā)二次傷害，對壓裂裂縫導(dǎo)流能力有較大影響。為了有效補償液體濾失，并確?？p寬適度，采用大排量施工、小粒徑、低密度、低砂比、段塞式加砂模式；為了減少壓裂液對地層的二次傷害，選用低成本、低含水不溶物的滑溜水液體體系。與常規(guī)水力壓裂相比頁巖氣藏壓裂作業(yè)屬于高排量（大于10m3/min）、超大規(guī)模（大于2000m3），常規(guī)供液模式已不適用，需要有針對性地進行配套優(yōu)化。

四、優(yōu)化施工現(xiàn)場準備，完善壓裂工廠化管理配套系統(tǒng)。

1.配套壓裂液連續(xù)混配系統(tǒng)。

減少了儲存、運輸?shù)戎虚g環(huán)節(jié)，實現(xiàn)壓裂液現(xiàn)場“即配即注”、壓后零殘留膠液，提高了壓裂液性能的均一性和穩(wěn)定性，解決了壓裂液因使用不及時而腐敗變質(zhì)造成浪費問題。通過焦石壩地區(qū)頁巖氣壓裂施工現(xiàn)場對比分析，壓裂液現(xiàn)場快速混配技術(shù)與常規(guī)方式相比，單層可縮短施工時間為兩天，且壓裂液性能均一、穩(wěn)定，減少了占用井場空間，為施工現(xiàn)場帶來了極大的方便。

圖2　砂罐組合、現(xiàn)場裝砂圖

圖3　連續(xù)供液關(guān)鍵部分

圖4　六通型壓裂井口

2.配備連續(xù)加砂裝置。

為滿足工廠化管理連續(xù)施工的需要，在連續(xù)加砂裝置的選擇上，200m3砂罐、20m3砂罐等幾種砂罐通過組合使用，按照設(shè)計支撐劑規(guī)格、數(shù)量和供砂速度，可以優(yōu)化完成1—3種不同規(guī)格支撐劑的儲存和連續(xù)輸送。單罐輸砂速度＞3m3/min。同時采用吊車吊裝噸包補砂?？蓾M足單段施工連續(xù)供砂能力220m3以上。

3.創(chuàng)建連續(xù)供液系統(tǒng)。

由水源、供水泵、儲液等主要設(shè)備及輸水管線、水分配器等輔助設(shè)備構(gòu)成。根據(jù)井場情況，選擇應(yīng)用合適的儲液配液方案：①配套45m3、 50m3儲液大罐和軟體罐儲水儲液；②修建儲水池；③即配即供技術(shù)；④配置濃縮液。對于多個叢式井組可以用水池，壓裂后放噴的水直接排入水池，經(jīng)過處理后重復(fù)利用。

4.完善井口裝置和高低壓管匯

頁巖氣壓裂施工排量大，都采用套管注入，因此配套了光套管壓裂使用的專用壓裂井口。壓裂施工中，四路高壓管線從壓裂六通四個對應(yīng)的方向注入，很大程度上抵消了四根高壓注入管線作用在井口上的力，有效的降低了井口的抖動程度，壓裂施工中，裝有注入六通的井口穩(wěn)定性良好，保證了施工的安全順利進行。為適應(yīng)更大排量施工要求，按照六通技術(shù)標準設(shè)計加工了壓裂八通，可以連接六路高壓管線，可滿足排量15-20m3/min 壓裂施工需要。

非常規(guī)頁巖氣壓裂單段液體規(guī)模一般在1000-2000m3，單個儲液罐容積一般為40-50m3，單段壓裂需要的儲液罐不少于30-40個，按照一般供液方式，10個儲液罐直接給混砂車供液，20-30個儲液罐施工時倒液。采用10″低壓供液管匯后，可以直接把30個儲液罐連接起來直接給混砂車供液，不用施工倒液，既保障了供液連續(xù)、平穩(wěn)，又減少了工人工作量和施工裝備。

頁巖氣壓裂需要的設(shè)備多，在一個地方集中放置10臺以上主壓車，如果沒用高低壓管匯總成，無法實現(xiàn)聯(lián)接，同時也無法解決管線之間因排量不對等而產(chǎn)生振動，因此設(shè)計6頭和8頭的高低壓管匯總成。如6頭高低壓管匯總成可以滿足5m3/min壓裂施工，8頭的高低壓管匯總成可以滿足8m3/min壓裂施工。

五、科學組織工廠化管理運行提高生產(chǎn)效率

在工廠化管理組織運行上，總體協(xié)調(diào)上下級、前后線和配合單位，打破單位界限，實行“一體化”運作，提高生產(chǎn)組織運行效率，提升頁巖氣壓裂技術(shù)水平。

1.嚴格落實，保障施工質(zhì)量。

通過嚴格落實頁巖氣壓裂工廠化管理的質(zhì)量標準，全面提升頁巖氣壓裂施工效果。一是嚴格執(zhí)行設(shè)計壓裂施工參數(shù)，提高效果。優(yōu)化壓裂車組車輛臺數(shù)，滿足施工設(shè)計要求的穩(wěn)定排量，保證壓裂連續(xù)攜砂能力和施工的一次成功率，同時配備備用壓裂車輛，防止施工車輛出現(xiàn)故障影響連續(xù)壓裂加砂效果；二是嚴把材料質(zhì)量提升效果。嚴把下井原材料質(zhì)量關(guān)，不僅在采購之初對原材料層層檢驗，還對下井原材料運輸和儲存進行精心部署和安排，避免氣溫、雨雪等對原材料性能的影響，保證下井原材料安全；三是適時調(diào)整工藝參數(shù)。按照“客觀分析、準確判斷、果斷決策”的原則，對施工現(xiàn)場的施工參數(shù)進行時時調(diào)整，強化現(xiàn)場精細分析和控制，使整個施工標準達到設(shè)計要求，保證了施工效果。

圖5　施工現(xiàn)場布置示意圖

2.強化信息傳遞，實現(xiàn)流程化施工。

為實現(xiàn)工廠化管理施工現(xiàn)場連續(xù)的程序化作業(yè)和及時應(yīng)對突發(fā)事件，強化施工現(xiàn)場信息傳遞，增強施工指揮和指導(dǎo)的針對性。一是建立可視化指揮平臺。通過無線AP技術(shù)實現(xiàn)兩臺儀表車的施工參數(shù)、井口及地面管匯等關(guān)鍵部位視頻實時傳輸。二是加大現(xiàn)場通信工具的配備。給現(xiàn)場施工指揮和操作人員配備對講機和指揮旗幟，通過對講機或旗幟進行溝通和指揮操作，提高信息傳遞效果。三是嚴格執(zhí)行壓裂作業(yè)信息流程。針對壓裂施工過程，制定壓裂施工信息流程圖。施工中各環(huán)節(jié)嚴格按照流程對突發(fā)事件進行信息溝通、上報，并逐步下達處理執(zhí)行命令，提高信息交流效率，及時完成施工要求。

實施工廠化管理取得的效果

1.生產(chǎn)效率顯著提升。

針對性的壓裂施工設(shè)計理念，在一定程度上保證了壓裂施工的效果。通過工廠化壓裂施工6口井的現(xiàn)場運營模式，無一起安全事故、部分井層的壓裂施工超計劃進行（原計劃兩天一層，實際施工中一天兩層）、縮短了施工周期，并在焦石壩頁巖氣壓裂改造中獲得了實質(zhì)性的突破，為中國頁巖氣的勘探開發(fā)帶來了曙光，同時為其它頁巖氣區(qū)的勘探開發(fā)具有極大的借鑒的指導(dǎo)意義。

2.施工效果獲得突破。

通過推行大規(guī)模壓裂試氣施工管理模式，注重提高單井質(zhì)量的施工目標，堅持“一口井一決算”，嚴格執(zhí)行“單井分析、過程控制、核算評價”的工作流程，單段施工成功率達到99.0%。大規(guī)模壓裂施工單井施工周期縮短35%，水平井平均施工周期由原來的15天，縮短到現(xiàn)在的9天，單井綜合效益提高了2%，隊伍和裝備施工能力增強。

3.創(chuàng)造系列頁巖氣工程新指標

圖6　壓裂施工信息流程圖

丁頁2 H F井施工壓力超過100MPa，斯倫貝謝公司因地層壓力超過100MPa，拒絕提供技術(shù)服務(wù)。面對丁頁2HF井施工的世界級難題，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，創(chuàng)新了深層頁巖氣電纜射孔分段壓裂工藝，破解了超深頁巖氣井分段壓裂世界性難題，創(chuàng)造了國內(nèi)外7〞套管深井頁巖氣層電纜泵送橋塞-射孔分段壓裂新紀錄，打破了國外公司在高溫高壓深井頁巖氣層施工方面的獨家壟斷地位；同時還創(chuàng)造了泵送距離最遠（4200-5400m）、國內(nèi)頁巖氣垂深最深（4417m）、井底溫度最高（146℃以上）、井底壓力最高（135.75MPa）等多項頁巖氣國內(nèi)新紀錄。實現(xiàn)了多個首次突破，該井首次使用Φ177.8mm套管完井，采用Φ143.5mm橋塞坐封；首次配備耐壓105MPa地面防噴裝置，配套耐壓140MPa井下工具；首次在頁巖氣試氣施工中使用高壓八通，最大注入排量可達到20m3/min，“Y”型注入可以有效地減小井口摩損；首次在頁巖氣水平井采用105/70二級節(jié)流流程，降壓節(jié)流放噴；首次在頁巖氣水平井使用Φ146mm×6m通井規(guī)，提高了井筒處理質(zhì)量；首次在頁巖氣井使用萬能防噴器和旋轉(zhuǎn)防噴器的條件下，采用Φ88.9mm鉆桿下帶射孔槍傳輸射孔；首次用壓裂車長時間循環(huán)2.43-2.47g/cm3泥漿洗井。首次在頁巖氣井施工中每段壓裂連續(xù)施工時間均在5小時以上。

4.打造精品工程品牌形象持續(xù)提升

實施頁巖氣工廠化壓裂管理以來，在中國石化焦石壩地區(qū)頁巖氣水平井試氣壓裂作業(yè)會戰(zhàn)過程中，公司榮立涪陵頁巖氣會戰(zhàn)集體一等功，有效提升了我公司的品牌形象。

5.施工成本大幅下降經(jīng)濟效益顯著

施工成本降低：頁巖氣大規(guī)模壓裂配套技術(shù)，每段橋塞技術(shù)服務(wù)成本下降20%，促進了頁巖氣高效開發(fā)。

井下取得經(jīng)濟效益：通過涪陵工區(qū)6口頁巖氣水平井試氣作業(yè)技術(shù)現(xiàn)場推廣應(yīng)用，我公司累計創(chuàng)造產(chǎn)值9620.5萬元，展現(xiàn)了中原石油鐵軍的風采和大型壓裂試氣施工中的技術(shù)和實力，為加快涪陵頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)作出了貢獻，為來年進一步擴大國內(nèi)頁巖氣壓裂試氣市場贏得了良好的市場信譽。

（本文獲中國石油企業(yè)協(xié)會行業(yè)部級2014年度全國石油石化企業(yè)管理現(xiàn)代化創(chuàng)新成果二等獎）