臨興地區(qū)非常規(guī)氣田井場(chǎng)尺寸設(shè)計(jì)研究

鄭清華，鄭 健，楊向前，周 超.

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司臨汾分公司，山西臨汾 042200)

近年來，隨著常規(guī)油氣資源的快速消耗及開發(fā)難度的增加，非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)呈現(xiàn)出快速上升的趨勢(shì)[1]。臨興地區(qū)位于資源潛力較大的鄂爾多斯盆地東緣，勘探結(jié)果顯示，該區(qū)塊具有良好的非常規(guī)油氣勘探前景[2-3]。臨興地區(qū)屬于黃土塬地貌，地勢(shì)起伏較大，給井場(chǎng)的選址帶來了極大的挑戰(zhàn)；同時(shí)，隨著環(huán)保要求不斷提高，征地難度越來越大，根據(jù)實(shí)際地理環(huán)境和作業(yè)要求，合理優(yōu)化井場(chǎng)布置，盡量減小井場(chǎng)尺寸，降低井場(chǎng)建設(shè)成本變得十分重要。

決定井場(chǎng)尺寸的影響因素較多，如鉆機(jī)型號(hào)、井槽數(shù)、井槽間距、井槽排列形式、施工作業(yè)要求等。其中井槽排列形式主要分單排井槽和雙排井槽；施工作業(yè)要求主要基于作業(yè)效率的考慮，包括單鉆機(jī)作業(yè)、雙鉆機(jī)作業(yè)、壓裂作業(yè)時(shí)鉆機(jī)是否需要撤離井場(chǎng)。本文將對(duì)兩種井槽排列形式下不同作業(yè)要求的各種組合形式的井場(chǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，得出相應(yīng)的最小所需井場(chǎng)尺寸。

1 井場(chǎng)尺寸設(shè)計(jì)影響因素研究

1.1 鉆機(jī)型號(hào)選擇

鉆機(jī)的型號(hào)決定了鉆機(jī)的設(shè)備配置，鉆機(jī)的設(shè)備配置直接影響井場(chǎng)的布置及尺寸設(shè)計(jì)。鉆機(jī)的型號(hào)需要根據(jù)所在井場(chǎng)所有作業(yè)中所需要的最大鉤載要求確定。鉆機(jī)的最大鉤載應(yīng)滿足：

Q≥1.2×F+500

(1)

式中Q——鉆機(jī)最大鉤載，kN；

F——所有作業(yè)中需要鉆機(jī)提升的最大管柱重量，kN。

根據(jù)臨興地區(qū)氣藏靶點(diǎn)和井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該地區(qū)的井在所有作業(yè)過程中需要鉆機(jī)提升的最大管柱重量不超過900 kN。根據(jù)公式(1)得出所需鉆機(jī)的最大鉤載不小于1 580 kN即可滿足作業(yè)要求。根據(jù)鉤載要求及鉆機(jī)型號(hào)序列，選擇ZJ30鉆機(jī)進(jìn)行該區(qū)域的鉆井作業(yè)[4]。

1.2 井槽間距及井排間距設(shè)計(jì)

井槽間距和井排間距是影響井場(chǎng)尺寸設(shè)計(jì)的重要因素，井槽間距是指單排井槽中相鄰兩井槽中心的距離；井排間距是指井場(chǎng)中有多排井槽時(shí)，相鄰井排間最近的兩個(gè)井槽中心的距離，如圖1所示。根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析，臨興地區(qū)的地層壓力屬于正常壓力系統(tǒng)，氣藏不含硫，因此井槽間距按5 m設(shè)計(jì)；單鉆機(jī)作業(yè)時(shí)，井排間距按20 m設(shè)計(jì)[5]；雙鉆機(jī)同時(shí)作業(yè)時(shí)，井排間距按30 m設(shè)計(jì)[6]。

圖1 井槽布置主要參數(shù)示意Fig.1 Schematic of main parameters of well slots arrangement

1.3 井槽布置及最小井場(chǎng)尺寸設(shè)計(jì)

井槽的布置除了需要考慮井槽間距和井排間距外，還需要滿足與井場(chǎng)各邊線的距離要求。對(duì)于ZJ30鉆機(jī)對(duì)應(yīng)的井場(chǎng)，第一口井與井場(chǎng)始邊端線的距離不小于40 m，最后一口井與井場(chǎng)終邊端線的距離不小于30 m，各井口與井場(chǎng)左邊緣線的距離不小于30 m，各井口與井場(chǎng)右邊緣線的距離不小于35 m[6]。井場(chǎng)邊線的定義對(duì)應(yīng)井場(chǎng)方向的定義，即以井口為中點(diǎn)沿井場(chǎng)邊線方向作兩條相互垂直的基準(zhǔn)線，井架大門所在基準(zhǔn)線一側(cè)區(qū)域?yàn)榍?，站在井架大門前，面對(duì)大門，基準(zhǔn)線左側(cè)區(qū)域?yàn)樽?，基?zhǔn)線右側(cè)區(qū)域?yàn)橛襕7]。

根據(jù)井槽在井場(chǎng)中的位置要求，以及井場(chǎng)中設(shè)計(jì)井槽的數(shù)量、井槽間距、井排間距即可計(jì)算出鉆井施工作業(yè)所需要的最小有效井場(chǎng)尺寸。但在確定實(shí)際的最小井場(chǎng)尺寸時(shí)，還需要考慮不同型號(hào)鉆機(jī)起放井架等作業(yè)對(duì)井場(chǎng)尺寸的要求。對(duì)于ZJ30鉆機(jī)，考慮鉆機(jī)起放井架等作業(yè)，要求井場(chǎng)長(zhǎng)度不小于90 m，井場(chǎng)寬度不小于90 m[7]。

1.4 與井場(chǎng)尺寸設(shè)計(jì)相關(guān)的其他因素

與井場(chǎng)尺寸設(shè)計(jì)相關(guān)的其他因素主要有[8-17]：(1)井場(chǎng)的值班房、發(fā)電房、庫房、化驗(yàn)室等井場(chǎng)工作房，以及油罐區(qū)、天然氣儲(chǔ)存處理裝置，距井口應(yīng)不小于30 m。(2)發(fā)電房與油罐區(qū)、天然氣儲(chǔ)存處理裝置相距應(yīng)不小于20 m。(3)鍋爐房距井口應(yīng)不小于50 m。(4)井控裝置的遠(yuǎn)程控制臺(tái)應(yīng)安裝在井架大門左側(cè)前方、距井口不小于25 m的專用活動(dòng)房?jī)?nèi)，并在周圍保持2 m以上的行人通道，周圍10 m內(nèi)不得堆放易燃、易爆、腐蝕物品。(5)放噴管線出口距井口應(yīng)不小于75 m。(6)在草原、葦塘、林區(qū)鉆井時(shí)，井場(chǎng)周圍應(yīng)有防火墻或隔離帶，寬度應(yīng)不小于20 m。

2 不同作業(yè)組合形式下的井場(chǎng)尺寸設(shè)計(jì)

按照壓裂作業(yè)時(shí)鉆機(jī)是否撤離井場(chǎng)分兩大類工

況對(duì)井場(chǎng)的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行研究，每一類工況又分為單排井槽單鉆機(jī)作業(yè)、雙排井槽單鉆機(jī)作業(yè)和雙排井槽雙鉆機(jī)作業(yè)3種情況進(jìn)行分析。

2.1 壓裂作業(yè)時(shí)鉆機(jī)撤離井場(chǎng)

由于壓裂設(shè)施比鉆機(jī)設(shè)施占地面積小，壓裂作業(yè)時(shí)，如果鉆機(jī)撤離井場(chǎng)，在進(jìn)行井場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)就不需要再額外考慮壓裂設(shè)施的布置。因此，可以根據(jù)上述井場(chǎng)尺寸設(shè)計(jì)的影響因素直接計(jì)算出井場(chǎng)的有效長(zhǎng)度和有效寬度，具體可用如下公式：

L=L1+L2+(n-1)·δ1

(2)

式中L——井場(chǎng)長(zhǎng)度，m；

L1——第一口井與井場(chǎng)始邊端線的距離，m；

L2——最后一口井與井場(chǎng)終邊端線的距離，m；

n——井場(chǎng)長(zhǎng)度方向單排井的最大井槽數(shù)；

δ1——井槽間距，m。

W=W1+W2+δ2

(3)

式中W——井場(chǎng)寬度，m；

W1——井口與井場(chǎng)左邊緣線的距離，m；

W2——井口與井場(chǎng)右邊緣線的距離，m；

δ2——井排間距，m。

采用雙鉆機(jī)同時(shí)作業(yè)，鉆機(jī)的排列方式不同將影響井場(chǎng)的尺寸。如果兩鉆機(jī)平行排列施工，在作業(yè)過程中，兩部鉆機(jī)將一直保持肩并肩狀態(tài)；如果其中一部鉆機(jī)出現(xiàn)井控事故，因鉆機(jī)距離較近，很容易蔓延到另一部鉆機(jī)。因此，為提高作業(yè)的安全性，推薦采用兩部鉆機(jī)相向排列施工的模式。

基于以上分析，根據(jù)公式(2)和公式(3)，可以計(jì)算出3種情況下采用ZJ30鉆機(jī)的井場(chǎng)在不同井槽數(shù)時(shí)對(duì)應(yīng)的最小有效井場(chǎng)尺寸，見表1。在表1計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮ZJ30鉆機(jī)起放井架等作業(yè)對(duì)井場(chǎng)尺寸的要求，得到不同井槽數(shù)對(duì)應(yīng)的最小實(shí)際井場(chǎng)尺寸，見表2。

根據(jù)表1和表2繪制井槽數(shù)與井場(chǎng)尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系模版圖，如圖2所示。從圖中容易得出：對(duì)于單排井槽單鉆機(jī)作業(yè)的井場(chǎng)，井場(chǎng)最小寬度均為90 m，當(dāng)井槽數(shù)小于5時(shí)，井場(chǎng)最小長(zhǎng)度取90 m；反之，根據(jù)公式(2)計(jì)算。對(duì)于雙排井槽單鉆機(jī)作業(yè)的井場(chǎng)，井場(chǎng)最小寬度均為90 m，當(dāng)井槽數(shù)小于9時(shí)，井場(chǎng)最小長(zhǎng)度取90 m；反之，根據(jù)公式(2)計(jì)算。對(duì)于雙排井槽雙鉆機(jī)作業(yè)的井場(chǎng)，井場(chǎng)最小寬度均為100 m，當(dāng)井槽數(shù)小于4時(shí)，井場(chǎng)最小長(zhǎng)度取90 m；反之，根據(jù)公式(2)計(jì)算。

表1 采用ZJ30鉆機(jī)的井場(chǎng)不同井槽數(shù)對(duì)應(yīng)的最小有效井場(chǎng)尺寸Table 1 Minimum effective dimension of well site drilled with ZJ30 drilling rig corresponding to different number of wells

表2 采用ZJ30鉆機(jī)的井場(chǎng)不同井槽數(shù)對(duì)應(yīng)的最小實(shí)際井場(chǎng)尺寸Table 2 Minimum actual dimension of well site drilled with ZJ30 drilling rig corresponding to different number of wells

根據(jù)上述分析，采用ZJ30鉆機(jī)的井場(chǎng)在3種情況下不同井槽數(shù)對(duì)應(yīng)的井場(chǎng)實(shí)際面積如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)井槽數(shù)大于5時(shí)，采用單排井槽的井場(chǎng)面積開始大于采用雙排井槽的井場(chǎng)面積。因此，在井槽數(shù)大于5時(shí)，建議井場(chǎng)采用雙排井槽布置。

圖2 采用ZJ30鉆機(jī)的井場(chǎng)在3種情況下不同井槽數(shù)對(duì)應(yīng)的井場(chǎng)尺寸Fig.2 Minimum actual dimension of well site drilled with ZJ30 drilling rig corresponding to different number of wells in three cases

圖3 采用ZJ30鉆機(jī)的井場(chǎng)在3種情況下不同井槽數(shù)對(duì)應(yīng)的井場(chǎng)實(shí)際面積Fig.3 Minimum actual area of well site drilled with ZJ30 drilling rig corresponding to different number of wells in three cases

2.2 壓裂作業(yè)時(shí)鉆機(jī)不撤離井場(chǎng)

壓裂作業(yè)時(shí)鉆機(jī)不撤離井場(chǎng)，壓裂結(jié)束后可以直接恢復(fù)鉆井作業(yè)，節(jié)省了鉆機(jī)動(dòng)復(fù)員的時(shí)間與成本，但需要研究對(duì)井場(chǎng)尺寸的影響。基于壓裂作業(yè)時(shí)鉆機(jī)撤離井場(chǎng)條件下的井場(chǎng)尺寸要求，根據(jù)壓裂設(shè)施的組成及布置，可確定壓裂作業(yè)時(shí)鉆機(jī)不撤離井場(chǎng)工況下的井場(chǎng)尺寸要求。

2.2.1 井場(chǎng)可利用區(qū)域分析

常規(guī)井場(chǎng)布置中，井場(chǎng)后方一般為動(dòng)力區(qū)域，右側(cè)一般為泥漿循環(huán)區(qū)域，井場(chǎng)入口旁邊和井場(chǎng)右前方一般為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)用房區(qū)域，這些區(qū)域之間存在大量線纜連接，一般在初次安裝完成后，作業(yè)過程中推薦保持位置不變；因此，井場(chǎng)中可以利用的區(qū)域通常只有管堆場(chǎng)前方以及井場(chǎng)左側(cè)區(qū)域，如圖4所示。

圖4 井場(chǎng)可利用區(qū)域分析Fig.4 Available area analysis in well site

2.2.2 壓裂設(shè)施布置分析

圖5 壓裂設(shè)施布局Fig.5 Fracturing facilities layout

2.2.3 井場(chǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)井場(chǎng)可利用區(qū)域的分析結(jié)果以及壓裂設(shè)施布局的優(yōu)化方案，基于壓裂作業(yè)時(shí)鉆機(jī)撤離井場(chǎng)的井場(chǎng)尺寸要求，可分別通過只擴(kuò)展井場(chǎng)長(zhǎng)度或只擴(kuò)展井場(chǎng)寬度的方式實(shí)現(xiàn)壓裂作業(yè)時(shí)鉆機(jī)不撤離井場(chǎng)的井場(chǎng)尺寸要求。具體的擴(kuò)邊方案見表3，其中ΔL表示只擴(kuò)展井場(chǎng)長(zhǎng)度，ΔW表示只擴(kuò)展井場(chǎng)寬度。

表3 井場(chǎng)擴(kuò)邊方案Table 3 Well site expansion solutions

圖6 不同擴(kuò)邊方案對(duì)應(yīng)的井場(chǎng)實(shí)際面積與井槽數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between the actual area of the well site and the number of well slots corresponding to different expansion solutions

根據(jù)不同的擴(kuò)邊方案，并基于壓裂作業(yè)時(shí)鉆機(jī)撤離井場(chǎng)的井場(chǎng)尺寸要求，可以得出采用ZJ30鉆機(jī)作業(yè)時(shí)，壓裂設(shè)施和鉆機(jī)同時(shí)在井場(chǎng)的條件下，不同井槽數(shù)對(duì)應(yīng)的井場(chǎng)面積要求，如圖6所示。從圖中可以看出，為滿足壓裂時(shí)鉆機(jī)不撤離井場(chǎng)，對(duì)于單排井槽單鉆機(jī)作業(yè)的井場(chǎng)，可以通過利用實(shí)際井場(chǎng)寬度與有效井場(chǎng)寬度的差值，不需要擴(kuò)邊。對(duì)于雙排井槽單鉆機(jī)作業(yè)的井場(chǎng)，當(dāng)井槽數(shù)小于10時(shí)，推薦擴(kuò)展井場(chǎng)長(zhǎng)度；反之，推薦擴(kuò)展井場(chǎng)寬度。對(duì)于雙排井槽雙鉆機(jī)作業(yè)的井場(chǎng)，當(dāng)井槽數(shù)為3時(shí)，推薦擴(kuò)展井場(chǎng)長(zhǎng)度；當(dāng)井槽數(shù)在4～10之間時(shí)，推薦擴(kuò)展井場(chǎng)寬度；當(dāng)井槽數(shù)大于10時(shí)，推薦擴(kuò)展井場(chǎng)長(zhǎng)度。另外，在壓裂作業(yè)時(shí)要求鉆機(jī)不撤離井場(chǎng)的條件下，當(dāng)井槽數(shù)大于9時(shí)，推薦井場(chǎng)采用雙排井槽布置。

3 結(jié)論

(1)臨興地區(qū)采用ZJ30鉆機(jī)作業(yè)的非常規(guī)氣田井場(chǎng)，壓裂作業(yè)時(shí)鉆機(jī)撤離井場(chǎng)條件下，單排井槽單鉆機(jī)作業(yè)和雙排井槽單鉆機(jī)作業(yè)的井場(chǎng)最小寬度均為90 m，雙排井槽雙鉆機(jī)作業(yè)的井場(chǎng)最小寬度為100 m；3種情況下的井場(chǎng)最小長(zhǎng)度值需綜合考慮公式(2)的計(jì)算結(jié)果和ZJ30鉆機(jī)要求的最小井場(chǎng)長(zhǎng)度，并取其中的較大值，具體可參考圖2。

(2)臨興地區(qū)采用ZJ30鉆機(jī)作業(yè)的非常規(guī)氣田井場(chǎng)，壓裂作業(yè)時(shí)鉆機(jī)不撤離井場(chǎng)條件下的井場(chǎng)擴(kuò)邊方案：?jiǎn)闻啪蹎毋@機(jī)作業(yè)的井場(chǎng)不需擴(kuò)邊。雙排井槽單鉆機(jī)作業(yè)的井場(chǎng)，井槽數(shù)小于10時(shí)，推薦擴(kuò)展長(zhǎng)邊；反之，推薦擴(kuò)展寬邊。雙排井槽雙鉆機(jī)作業(yè)的井場(chǎng)，井槽數(shù)為3時(shí)，推薦擴(kuò)展長(zhǎng)邊；井槽數(shù)在4～10之間，推薦擴(kuò)展寬邊；井槽數(shù)大于10時(shí)，推薦擴(kuò)展長(zhǎng)邊。

(3)對(duì)于采用ZJ30鉆機(jī)作業(yè)的井場(chǎng)是否推薦雙排井槽布置存在一個(gè)臨界井槽數(shù)：當(dāng)壓裂作業(yè)時(shí)鉆機(jī)撤離井場(chǎng)，臨界井槽數(shù)為5；反之，臨界井槽數(shù)為9。