新型“井工廠”技術開發頁巖氣優勢探討

姚健歡 姚 猛,2 趙 超 劉 娟 彭 攀,4 左文永

1.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；

2.中國石油天然氣管道局國際事業部，河北 廊坊 065000；

3.中國石油大學提高采收率研究院，北京 102249；

4.中海石油深圳分公司研究院，廣東 廣州 510240

0 前言

頁巖氣儲層具有特殊的生儲蓋一體條件以及低孔低滲物性特征。 我國頁巖氣勘探開發處于初期探索階段，投入成本高，開發難度大，經濟效益低，單井產能小，因此探索適合中國頁巖氣發展的開發技術勢在必行［1］。從國內外應用效果來看，頁巖氣“井工廠”技術模式勢必將成為我國頁巖氣商業開發的關鍵技術［2］。 本文介紹了“井工廠”技術模式的開發特征及特點，概述了現階段我國非常規油氣應用“井工廠”開發模式取得的成果，在此基礎上闡述了該技術的優勢，對非常規頁巖氣資源的開發具有借鑒意義和推動作用。

1 “井工廠”技術及開發特征

“井工廠”技術起源于北美，首先由加拿大能源公司EnCana 提出并將其作為一種開發模式，其主要借鑒了美國機器生產流水作業最初主要用于非常規油氣資源開發的思路。21 世紀美國“頁巖氣革命”經歷了常規開發模式到叢式“井工廠”技術的轉變，該技術已被推廣到致密油氣等非常規能源的開發。

“井工廠”技術主要包括：布井、施工、資源、管理、環境五大方面，具有批量化、流程化、標準化、自動化、效益最大化等優點。 “井工廠”以系統工程為理論基礎，集中配備人力、物力、施工用料、地面設施等生產要素，將工廠化管理手段、方式和理念應用到常規、非常規能源的勘探開發過程中，實現資源合理配置。具體而言，工廠化鉆井即在充分考慮地理條件、降低鉆井施工和井眼控制難度情況下，集中在單個井場實現井組的鉆探及后續作業。 在高度觸及目標區域前提下，利用高水平井間防碰技術， 根據油氣藏分布設計井眼軌跡及三維水平軌跡，用高造斜旋轉導向技術精確控制鉆進方向，增加垂直段長度，使井筒較早觸及目標增大接觸面積。鉆井過程中，利用可移動式鉆機進行一開，鉆固完井組后短距離移動依次進行二開、三開，實現批量化鉆完井。由于井口位置較常規井組集中，施工設備等無需移動，在井場內部實現同步大規模水力壓裂頁巖儲層，采用裂縫監測技術監測裂縫延伸和發展情況，與此同時鉆井液、壓裂液實現循環回收利用，最后統一進行生產規劃管理。 Marcellus 頁巖氣盆地多階段“井工廠”技術三維示意圖見圖1［3］。

圖1 Marcellus 頁巖氣盆地多階段“井工廠” 技術三維示意圖

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

2 國內外“井工廠”技術應用探索現狀

國外頁巖氣開發井型經歷了直井、水平井、叢式“井工廠”的蛻變過程，“井工廠”技術已較為成熟，實現了頁巖氣區塊集合式布井、集中作業、共同生產、統一管理和遠程控制；形成了多道作業工序無間隔實施、針對不同儲層特點的多樣壓裂形式［4-6］。 相關配套技術（如鉆井液增產技術）為“井工廠”技術發展提供便利條件，滑溜水壓裂液增產技術現場操作示意圖見圖2；遠程FDC 技術平面展布見圖3， 其真正實現了遠距離控制、 自動化鉆進、大幅度提高工廠化模式工作效率［7］。 總體上看，國外有高級設備、先進技術支撐，有相關政策鼓勵，應用“井工廠”技術后，其頁巖氣井數目急速上升，達到較好的開發效果。

圖2 滑溜水壓裂液增產技術現場操作示意圖

圖3 遠程FDC 技術平面展布

國內中國石油、中國石化在“井工廠”實踐和探索領域有一定建樹［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”開發模式進行工廠化作業，實施效果顯著［8-10］。 中國石化大牛地氣田和勝利東辛油區在鹽227 區塊、 江漢油田也通過工廠化模式改善開發效果，獲得較高產量增幅。 鹽227-1 HF 井壓裂現場見圖4。

圖4 鹽227-1 HF 井壓裂現場

在頁巖氣方面， 威遠-長寧頁巖氣示范區實踐探索了“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施“井工廠”交叉式壓裂（見圖5），相比于傳統的單井分別壓裂作業，其提高了近1 倍的工作效率，同時避免了重型設備搬遷和重組，試氣周期大幅度縮減。

圖5 頁巖氣 “井工廠” 交叉式壓裂施工現場

國內學者司光［11］等從工程造價角度提出了適合頁巖氣“工廠化”的計價方法。 2014 年2 月，長城鉆探工程公司撰寫了“井工廠”壓裂標準，強化了“井工廠”壓裂模式操作的規范性。 目前我國“井工廠”在非常規油氣開發領域應用較多，而頁巖氣“井工廠”的實踐應用才剛剛起步，相關工藝技術還不成熟，與國外技術相比具有明顯劣勢［12-13］。 國內“井工廠”配套設備不能適應工廠化作業模式的需求， 沒有真正實現流水線式作業、 遠程化控制。

3 “井工廠”技術優勢及應用

常規鉆井施工作業過程中，每鉆完一口井之后需要“搬家”，不僅工期時間長，動遷費用高，還會增加施工不確定性和安全隱患， 搬遷對當地基礎設施產生一定破壞。 若壓裂液等不及時處理，還會污染水資源和土壤［14］。基于頁巖氣“井工廠”開發模式，以其集約化、系統化、標準化的思想，通過批量化施工、流水線生產、統一式管理能很好地規避上述問題。

3.1 適用性較好

常規油藏通常構造發育，目的層與實際深度相差幾米甚至數十米，因此通常首先鉆勘探井，根據新井資料部署其他井，即鉆井間斷作業。 頁巖氣單井產量低，通過“井工廠” 作業可以高效建產； 且頁巖氣資源分布較穩定，頁巖氣儲層厚度幾十米甚至上百米不等，地質橫向分布較均勻，比常規油藏確定性更強，在很大程度上滿足“井工廠”作業批量化布井的要求。 因此“井工廠”技術開發頁巖氣具有較好的適用性。

3.2 減少占地面積，增大動用儲量

頁巖氣儲層滲透率極低，要想經濟高效開采，需要氣井有較大的動用儲量和滲流面積。 “井工廠”技術是在地表采用叢式方式布井，在集中有限區域內密集批量化鉆井，多條水平井使得井筒與頁巖儲層有較大的滲流面積，儲層內有較大的動用儲量［15］。

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

3.3 縮短鉆井周期，降低鉆井成本

頁巖氣開發投入巨大，鉆井成本直接決定頁巖氣開采經濟效益。 叢式“井工廠”批量化鉆井，其高效率主要表現在采用移動式鉆機批量化作業，批次鉆井減少鉆機移動次數， 移動聯合裝置減少鉆機搬遷的非作業時間，先進鉆機體型小、鉆進快，降低非進尺時間［16-17］。

采用“井工廠”技術后，機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，其平均建井時間降低為47.7 d，相對縮短8.79%；大慶齊平2、平3 井鉆機搬遷及重組時間縮短7 d，設備搬遷及二次安裝時間相對縮短了30%［18］； 鹽227 區塊采用“井工廠”模式后機械鉆速甚至提升3 倍，極大地提高鉆井效率；與此同時降低了對井架設備損壞程度、工人勞動強度，減少了由于再安裝帶來的安全隱患。

3.4 縮短壓裂時間，提高壓裂設備利用率

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

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

3.5 提高資源利用率，節省材料消耗

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、貴州等山區地帶，水資源貧乏加之交通運輸不方便，因而水及材料的供給成為制約頁巖氣開發的重要因素。 “井工廠”技術可循環利用鉆井液、集中回收處理壓裂液，降低水資源消耗，縮短鉆井液配制時間，降低了無害處理成本。 該技術還可節省各種施工材料， 避免長途反復搬遷的材料遺落和重新配備，為一種集約式開發模式［23］。

采用“井工廠”技術，長慶姬塬油田處理再利用液量達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2 000 m3，節省柴油超千噸；川渝地區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區塊運輸難、成本高的矛盾。

3.6 保護環境，安全施工

集中批量流水線作業方式下鉆機和水力壓裂等設備僅需要短距離運輸，減少了車輛尾氣排放，而且避免了各種化學物質長距離的運輸，從而減少了頻繁移動井場帶來的作業隱患、材料遺落、鉆井液配備池后處理等工作， 可相對較長時間維持頁巖氣作業井場秩序和環境。 目前，國家對油田企業形象、生態保持、油田綠色施工等關注日益密切，“井工廠”技術在頁巖氣開發的環保方面有常規開發模式不可比擬的優勢。 路易斯安那州北部使用“井工廠”開發模式后，減少車輛運輸量近83%，降低了由此造成的作業傷害風險66%。

3.7 經濟效益最大化

頁巖氣開發投入巨大且風險高，“井工廠”技術采用工廠化的管理模式，在群式布井、集中施工、流水作業、資源整合、統一管理等各個環節都體現了“井工廠”技術開發頁巖氣的優勢，從而實現經濟效益最大化。

截止2014 年5 月，采用“井工廠”技術，江漢油田新溝非常規試驗井組18 口井建井時間共減少131 d， 節省鉆井成本1 170 萬元；延川南煤層氣區塊單個叢式井組5口井，共節約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下降50 萬美元；鹽227 區塊縮短建產時間達25 個月， 單井費用限制在5 000 萬元以內，節約成本1 750 萬元。

4 結論

a）頁巖氣“井工廠”技術縮短了非作業及作業時間，減小了井場施工面積，提高了設備利用率，降低了投資成本，且減輕了環境污染，對增大頁巖氣單井產量與儲層采收率具有現實意義。

b） 我國的頁巖氣富集區塊大多處于山區與丘陵地帶，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，故應加大力度研究“井工廠”關鍵技術和高端設備。

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

d） 隨著國內頁巖氣勘探開發的火熱進行以及各種施工設備技術的提升，工廠化開發模式備受關注，且已在國內多個試驗區塊成功運用，我國非常規頁巖氣勢必進入“井工廠”開發階段。

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