致密油水平井體積壓裂工廠化作業模式研究

許冬進，廖銳全，石善志，承 寧，李建民

(1.教育部油氣資源與勘探技術重點實驗室 長江大學，湖北 荊州 434023;2.中油采油采氣重點實驗室長江大學分室，湖北 荊州 434023;3.中油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

1 致密油概述

隨著全世界能源需求的急劇增加，非常規油氣資源越來越受到重視［1－2］。近年來，隨著非常規連續型油氣聚集理論的發展和致密儲層中納米孔喉體系的重大發現，為非常規致密巖油氣的快速發展提供了科學依據，同時也為非常規油氣資源的勘探和開發奠定了十分重要的理論基礎。致密油是非常規油氣資源中比較重要的部分，也是未來油氣資源上產的重要接替資源。因此，致密油的研究和開發近年來受到廣泛關注［3－4］。2000年，美國威利斯頓盆地巴肯致密油開發取得突破后，日產量達到7000 t/d。8 a后，借鑒致密氣開發的思路和技術，巴肯致密油實現規模開發，并成為當年全球十大發現之一，致密油也因此被西方媒體譽為“黑金”。

水平井鉆井技術、大規模壓裂技術和壓裂微地震實時監測診斷三大關鍵技術，是致密油氣近年來快速發展的技術背景。由于技術進步和壓裂設備的不斷更新，水平井壓裂技術也從分段壓裂、多級分段壓裂發展到大規模分段多簇的體積壓裂，“工廠化”作業技術已經成為中外致密油氣低成本開發的有效模式［5］。致密油體積壓裂工廠化作業模式實現了致密油低成本高效開發“技術可采”與“經濟可采”的統一。

2 體積壓裂方式

2.1 體積壓裂定義

體積壓裂，也稱SRV(Stimulated Reservoir Volume)技術，通過水力壓裂對儲層實施改造，使天然裂縫不斷擴張和脆性巖石產生剪切滑移，實現對天然裂縫和巖石層理的溝通，同時在主裂縫的側向上強制形成次生裂縫，最后形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網絡，從而將有效儲層打碎，實現長、寬、高三維方向的全面改造，增大滲流面積及導流能力，提高初始產量和最終采收率［6］。

體積壓裂技術的實施以北美地區特別是美國的Barnett頁巖的有效開發最具代表性［7］，其儲層改造的主體技術為水平井分段多簇體積壓裂。與常規壓裂相比，體積壓裂技術特點主要體現在大液量、大排量、大砂量、小粒徑和低砂比［6］。

2.2 體積壓裂工藝技術

致密油一般采用水平井多段壓裂后投入開發，要求完井工程不僅要為實現水平井分段壓裂提供高質量的井筒條件，還要兼顧長期開采過程中的生產措施及油井維護需求。

國內外致密油開發完井方式主要有固井完井和裸眼完井2種，隨著分段壓裂技術的不斷進步，這2種完井方式在國內外水平井完井及改造中都得到了廣泛應用［8］。根據管外及管內壓裂段隔離及井筒與地層溝通方式的差異，派生出多種壓裂完井方式(表1)。其中，固井+速鉆橋塞與裸眼封隔器+分壓滑套是應用最廣泛、技術最成熟的2種方式(圖 1、2)。

表1 致密油水平井完井方式對比

圖1 固井+速鉆橋塞分段壓裂管柱示意圖

圖2 裸眼管外封隔器+滑套分段壓裂管柱示意圖

3 體積壓裂“工廠化”模式

3.1 “工廠化”模式

“工廠化”模式是指應用系統工程的思想和方法，集中配置人力、物力、投資、組織等要素，以現代科學技術、信息技術和管理手段，用于傳統石油開發施工和生產作業。美國致密砂巖氣、頁巖氣開發，英國北海油田、墨西哥灣和巴西深海油田，都采用“工廠化”作業的方式［9－10］。

“工廠化”作業為非常規油氣實現有效開發提供了高效運行模式。根據國外開發經驗［10］，一般現場實施有2種方式:一種是2套壓裂車組同時壓裂，稱為同步壓裂(Synchronous Fracturing);另一種是2口井、1套壓裂車組，配合射孔、下橋塞等作業，交互施工、逐段壓裂，稱為交叉壓裂(Zipper Fracturing，又稱拉鏈式壓裂)。為了監測壓裂裂縫擴展形態，一般選擇第3口井作為微地震監測井。這2種方法的顯著優點是可以促使水力裂縫在擴展過程中相互作用，產生更復雜的縫網，增加改造體積，可大幅度提高初始產量和最終采收率，同時減少作業時間和設備動遷次數，降低施工成本;一般平均產量比單獨壓裂可類比井提高21%～55%，成本降低 50%以上［11］。

3.2 “工廠化”壓裂系統組成

“工廠化”壓裂作業為非常規油氣實現有效開發提供了高效生產作業模式。工廠化作業的本質，主要體現在批量布井、標準井場建設、壓裂流水作業、壓裂液重復利用和少井高產5個方面。致密油工廠化壓裂，包括以下幾大系統:連續泵注系統、連續供砂系統、連續配液系統、連續供水系統、工具下入系統、后勤保障系統等［12－13］。

“工廠化”壓裂作業通過科學集中布井，一方面減少壓裂作業時間和壓裂設備動遷次數，降低壓裂改造成本;另一方面，通過集中布井壓裂改造，促使平臺各井壓裂水力裂縫在擴展過程中相互作用，產生更復雜的縫網，增加改造體積，大幅度提高初始產量和最終采收率。實踐表明，在同等壓裂規模下，此種作業模式極大提高了設備利用率，節省了大量施工等待時間，推動了水平井數量快速增加與規模應用，最大程度地提高了綜合效益。其優勢主要體現在:①減少土地占用(井場、道路)的同時，便于大量大型施工設備擺放;②減少設備拆裝、搬遷，減少消耗(燃料、道路維護);③通過材料重復利用及設備(施)共用降低成本;④為交錯壓裂、同步壓裂等不同壓裂方式提供條件，利用壓裂液注入對就地應力場的影響，增加裂縫網絡復雜性，實現體積壓裂;⑤便于產出液集中處理和再利用;⑥便于生產管理和資料采集。

3.3 “工廠化”壓裂作業流程

圖3 北美地區工廠化壓裂流程

“工廠化”壓裂作業流程主要包括以下幾個方面(圖3):①工具下入系統按照壓裂設計實施井口的壓裂作業輔助施工，做好壓裂準備;②連續供水系統把合格的壓裂用水從水源地連續輸送到連續配液系統;③連續配液系統使用連續供水系統從水源地輸送的來水連續配置壓裂液;④連續供砂系統把支撐劑連續輸送到連續泵注系統的混砂車攪籠中;⑤連續泵注系統把連續配液系統配置的壓裂液和連續供砂系統輸送的支撐劑按照壓裂設計進行混合，并將混砂液連續泵入地層。

4 “工廠化”作業模式應用

4.1 國外“工廠化”作業模式應用

“工廠化”作業模式能夠有效提高效率、降低成本。因地理環境、地質條件及不同時期鉆完井技術水平等條件差異，“工廠化”壓裂作業有多種形式［13－15］。

一種是以美國Piceance盆地和Green River盆地為代表的頁巖氣與致密砂巖氣“工廠化”作業，也稱作“壓裂基地”模式(圖4)。該模式既可對位于同一平臺的水平井叢進行集中壓裂，也可建立獨立的壓裂平臺，利用長距離地面高壓管線對一定距離范圍內的平臺井或單井進行“遠程”壓裂施工。由于避免了多次拆裝和搬遷設備、材料等，同時實現了產出液集中處理與回收利用，極大地提高了效率，降低了成本。

圖4 Green River盆地(左)與Piceance盆地(右)遠程壓裂示意圖

Green River盆地利用中心壓裂平臺對其周圍單井或多井平臺的40口井完成了400段壓裂，地面高壓壓裂管線最大長度達2000 m以上。

另一種是加拿大Horn River頁巖氣開發所采用的“工廠化”作業模式［17］。Horn River頁巖氣每個鉆井平臺約有8～16口井，平均每井壓裂20～25段，每個平臺潛在壓裂段數在300段以上，每段壓裂平均耗時5～6 h，由于壓裂設備不需要重新拆卸、組裝和移動(圖5)，節省了大量時間，可完成全天候施工，每天可壓裂3段，一般需要20部2250HP泵車，排量達到14～16 m3/min，壓力45～69 MPa。

4.2 國內致密油“工廠化”作業模式

在中國××油田致密油采用“工廠化”壓裂模式進行開發，降低了設備的搬遷成本，從而提高了壓裂效率。根據井口的位置關系，設計6口井平臺壓裂井場布局如圖6所示。單個平臺寬(2平臺連線方向)190 m，長180 m。在“工廠化”鉆井完成后，設計部署2組壓裂裝置，以滿足“工廠化”壓裂地面連續供液、連續混配、連續輸砂、大排量泵注壓裂車組的設備擺放需求。所有高壓注入管匯及外排系統都在施工前完成連接，通過旋塞閥等注入控制系統可快速實現施工井切換，在某一段壓裂出現砂堵等意外情況時，可快速實施放噴及其他處理措施，壓裂車組同時可快速切換至另一口井進行壓裂作業。排采流程具有壓后快速返排、連續排液及準確計量功能。

圖5 ENCANA公司Horn River 63－K平臺工廠化作業現場

針對2個壓裂平臺的2套壓裂裝置，需配備2套供水系統，每套系統供水能力大于8 m3/min。同時為滿足現場2組車同時施工需要，現場作業需要2套連續配液設備，單套參數如下:工作排量不小于8.0 m3/min，瞬時最大流量達到10 m3/min，配液濃度達到0.3% ～0.6%(粉水質量比)。在壓裂過程中，設計每段加砂量為80～100 m3，單車組單井日施工2段。根據設計要求確定壓裂設備及參數為:2套連續供砂設備(與2套壓裂車組匹配)，每組供砂能力大于200 m3/d，單套設備容積大于100 m3，最大上砂及輸砂能力大于5000 kg/min。

施工發現，在采用常規壓裂作業模式進行分段壓裂時，最高作業效率為1.5段/d，而在采用“工廠化”壓裂作業模式后，在純作業時間24 d內壓裂了62段，作業效率為2.5段/d;如果排除初期壓裂設備和人員等的磨合時間，在設備車組正常運轉的情況下，作業效率高達3.2段/d，從而大大提高了壓裂效率，降低了生產作業時間。

4.3 “工廠化”作業模式適應性分析

致密油勘探開發必須采取低成本的原則，在世界范圍內特別是北美地區憑借先進的水平井技術、分段壓裂技術、裂縫微地震監測技術以及“工廠化”作業模式實現了技術、資源和人工的優化配置，最大程度地降低了開發成本，實現了致密油經濟有效的開發，開創了非常規能源開發的“北美模式”［13］。中國致密油儲量豐富，分布范圍廣(主要有鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、松遼盆地和四川盆地等)。目前中國已經在以上區域建立了多個致密油工業化勘探開發試驗區，取得了一些致密油技術開發和管理方面的經驗。表2是中國與北美致密油地質背景和開發條件的對比。

從表2可以看出，中國與北美致密油在很多方面有很大的不同，不能簡單的對北美“工廠化”作業模式完全照搬。為了更好地促進中國致密油資源的高效開發，“工廠化”體積壓裂模式需要在以下方面有所突破和創新。

(1)水資源的高效利用。中國是一個水資源相對貧乏的國家，特別是在中國的西北地區，而這些地域又恰好是中國致密油資源的密集區。致密油體積壓裂需要大量的水資源，單段液量高達1000 m3以上，單井需要液量通常在1.5×104m3以上，這就需要對水資源進行合理的配置，對壓裂返排液進行高效重復利用，同時加強污水處理等環保措施。

(2)開發方案設計模式的改變。傳統的常規油藏的勘探開發方案，一般都是油藏地質設計—鉆井地質、工程設計—壓裂完井—試油投產的單向接力式設計模式，而致密油等非常規能源的設計從一開始就需要油藏、鉆井、壓裂、返排、試油各個環節相互協調，各個專業之間需要不斷交叉優化的環形設計模式。

(3)作業模式和管理模式的改變。為了提高單井經濟可采儲量，降低開發成本，將鉆井、壓裂、試氣等作業程序按照“流程化、批量化、標準化”的方式從組織模式、資源配置、流程設計、技術支撐、作業管理等多方面進行革新，集中現有資源和技術優勢實現模塊化組織、程序化控制和流程化作業。

圖6 ××油田致密油體積壓裂井場布置示意圖

表2 中國與北美致密油地質背景和開發條件對比

5 結論

(1)水平井鉆井技術、大規模壓裂技術和壓裂微地震實時監測診斷三大關鍵技術，是致密油氣近年來快速發展的技術背景。由于技術進步和壓裂設備的不斷更新，水平井壓裂技術也從分段壓裂、多級分段壓裂發展到大規模分段多簇的體積壓裂，“工廠化”作業技術已經成為中外致密油氣低成本開發的模式。

(2)致密油開發完井方式主要有固井完井和裸眼完井2種，隨著分段壓裂技術的不斷進步，水平段裸眼完井和注水泥固井2種完井方式在國內外水平井完井及改造中得到了廣泛應用。

(3)體積壓裂與傳統壓裂的區別很大。采用常規單井壓裂模式，不僅施工井數多，且加砂量、壓裂液用量巨大，成本高。而采用“工廠化”壓裂作業模式，不僅可以充分發揮連續供水系統的作用，而且可以對壓裂液進行重復利用，既降低了水資源的使用量，又減少了壓裂污水的處理量，且降低了生產成本。

(4)體積壓裂“工廠化”的優勢是快速與高效?！肮S化”壓裂作業是高層次的標準化作業，其對施工設備的要求較高。在“工廠化”壓裂施工過程中，壓裂的地面連續供液、連續混配、連續輸砂、大排量泵注壓裂車組的設備擺放需要適應“工廠化”壓裂作業的施工要求，以此來實現“工廠化”壓裂作業的流水線生產作業。

(5)人員的有效管理和高效配置是體積壓裂“工廠化”模式的保障依據。由于采用“工廠化”壓裂作業模式，不僅縮短了致密油開發壓裂周期，而且降低了生產成本，提高了工作效率，對于致密油的高效生產開發具有重要意義。

(6)通過對國內外“工廠化”壓裂作業模式研究發現，在同等壓裂規模下，與常規單井壓裂模式相比，采用“工廠化”壓裂作業模式作業效率可提高21% ～55%，成本降低50% 以上。因此，“工廠化”壓裂作業模式對推動致密油高效開發具有重要作用。

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