臨興地區非常規氣田井場尺寸設計研究

鄭清華，鄭 健，楊向前，周 超.

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

近年來，隨著常規油氣資源的快速消耗及開發難度的增加，非常規油氣資源的勘探開發呈現出快速上升的趨勢[1]。臨興地區位于資源潛力較大的鄂爾多斯盆地東緣，勘探結果顯示，該區塊具有良好的非常規油氣勘探前景[2-3]。臨興地區屬于黃土塬地貌，地勢起伏較大，給井場的選址帶來了極大的挑戰；同時，隨著環保要求不斷提高，征地難度越來越大，根據實際地理環境和作業要求，合理優化井場布置，盡量減小井場尺寸，降低井場建設成本變得十分重要。

決定井場尺寸的影響因素較多，如鉆機型號、井槽數、井槽間距、井槽排列形式、施工作業要求等。其中井槽排列形式主要分單排井槽和雙排井槽；施工作業要求主要基于作業效率的考慮，包括單鉆機作業、雙鉆機作業、壓裂作業時鉆機是否需要撤離井場。本文將對兩種井槽排列形式下不同作業要求的各種組合形式的井場設計進行研究，得出相應的最小所需井場尺寸。

1 井場尺寸設計影響因素研究

1.1 鉆機型號選擇

鉆機的型號決定了鉆機的設備配置，鉆機的設備配置直接影響井場的布置及尺寸設計。鉆機的型號需要根據所在井場所有作業中所需要的最大鉤載要求確定。鉆機的最大鉤載應滿足：

Q≥1.2×F+500

(1)

式中Q——鉆機最大鉤載，kN；

F——所有作業中需要鉆機提升的最大管柱重量，kN。

根據臨興地區氣藏靶點和井身結構設計，該地區的井在所有作業過程中需要鉆機提升的最大管柱重量不超過900 kN。根據公式(1)得出所需鉆機的最大鉤載不小于1 580 kN即可滿足作業要求。根據鉤載要求及鉆機型號序列，選擇ZJ30鉆機進行該區域的鉆井作業[4]。

1.2 井槽間距及井排間距設計

井槽間距和井排間距是影響井場尺寸設計的重要因素，井槽間距是指單排井槽中相鄰兩井槽中心的距離；井排間距是指井場中有多排井槽時，相鄰井排間最近的兩個井槽中心的距離，如圖1所示。根據測井數據分析，臨興地區的地層壓力屬于正常壓力系統，氣藏不含硫，因此井槽間距按5 m設計；單鉆機作業時，井排間距按20 m設計[5]；雙鉆機同時作業時，井排間距按30 m設計[6]。

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

1.3 井槽布置及最小井場尺寸設計

井槽的布置除了需要考慮井槽間距和井排間距外，還需要滿足與井場各邊線的距離要求。對于ZJ30鉆機對應的井場，第一口井與井場始邊端線的距離不小于40 m，最后一口井與井場終邊端線的距離不小于30 m，各井口與井場左邊緣線的距離不小于30 m，各井口與井場右邊緣線的距離不小于35 m[6]。井場邊線的定義對應井場方向的定義，即以井口為中點沿井場邊線方向作兩條相互垂直的基準線，井架大門所在基準線一側區域為前，站在井架大門前，面對大門，基準線左側區域為左，基準線右側區域為右[7]。

根據井槽在井場中的位置要求，以及井場中設計井槽的數量、井槽間距、井排間距即可計算出鉆井施工作業所需要的最小有效井場尺寸。但在確定實際的最小井場尺寸時，還需要考慮不同型號鉆機起放井架等作業對井場尺寸的要求。對于ZJ30鉆機，考慮鉆機起放井架等作業，要求井場長度不小于90 m，井場寬度不小于90 m[7]。

1.4 與井場尺寸設計相關的其他因素

與井場尺寸設計相關的其他因素主要有[8-17]：(1)井場的值班房、發電房、庫房、化驗室等井場工作房，以及油罐區、天然氣儲存處理裝置，距井口應不小于30 m。(2)發電房與油罐區、天然氣儲存處理裝置相距應不小于20 m。(3)鍋爐房距井口應不小于50 m。(4)井控裝置的遠程控制臺應安裝在井架大門左側前方、距井口不小于25 m的專用活動房內，并在周圍保持2 m以上的行人通道，周圍10 m內不得堆放易燃、易爆、腐蝕物品。(5)放噴管線出口距井口應不小于75 m。(6)在草原、葦塘、林區鉆井時，井場周圍應有防火墻或隔離帶，寬度應不小于20 m。

2 不同作業組合形式下的井場尺寸設計

按照壓裂作業時鉆機是否撤離井場分兩大類工

況對井場的設計尺寸進行研究，每一類工況又分為單排井槽單鉆機作業、雙排井槽單鉆機作業和雙排井槽雙鉆機作業3種情況進行分析。

2.1 壓裂作業時鉆機撤離井場

由于壓裂設施比鉆機設施占地面積小，壓裂作業時，如果鉆機撤離井場，在進行井場設計時就不需要再額外考慮壓裂設施的布置。因此，可以根據上述井場尺寸設計的影響因素直接計算出井場的有效長度和有效寬度，具體可用如下公式：

L=L1+L2+(n-1)·δ1

(2)

式中L——井場長度，m；

L1——第一口井與井場始邊端線的距離，m；

L2——最后一口井與井場終邊端線的距離，m；

n——井場長度方向單排井的最大井槽數；

δ1——井槽間距，m。

W=W1+W2+δ2

(3)

式中W——井場寬度，m；

W1——井口與井場左邊緣線的距離，m；

W2——井口與井場右邊緣線的距離，m；

δ2——井排間距，m。

采用雙鉆機同時作業，鉆機的排列方式不同將影響井場的尺寸。如果兩鉆機平行排列施工，在作業過程中，兩部鉆機將一直保持肩并肩狀態；如果其中一部鉆機出現井控事故，因鉆機距離較近，很容易蔓延到另一部鉆機。因此，為提高作業的安全性，推薦采用兩部鉆機相向排列施工的模式。

基于以上分析，根據公式(2)和公式(3)，可以計算出3種情況下采用ZJ30鉆機的井場在不同井槽數時對應的最小有效井場尺寸，見表1。在表1計算結果的基礎上，考慮ZJ30鉆機起放井架等作業對井場尺寸的要求，得到不同井槽數對應的最小實際井場尺寸，見表2。

根據表1和表2繪制井槽數與井場尺寸的對應關系模版圖，如圖2所示。從圖中容易得出：對于單排井槽單鉆機作業的井場，井場最小寬度均為90 m，當井槽數小于5時，井場最小長度取90 m；反之，根據公式(2)計算。對于雙排井槽單鉆機作業的井場，井場最小寬度均為90 m，當井槽數小于9時，井場最小長度取90 m；反之，根據公式(2)計算。對于雙排井槽雙鉆機作業的井場，井場最小寬度均為100 m，當井槽數小于4時，井場最小長度取90 m；反之，根據公式(2)計算。

表1 采用ZJ30鉆機的井場不同井槽數對應的最小有效井場尺寸Table 1 Minimum effective dimension of well site drilled with ZJ30 drilling rig corresponding to different number of wells

表2 采用ZJ30鉆機的井場不同井槽數對應的最小實際井場尺寸Table 2 Minimum actual dimension of well site drilled with ZJ30 drilling rig corresponding to different number of wells

根據上述分析，采用ZJ30鉆機的井場在3種情況下不同井槽數對應的井場實際面積如圖3所示。從圖中可以看出，當井槽數大于5時，采用單排井槽的井場面積開始大于采用雙排井槽的井場面積。因此，在井槽數大于5時，建議井場采用雙排井槽布置。

圖2 采用ZJ30鉆機的井場在3種情況下不同井槽數對應的井場尺寸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鉆機的井場在3種情況下不同井槽數對應的井場實際面積Fig.3 Minimum actual area of well site drilled with ZJ30 drilling rig corresponding to different number of wells in three cases

2.2 壓裂作業時鉆機不撤離井場

壓裂作業時鉆機不撤離井場，壓裂結束后可以直接恢復鉆井作業，節省了鉆機動復員的時間與成本，但需要研究對井場尺寸的影響。基于壓裂作業時鉆機撤離井場條件下的井場尺寸要求，根據壓裂設施的組成及布置，可確定壓裂作業時鉆機不撤離井場工況下的井場尺寸要求。

2.2.1 井場可利用區域分析

常規井場布置中，井場后方一般為動力區域，右側一般為泥漿循環區域，井場入口旁邊和井場右前方一般為現場作業用房區域，這些區域之間存在大量線纜連接，一般在初次安裝完成后，作業過程中推薦保持位置不變；因此，井場中可以利用的區域通常只有管堆場前方以及井場左側區域，如圖4所示。

圖4 井場可利用區域分析Fig.4 Available area analysis in well site

2.2.2 壓裂設施布置分析

圖5 壓裂設施布局Fig.5 Fracturing facilities layout

2.2.3 井場設計

根據井場可利用區域的分析結果以及壓裂設施布局的優化方案，基于壓裂作業時鉆機撤離井場的井場尺寸要求，可分別通過只擴展井場長度或只擴展井場寬度的方式實現壓裂作業時鉆機不撤離井場的井場尺寸要求。具體的擴邊方案見表3，其中ΔL表示只擴展井場長度，ΔW表示只擴展井場寬度。

表3 井場擴邊方案Table 3 Well site expansion solutions

圖6 不同擴邊方案對應的井場實際面積與井槽數的關系Fig.6 Relationship between the actual area of the well site and the number of well slots corresponding to different expansion solutions

根據不同的擴邊方案，并基于壓裂作業時鉆機撤離井場的井場尺寸要求，可以得出采用ZJ30鉆機作業時，壓裂設施和鉆機同時在井場的條件下，不同井槽數對應的井場面積要求，如圖6所示。從圖中可以看出，為滿足壓裂時鉆機不撤離井場，對于單排井槽單鉆機作業的井場，可以通過利用實際井場寬度與有效井場寬度的差值，不需要擴邊。對于雙排井槽單鉆機作業的井場，當井槽數小于10時，推薦擴展井場長度；反之，推薦擴展井場寬度。對于雙排井槽雙鉆機作業的井場，當井槽數為3時，推薦擴展井場長度；當井槽數在4～10之間時，推薦擴展井場寬度；當井槽數大于10時，推薦擴展井場長度。另外，在壓裂作業時要求鉆機不撤離井場的條件下，當井槽數大于9時，推薦井場采用雙排井槽布置。

3 結論

(1)臨興地區采用ZJ30鉆機作業的非常規氣田井場，壓裂作業時鉆機撤離井場條件下，單排井槽單鉆機作業和雙排井槽單鉆機作業的井場最小寬度均為90 m，雙排井槽雙鉆機作業的井場最小寬度為100 m；3種情況下的井場最小長度值需綜合考慮公式(2)的計算結果和ZJ30鉆機要求的最小井場長度，并取其中的較大值，具體可參考圖2。

(2)臨興地區采用ZJ30鉆機作業的非常規氣田井場，壓裂作業時鉆機不撤離井場條件下的井場擴邊方案：單排井槽單鉆機作業的井場不需擴邊。雙排井槽單鉆機作業的井場，井槽數小于10時，推薦擴展長邊；反之，推薦擴展寬邊。雙排井槽雙鉆機作業的井場，井槽數為3時，推薦擴展長邊；井槽數在4～10之間，推薦擴展寬邊；井槽數大于10時，推薦擴展長邊。

(3)對于采用ZJ30鉆機作業的井場是否推薦雙排井槽布置存在一個臨界井槽數：當壓裂作業時鉆機撤離井場，臨界井槽數為5；反之，臨界井槽數為9。