頁巖氣平臺復(fù)雜山地工廠化作業(yè)技術(shù)

曾凌翔, 廖 剛, 葉長文

(1中石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司 2中石油川慶鉆探工程有限公司試修公司 3中石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司)

頁巖與致密油氣的非常規(guī)油氣資源量是常規(guī)油氣的8倍之多[1]。美國頁巖氣可采資源量18.83×1012m3[2]，截止2014年，美國頁巖氣產(chǎn)量呈指數(shù)增長，年產(chǎn)量已達(dá)到3 700×108m3[3]，而中國頁巖氣可采儲量為美國的1.33倍。

頁巖氣藏具有非均質(zhì)性強(qiáng)、孔隙度低、滲透率低、巖石致密、儲量豐度低等地質(zhì)特點(diǎn)，主要采用水平井體積壓裂形成縫網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)。降低成本、提高作業(yè)效率的工廠化作業(yè)模式已在北美地區(qū)頁巖油氣等低滲透的非常規(guī)油氣資源開發(fā)中得到規(guī)模應(yīng)用[4-7]。美國Marcellus、Haynesville、Woodford、Barnett等8個(gè)頁巖氣區(qū)塊的平均單井開發(fā)成本3～9百萬美元[3]，具有良好的投資回報(bào)率，而我國成本相對還較高。

常規(guī)開采模式主要是一口井完成鉆井、壓裂、試氣油、開采等工序之后才對另一口井重復(fù)上述作業(yè)。該模式施工周期長、效率低、費(fèi)用高、投產(chǎn)速度慢等。工廠化作業(yè)模式是一種批量化、流程化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的作業(yè)模式，在同一平臺盡量完成多口井的鉆完井作業(yè)，實(shí)現(xiàn)效益的最大化。涵蓋技術(shù)主要有工廠化鉆井技術(shù)、工廠化壓裂技術(shù)、工廠化試氣/油測試技術(shù)等，能夠達(dá)到組織結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化、施工人員精簡、井場占地減少、設(shè)備共享利用、工作液循環(huán)/重復(fù)利用、建井周期縮短等目的，特別適用于頁巖油氣等低滲透的非常規(guī)油氣資源的開發(fā)作業(yè)。

一、山地工廠化鉆井作業(yè)技術(shù)

采用先進(jìn)鉆井技術(shù)、理念，系統(tǒng)優(yōu)化管理整個(gè)鉆井過程的各項(xiàng)因素，進(jìn)行批量鉆井，提升鉆井效能。工廠化鉆井關(guān)鍵技術(shù)主要包括鉆機(jī)平移技術(shù)、批量鉆井技術(shù)、工廠化鉆井裝備配套技術(shù)等。并行作業(yè)即兩個(gè)或者多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生；應(yīng)用在鉆井作業(yè)上即開展兩條線作業(yè)，一條主線，影響作業(yè)周期的。工廠化作業(yè)技術(shù)就是要抓住主線，增加輔線，即增加并行作業(yè)。把測錄固與鉆井作業(yè)銜接，減少鉆井的等停時(shí)間。配套完善了鉆機(jī)平移作業(yè)流程及裝備，平均平移周期較鉆機(jī)改造前縮短5.4 d，平均復(fù)工時(shí)間35 h。

1.鉆機(jī)平移技術(shù)

鉆機(jī)平移技術(shù)可大幅縮減鉆機(jī)搬遷時(shí)間，同時(shí)為批量化、流程化鉆井模式奠定了基礎(chǔ)，根據(jù)移動方式分為液壓滑軌式和液壓步進(jìn)式，目前平均平移時(shí)間1.3 h。

液壓滑軌式雖然其移動導(dǎo)軌體積大，但該平移技術(shù)滿足鉆機(jī)全鉆具平移，鉆機(jī)平移準(zhǔn)備工作量小，平移過程平穩(wěn)、安全、移位準(zhǔn)確，可應(yīng)用于縱向井位較多、鉆機(jī)總重量較大、平移頻繁的鉆機(jī)。

液壓步進(jìn)式體積較小、拆安簡便，組織平移裝置安裝可在鉆機(jī)運(yùn)行中途介入，鉆機(jī)平移方向可縱向或橫向。同時(shí)在鉆機(jī)平移時(shí)，鉆具在鉆臺面上隨之平移，無需甩鉆具，提高了鉆井工作效率；裝置總體結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡便，動作平穩(wěn)，移位準(zhǔn)確。液壓步進(jìn)式鉆機(jī)平移技術(shù)目前僅對于電動鉆機(jī)使用。

2.依據(jù)鉆井液類型選擇批量鉆井技術(shù)

流水線作業(yè)，相互依靠是工廠化批量鉆井的核心。實(shí)施批量鉆井就是要減少鉆井液總體用量，從而減少環(huán)境污染。只有當(dāng)同一個(gè)平臺只有一套水基鉆井液和一套油基鉆井液的時(shí)候，鉆井液總體用量是最少的。

為了達(dá)到該目的，雙鉆機(jī)作業(yè)的時(shí)候，需要錯(cuò)開作業(yè)，即一口井鉆進(jìn)完水基后，開始鉆油基的時(shí)候，另一口井接著鉆水基鉆井液。采用這種模式就滿足了批量鉆井的總鉆井液體積量最少的條件。

二、山地工廠化壓裂作業(yè)技術(shù)

1.工廠化壓裂作業(yè)模式

頁巖氣壓裂模式主要分為：同步壓裂作業(yè)模式與拉鏈壓裂作業(yè)模式。采用同步壓裂作業(yè)模式，時(shí)效快，最高可達(dá)8段/d，但是此模式壓裂車多、設(shè)備多、井場占地面積大。采用拉鏈壓裂作業(yè)模式，最高時(shí)效可達(dá)3段/d，需要壓裂車少、設(shè)備少、井場占地面積小，但是若出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，施工效率相對較低。

時(shí)效性：同步壓裂>拉鏈壓裂>單井壓裂；經(jīng)濟(jì)性：拉鏈壓裂>單井壓裂>同步壓裂。綜合分析，推薦采用拉鏈壓裂作業(yè)模式進(jìn)行施工，目前作業(yè)時(shí)效最高達(dá)2.98段/d。

2.標(biāo)準(zhǔn)化工廠化壓裂

2.1 井場功能區(qū)域化、模塊化

以壓裂作業(yè)區(qū)域、測井作業(yè)區(qū)域、連續(xù)油管作業(yè)區(qū)域、測試流程區(qū)域四大區(qū)域?yàn)橹鳎汗迏^(qū)域、加油區(qū)域、物資儲存區(qū)域等為輔助區(qū)域。壓裂模塊主要有連續(xù)供水模塊、連續(xù)加砂模塊、連續(xù)泵注模塊等。

2.2 流程化作業(yè)程序

如圖1所示，流程模塊化(段塞式加砂作業(yè)流程、連續(xù)加砂流程等)、設(shè)備精簡化；泵槍與壓裂流程互不影響，施工過程中快速應(yīng)急處理。

圖1 模塊化流程示意圖

3.配套工藝技術(shù)

針對頁巖氣壓裂施工規(guī)模大、排量高等特點(diǎn)，已形成連續(xù)混配技術(shù)、大型供儲水模式、返排液重復(fù)利用技術(shù)等。目前連續(xù)混配膠液供液能力為14 m3/min，滑溜水為25 m3/min。

4.設(shè)備升級及安全配套

免破袋供儲砂設(shè)備的儲砂能力95 m3，輸砂量1.5 m3/min。輸砂效率是現(xiàn)有吊車作業(yè)的2倍以上且僅需一人操作，大大降低了成本，提高了安全性。井口配套優(yōu)化，滿足了大排量注入需求，減小了節(jié)流影響。多井井口連接裝置，減少管線連接數(shù)量，通過閥門切換施工不同的井，縮短了時(shí)間。井口操作平臺提高高空作業(yè)安全，多路加油機(jī)提高加油效率、降低消防安全風(fēng)險(xiǎn)。

三、工廠化測試作業(yè)技術(shù)

工廠化測試技術(shù)是頁巖氣勘探開發(fā)的一個(gè)重要組成部分，是認(rèn)識頁巖氣區(qū)塊，驗(yàn)證地震、測井、錄井等資料準(zhǔn)確性的最直接、有效的手段。復(fù)雜山地模塊化地面測試流程成功應(yīng)用了10余個(gè)平臺，安裝效率提高了47.6%，管線減少了22.9%，能夠?qū)崿F(xiàn)壓裂返排測試、試采一體化。

1.工廠化試油測試地面流程設(shè)計(jì)

工廠化試油測試地面流程設(shè)計(jì)，總體原則就是以模塊化地面測試技術(shù)為依據(jù)，減少地面流程的使用套數(shù)。同時(shí)，能滿足多口井同時(shí)作業(yè)，滿足多口井不同工況作業(yè)的同時(shí)進(jìn)行。目前，大多數(shù)頁巖氣平臺普遍為6口井，現(xiàn)在將該流程大致劃分為井口并聯(lián)模塊、捕屑除砂模塊、降壓分流模塊和分離計(jì)量模塊，提出了利用多流程井口并聯(lián)模塊化布局，以解決整個(gè)頁巖氣平臺的地面試油測試需求。具體地面流程如圖2所示，該流程可同時(shí)滿足6口井分別進(jìn)行加砂壓裂、鉆塞洗井、返排測試等不同工況的作業(yè)。

圖2 工廠化試采地面流程示意圖

(1)井口并聯(lián)模塊(2)捕屑除砂模塊(3)降壓分流模塊(4)分離計(jì)量模塊

2.工廠化地面流程配套關(guān)鍵裝備

2.1 捕屑器

主要用于頁巖氣等非常規(guī)氣藏鉆橋塞或水泥塞作業(yè)中擔(dān)任捕屑角色，從井筒返出的攜砂流體，首先進(jìn)入濾筒內(nèi)部，通過內(nèi)置濾筒攔截鉆塞過程中井筒流體帶出的橋塞等碎屑，經(jīng)濾筒過濾后的流體再從側(cè)面流出，碎屑被濾筒擋在其內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)碎屑和流體的分離，避免橋塞碎屑等固體顆粒大量進(jìn)入下游，能有效地防止流程油嘴被堵塞或節(jié)流閥被刺壞，保障作業(yè)過程中流程設(shè)備和管線的安全，保證作業(yè)的連續(xù)性。

2.2 105 MPa旋流除砂器

105 MPa旋流除砂器是通過在超高壓除砂罐內(nèi)設(shè)置旋流筒，將井流切向引入旋流筒內(nèi)，產(chǎn)生組合螺線渦運(yùn)動，利用井流各相介質(zhì)密度差，在離心力作用下實(shí)現(xiàn)分離。旋流除砂器設(shè)有超高壓集砂罐，在集砂罐上設(shè)置了自動排砂系統(tǒng)，利用除砂器砂筒內(nèi)部壓力可將罐內(nèi)積砂快速排出，可實(shí)現(xiàn)密閉排放。

2.3 節(jié)流-加熱-分離計(jì)量一體化裝置

井筒產(chǎn)出流體經(jīng)上游管匯進(jìn)入節(jié)流保溫分離計(jì)量一體化裝置節(jié)流控壓部分，進(jìn)人一體化裝置加熱保溫，在該部分的盤管中繞行時(shí)，產(chǎn)生熱量交換，從而將流體溫度升高，然后進(jìn)入氣液分離元件內(nèi)部，采用旋流、折射與重力沉降的方式分離，氣體從液體中逸出并上升，通過氣液分離元件罐體內(nèi)部聚結(jié)板進(jìn)一步分離后，再經(jīng)過消泡器和除、吸霧器凈化，凈化后的氣體從氣路出口排出，經(jīng)氣路出口管匯上的氣體流量計(jì)計(jì)量，并通過氣控系統(tǒng)來控制氣體排放量；分離元件罐體內(nèi)部的分離聚集液體從液出口排出，經(jīng)液路出口管匯上的液體流量計(jì)計(jì)量，并通過氣控系統(tǒng)來控制液體排放量。氣液分離元件底部沉降的固體顆粒在罐體內(nèi)部壓力的作用下同時(shí)經(jīng)排砂出口管路排放。

四、結(jié)論及建議

(1)工廠化作業(yè)模式是一種批量化、流程化、標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)模式，涵蓋工廠化鉆井技術(shù)、工廠化壓裂技術(shù)、工廠化測試技術(shù)等方面，能夠達(dá)到組織結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化、施工人員精簡、井場占地減少、設(shè)備共享利用、工作液循環(huán)/重復(fù)利用、建井周期縮短等目的，特別適用于頁巖氣的開發(fā)作業(yè)。

(2)井場功能區(qū)域化、模塊化、作業(yè)程序流程化、配套設(shè)備升級及工藝優(yōu)化，初步形成了標(biāo)準(zhǔn)化工廠化作業(yè)。

(3)完善鉆機(jī)平移作業(yè)流程及配套裝備，平均平移周期較鉆機(jī)改造前縮短5.4 d；平均鉆井復(fù)工時(shí)間35 h；拉鏈壓裂作業(yè)模式可以取得較好的時(shí)效性與經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化后作業(yè)時(shí)效已達(dá)2.98段/d；模塊化地面測試流程，安裝效率提高了47.6%，管線減少了22.9%，能夠?qū)崿F(xiàn)壓裂返排測試、試采一體化。