頁(yè)巖氣井工廠化開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

僅供個(gè)人參考頁(yè)巖氣井工廠化開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)文/王敏生光新軍，中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院由于頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)投入成本高，產(chǎn)能低，使得石油公司面l臨著諸多挑戰(zhàn)。利用有效的鉆完井技術(shù)，減少非作業(yè)時(shí)間，縮短建井周期，降低作業(yè)成本顯得非常重要。頁(yè)巖氣“井工廠”開(kāi)發(fā)已經(jīng)證明是經(jīng)濟(jì)可行的方案，其核心是在一個(gè)井場(chǎng)鉆多口水平井，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)、批量化作業(yè)的工廠化生產(chǎn)模式，關(guān)鍵技術(shù)包括井場(chǎng)部署、批量化作業(yè)、特種作業(yè)鉆機(jī)、井眼軌跡控制技術(shù)、同步壓裂技術(shù)、裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)、鉆井液循環(huán)利用和壓裂液回收利用等。近年來(lái)頁(yè)巖氣“井工廠”開(kāi)發(fā)模式在北美廣泛應(yīng)用，帶來(lái)了巨大收益，而我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)還處于試驗(yàn)階段，對(duì)“井工廠”開(kāi)發(fā)概念和模式認(rèn)識(shí)不清。為此，筆者對(duì)頁(yè)巖氣“井工廠”開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)和現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并對(duì)主要的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，所取得的認(rèn)識(shí)對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣的高效開(kāi)發(fā)具有一定的借鑒意義。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse一、“井工廠”開(kāi)發(fā)特點(diǎn)及現(xiàn)狀Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse自從美國(guó)1821年完鉆世界上第一口頁(yè)巖氣井以來(lái)，頁(yè)巖氣鉆井先后經(jīng)歷了直井、水平井、叢式“井工廠”的發(fā)展歷程。加拿大能源公司(EnCana)最先提出“井工廠”開(kāi)發(fā)的理念，是使用水平井鉆井方式，在一個(gè)井場(chǎng)完成多口井的鉆井、射孔、壓裂、完井和生產(chǎn)，所有井筒采用批量化的作業(yè)模式。頁(yè)巖氣“井工廠”開(kāi)發(fā)的目的是為了提高開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)通過(guò)在一個(gè)井場(chǎng)鉆多□井減少鉆完井對(duì)環(huán)境的影響。主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①利用最小的叢式井井場(chǎng)使開(kāi)發(fā)井網(wǎng)覆蓋儲(chǔ)層區(qū)域最大化，減少了井場(chǎng)的占地面積；②多□井集中鉆完井和生產(chǎn)，減少了人力成本、鉆完井施工車(chē)輛及鉆機(jī)搬家時(shí)間，同時(shí)地面工程及生產(chǎn)管理也得到簡(jiǎn)化，大大降低了作業(yè)成本；③多□井依次一開(kāi)、固井，二開(kāi)、再依次固完井，鉆井、固井、測(cè)井工序間無(wú)停待，實(shí)現(xiàn)設(shè)備利用最大化，提高了作業(yè)效率；④多□井在相同開(kāi)次鉆井液體系相同，鉆井液重復(fù)利用，大幅降低鉆井液用量，減少鉆井費(fèi)用；⑤多□井進(jìn)行同步壓裂，改變井組間儲(chǔ)層應(yīng)力場(chǎng)的分布，有利于形成網(wǎng)狀裂縫，提高頁(yè)巖氣的產(chǎn)能和最終采收率；⑥壓裂液返排后回收利用，節(jié)約成本又有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境；“井工廠”開(kāi)發(fā)也存在著缺點(diǎn)，主要包括：增加了井眼軌跡控制難度，對(duì)設(shè)備和技術(shù)要求較高；總體井組鉆井周期較長(zhǎng)，一般要在整個(gè)井組完鉆后才可進(jìn)行后續(xù)的作業(yè)；加大了現(xiàn)場(chǎng)工程監(jiān)督難度。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse近年來(lái)，“井工廠”作業(yè)方式在北美頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)得到了廣泛應(yīng)用，針對(duì)不同的頁(yè)巖氣區(qū)塊的實(shí)際情況，產(chǎn)生了積極的影響。Marcellus頁(yè)巖氣區(qū)位于山區(qū)，地表特征限制了井場(chǎng)的位置，同時(shí)存在水供應(yīng)和壓裂水處理等難題，之前主要采用垂直井開(kāi)發(fā)，經(jīng)濟(jì)效益較差。自2007年開(kāi)始作業(yè)者開(kāi)始采用“井工廠”開(kāi)發(fā)模式，大大提高了勘探開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)減少了對(duì)環(huán)境造成的影響，截止2011年，超過(guò)78%的井利用“井工廠”模式開(kāi)發(fā)。Barnett頁(yè)巖氣區(qū)緊靠市區(qū)，作業(yè)者采用“井工廠”開(kāi)發(fā)可以減少占地面積。2011年，Devon能源公司在該區(qū)塊一個(gè)井場(chǎng)鉆了36□井，大大減少占地面積。在HornRiver頁(yè)巖氣區(qū)，作業(yè)者為了提高頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)采用“井工廠”開(kāi)發(fā)模式，減少了21%的總作業(yè)成本。這些實(shí)例證實(shí)了頁(yè)巖氣“井工廠”開(kāi)發(fā)是一種有效的作業(yè)模式。二、“井工廠”開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)1．井場(chǎng)部署區(qū)塊“工廠化”模式布井的原則是用盡可能少的井場(chǎng)布合理數(shù)量的井，以?xún)?yōu)化征地費(fèi)用及鉆井費(fèi)用。單個(gè)井場(chǎng)占地面積由井組數(shù)決定，一個(gè)井場(chǎng)中設(shè)計(jì)的井組數(shù)越多，井場(chǎng)面積越大，需要綜合考慮鉆井和壓裂施工車(chē)輛及配套設(shè)施的布局。地面工程的設(shè)計(jì)需要考慮工程和環(huán)境的影響，為“井工廠”開(kāi)發(fā)提供保障，同時(shí)使占地面積最小化。需要考慮的因素有以下幾點(diǎn)：①滿足區(qū)塊開(kāi)發(fā)方案和頁(yè)巖氣集輸建設(shè)要求；②充分利用自然環(huán)境、地理地形條件，盡量減少鉆前工程的難度；③考慮鉆井能力和井眼軌跡控制能力；④最大程度觸及地下頁(yè)巖氣藏目標(biāo)；⑤考慮當(dāng)?shù)氐匦蔚孛?，生態(tài)環(huán)境，以及水文地質(zhì)條件，滿足有關(guān)安全環(huán)保的規(guī)定。2．井組優(yōu)化設(shè)計(jì)目前，國(guó)外頁(yè)巖氣“井工廠”鉆井在單井場(chǎng)最多布36口井，采用單排或多排排列，布局需要充分考慮作業(yè)規(guī)模、地質(zhì)條件（井生產(chǎn)能力）、地面條件限制等因素。單排叢式井井間距一般為10—20m,多排叢式井井間距一般為10—20m，排間距為50m左右。井下水平段間距由壓裂主裂縫擴(kuò)展范圍大小決定，其原則是為了使壓裂作業(yè)所形成的網(wǎng)絡(luò)裂縫體積最大化。如果水平井井眼軌跡方位與最小水平主應(yīng)力平行，有利于壓裂主裂縫的擴(kuò)展，同時(shí)容易形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，井下水平段間距—般大于350m；如果水平井井眼軌跡方位與最小水平主應(yīng)力斜交，在高應(yīng)力各向異性區(qū)能防止井壁的坍塌，但是壓裂主裂縫的擴(kuò)展長(zhǎng)度有限，井下水平段間距在200_300m。3．可移動(dòng)鉆機(jī)為了適應(yīng)頁(yè)巖氣“井工廠”開(kāi)發(fā)需要，國(guó)外公司開(kāi)發(fā)出了全液壓可移動(dòng)鉆機(jī)?？梢苿?dòng)鉆機(jī)系統(tǒng)以液缸作為提升系統(tǒng)，并由全套液壓動(dòng)力系統(tǒng)取代以往的絞車(chē)、井架等設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音小、污染少、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可大幅提高作業(yè)效率、降低作業(yè)成本帕j相對(duì)于常規(guī)鉆機(jī)來(lái)說(shuō)，該鉆機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)：①高移動(dòng)性能。采用底座整體移動(dòng)技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化鉆機(jī)移動(dòng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的自由移動(dòng)，減少了鉆機(jī)的拆卸、搬遷、安裝等時(shí)間；②自動(dòng)化。采用電、液、氣一體化智能控制技術(shù)、嵌入自動(dòng)鉆井的力學(xué)計(jì)算程序的數(shù)字計(jì)算機(jī)鉆井界面、精確的定位控制和遠(yuǎn)程控制等；③減少作業(yè)人員。鉆井操作只需要配備4名人員，鉆臺(tái)幾乎所有的操作都由司鉆完成，另外配備地面及其它輔助人員3名即可進(jìn)行鉆井生產(chǎn)作業(yè)；④占地面積小。對(duì)環(huán)境保護(hù)具有積極作用；⑤適應(yīng)性。所有的設(shè)備配備鉆3000m井深的能力。4．批量化作業(yè)為了節(jié)省時(shí)間，降低鉆井成本，實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)，“井工廠”采用可移動(dòng)式鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)快速批量鉆井，其特點(diǎn)是體形小，重量輕，價(jià)格低廉，鉆速快。對(duì)于500m的表層，每□井只需36h。這樣就可以迅速完成表層鉆井，鉆完第1□井迅速轉(zhuǎn)到下一口井，在鉆表層時(shí)不需要改變泥漿體系和鉆桿。這樣順次一開(kāi)鉆完所有的井后再移鉆機(jī)回到第一□井開(kāi)始二開(kāi)的鉆進(jìn)，重復(fù)以上操作直到二開(kāi)鉆完所有的井，再次移鉆井平臺(tái)回到第一□井開(kāi)始三開(kāi)，依次類(lèi)推鉆完所有的井。對(duì)于一開(kāi)井深不長(zhǎng)的情況，可以先一開(kāi)鉆固完表層后繼續(xù)二開(kāi)鉆井及下套管固井后再移鉆機(jī)至下一□井開(kāi)鉆“'8J,這種工序可以減少作業(yè)成本達(dá)10%以上。壓裂施工的作業(yè)也可以實(shí)現(xiàn)批量化施工，即壓裂“井工廠”，即在一個(gè)中央?yún)^(qū)對(duì)相隔數(shù)百米至數(shù)千米的井進(jìn)行壓裂，所有的壓裂設(shè)備都布置在中央?yún)^(qū)，不需要移動(dòng)設(shè)備、人員和材料就可以對(duì)多個(gè)井進(jìn)行壓裂，大大降低壓裂施工成本。5．井眼軌跡控制技術(shù)5.1井眼軌跡設(shè)計(jì)為了減少井間防碰的可能，“井工廠”多井平臺(tái)在實(shí)鉆過(guò)程中需要實(shí)時(shí)調(diào)整，具體步驟包括一1:①取得真正井位坐標(biāo)以及修正的地質(zhì)目標(biāo)后，確定槽□分配方案；②利用地質(zhì)設(shè)計(jì)的井位與靶點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行初步井眼軌道設(shè)計(jì)；③將不同深度處的測(cè)量不確定橢圓疊加到井眼軌跡上，觀測(cè)是否發(fā)生井碰；④表層井眼鉆成并測(cè)量后，根據(jù)實(shí)際井眼軌跡，重新設(shè)計(jì)井眼軌道并進(jìn)行防碰評(píng)估。表層特別強(qiáng)調(diào)垂直鉆進(jìn)，并且每□井表層都要測(cè)斜。為了防止淺層井碰，二開(kāi)造斜率較小，采用陀螺儀隨鉆測(cè)量工具定向，保證后期作業(yè)安全。三開(kāi)利用油基鉆井液體系、PDC鉆頭和高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆進(jìn)至最大深度。5.2高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)“井工廠”開(kāi)發(fā)的水平井井眼軌道采用三維井眼，可以減少防碰風(fēng)險(xiǎn)和提高井筒與目標(biāo)儲(chǔ)層的接觸面積，但是增加了鉆井的難度，圖2為“井工廠”井位布置及典型軌跡。三維井眼軌道水平井進(jìn)入水平段的造斜率比二維井眼要高得多。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)造斜率在(50一60)／30m，需要較長(zhǎng)的曲線段才能鉆遇儲(chǔ)層，造斜點(diǎn)選在較靠上的位置。目前斯倫貝謝和貝克休斯公司開(kāi)發(fā)了一種高造斜率的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，造斜率可達(dá)(10—15)/30m,甚至更高。該系統(tǒng)能使井眼更早到達(dá)儲(chǔ)層，增大井筒與儲(chǔ)層的接觸面積。作業(yè)者可以選擇在更深的地方選擇造斜點(diǎn)，增大垂直段，減少防碰的風(fēng)險(xiǎn)。新系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)基于已有的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向原理做了輕微的調(diào)整，包括三點(diǎn)幾何、BHA的硬度和鉆頭特性等。6．水平井同步壓裂水平井同步壓裂是指對(duì)相鄰的2口或2口以上的水平井進(jìn)行同時(shí)壓裂，采用這種壓裂方式的頁(yè)巖氣井產(chǎn)能增加明顯。為了使壓裂形成有效的裂縫網(wǎng)絡(luò)，水平井井眼軌跡方位一般與最小水平主應(yīng)力一致，水平段之間的間距一般等于水平井壓裂主裂縫的長(zhǎng)度。所鉆水平井的水平段在同一儲(chǔ)層，各水平井所設(shè)計(jì)的壓裂級(jí)數(shù)相近，采用從趾端到跟端的壓裂順序，各水平井的每一級(jí)壓裂同時(shí)進(jìn)行。待所有的壓裂完成后再進(jìn)行返排，推遲返排可以增加井底壓力，使得壓裂裂縫周?chē)鷳?yīng)力大小和方位發(fā)生變化而形成低應(yīng)力各向異性區(qū)，壓裂產(chǎn)生垂直于井筒的主裂縫的同時(shí)，溝通了地層的天然裂縫和應(yīng)力釋放縫，能形成有效的裂縫網(wǎng)絡(luò)。增加了裂縫的密度和表面積，增加改造體積，并將各水平井有效地溝通，從而快速提高頁(yè)巖氣井的產(chǎn)量和最終采收率，圖3為5口水平井同步壓裂形成的有效裂縫網(wǎng)絡(luò)。各水平井水平段之間的間距為150nl，受到壓裂裂縫對(duì)地應(yīng)力大小和方向的影響，使得后續(xù)壓裂裂縫沿著新的最大水平地應(yīng)力方向擴(kuò)展，同時(shí)能有效溝通頁(yè)巖地層的原生裂縫和弱面滑動(dòng)產(chǎn)生的次生裂縫，形成有效的裂縫網(wǎng)絡(luò)。同步壓裂技術(shù)在美國(guó)頁(yè)巖氣區(qū)塊的試驗(yàn)表明，其單井產(chǎn)能要比單獨(dú)進(jìn)行壓裂的頁(yè)巖氣井的前期產(chǎn)能要高。7．裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造過(guò)程中，需要使用裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)裂縫的情況，以評(píng)估壓裂效果，目前最常用的是微地震裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)。該技術(shù)利用在井中或地面安裝的地震檢波器來(lái)監(jiān)測(cè)壓裂裂縫的走向和分布。能實(shí)時(shí)提供壓裂施工產(chǎn)生裂縫的高度、長(zhǎng)度和方位角，通過(guò)微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果可以?xún)?yōu)化壓裂設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化“井工廠”井組的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)油藏模型綜合分析具有重要意義。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行水力壓裂時(shí)，大量高壓流體被注入儲(chǔ)層，使得孔隙流體壓力迅速提高，高孔隙壓力以剪切破壞和張性破壞兩種方式引起巖石的破裂。巖石破裂時(shí)發(fā)出地震波，儲(chǔ)存在巖石中的能量以波的形式釋放出來(lái)。這些彈性波信號(hào)通過(guò)監(jiān)測(cè)儀器檢測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)的分析處理可以判斷微地震的震源在空間和時(shí)間上的分布最終得到水力壓裂裂縫的縫高、縫長(zhǎng)和方位等參數(shù)。8．鉆井液循環(huán)利用鉆井液循環(huán)利用系統(tǒng)利用物理和化學(xué)的方法來(lái)清除鉆井液中的固相顆粒，通過(guò)獨(dú)特的處理過(guò)程重復(fù)利用鉆井液。物理處理方法主要是利用頁(yè)巖振動(dòng)篩、泥砂清除設(shè)備、脫水設(shè)備和大型泥漿罐處理?；瘜W(xué)處理方法是通過(guò)加入化學(xué)助劑，中和鉆井液中的固相顆粒和降低鉆屑與油基鉆井液間的表面張力，將鉆屑從流體中分離相對(duì)于傳統(tǒng)方法來(lái)說(shuō)，利用鉆井液循環(huán)利用系統(tǒng)減少了鉆井液、水資源的利用和鉆井液配制時(shí)間，降低了廢棄鉆井液的處理成本。9．壓裂液回收利用頁(yè)巖氣儲(chǔ)層通常采用水平井分段壓裂技術(shù)進(jìn)行增產(chǎn)，壓裂液的配制需要使用大量的淡水資源，平均一口頁(yè)巖氣水平井壓裂需要水7000—20000m3，在水資源貧乏地區(qū)，壓裂成本非常高。采用壓裂液回收利用系統(tǒng)，可以大大減少用水量，減少壓裂施工車(chē)輛，同時(shí)減少了有害化學(xué)物質(zhì)的泄漏。返排水的體積取決于儲(chǔ)層特性，頁(yè)巖氣水平井能返排出原始?jí)毫岩后w積的15％—35%。目前哈里伯頓公司研制了CleanWave水處理裝置，其通過(guò)電流處理壓裂返排水，破壞水中膠狀物質(zhì)的穩(wěn)定分散狀態(tài)，使之凝結(jié)，使用最少的電能，就可以每天處理2．6萬(wàn)桶返排水。當(dāng)返排水流經(jīng)電凝裝置時(shí)，釋放帶正電的離子，并和膠狀顆粒上面帶負(fù)電的離子相結(jié)合，產(chǎn)生凝固。與此同時(shí)，在陰極產(chǎn)生的氣泡附著在凝結(jié)物上面，使其漂浮在表面，由表面分離器去除，較重的絮凝物沉到水底，留下干凈的清水。如果含有重金屬，如鋇，鍶等金屬礦物，需要采取進(jìn)一步的處理措施。三、認(rèn)識(shí)與建議“井工廠”開(kāi)發(fā)中鉆井、完井、壓裂等進(jìn)行流水式作業(yè)，采用批量化的工作模式，使資源利用最大化，同時(shí)地面工程及生產(chǎn)管理也得到簡(jiǎn)化。新型鉆機(jī)、陀螺儀隨鉆測(cè)量工具和高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等新型鉆井裝備和工具為“井工廠”開(kāi)發(fā)優(yōu)快鉆進(jìn)提供了保障?！熬S”開(kāi)發(fā)為后續(xù)的同步壓裂作業(yè)奠定了基礎(chǔ)，壓裂形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)大大提高了頁(yè)巖氣井的產(chǎn)能和最終采收率。鉆井液和壓裂液回收利用減少了水資源的使用量，大大降低頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)減少了對(duì)環(huán)境的污染。我國(guó)的很多頁(yè)巖氣有利區(qū)存在交通不便、水資源缺乏、井場(chǎng)選擇受到限制等問(wèn)題，利用“井工廠”開(kāi)發(fā)將是今后發(fā)展的主要趨勢(shì)，我國(guó)石油公司應(yīng)積極儲(chǔ)備相關(guān)技術(shù)。僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.Nurfurden