四川盆地金秋區塊非常規天然氣工廠化井作業設想

李 鹴 Hii King－Kai Todd Franks 謝明華

1．中國石油西南油氣田公司金秋項目管理部 2．殼牌中國勘探與生產有限公司

就目前技術而言，針對非常規油氣相對低的資源豐度，常采用特殊的鉆完工藝及改造措施，如羽狀井、叢式井、多段壓裂技術等［1］。

四川盆地上三疊統須家河組氣藏經歷了50多年的勘探開發，面臨“儲量大，采出低”的難題。金秋區塊位于川中古隆起和龍門山褶皺帶沿線的西部前緣之間的單斜擾褶帶上。殼牌公司于2009年11月與中國石油天然氣集團公司簽署PSC（產品分成合同）成為金秋區塊作業者后，以盆地中心氣（指在特殊地質條件下形成的，具有特殊圈閉機理和分布規律的非常規天然氣藏，其分布在盆地深部或構造底部）理念來勘探開發須家河組氣藏，以期突破須家河組勘探開發的瓶頸。通過對區塊認識的不斷加深，如何將北美成功的低成本、高效開發非常規天然氣配套工藝、技術——工廠化鉆完井作業應用于四川項目中，是作業者致力研究的方向［2］。

1 工廠化井作業介紹

1．1 工廠化井作業的主要特點

工廠化井作業是指在開發階段，在對油氣分布認識清楚的情況下，為降低鉆完井、井場建設成本，提高作業效率，以批量鉆叢式井、批次完井及壓裂、批次生產為手段的鉆完井模式。工廠化模式下，鉆井設計、井身結構基本采用統一、批量設計，因此在設備定制、物料采購方面以統一規格進行，這樣既能縮短長周期設備的交付時間、降低由于不同型號設備采購導致的費用增加、便于統一運輸和管理，同時在價格方面能節約大量因設計變動導致的費用增加。

區別于傳統井作業，工廠化井作業有其自身特點：叢式井場設計、定制鉆機及壓裂設備（滑動鉆機、車載鉆機、高馬力壓裂車、柔性水罐、集中供電系統、集中返排液處理等）、交叉作業（鉆井、壓裂、連續油管）等。北美非常規油氣開發實踐證明，采用工廠化井作業模式，能大幅度降低油氣井的交付周期及鉆井成本。

圖1為北美某氣田批量壓裂實施圖。

圖1 北美某氣田批量壓裂實施圖

1．2 工廠化井作業主要保證

實現工廠化井作業從技術、管理及合同采購方面需要有其自身的保證。

1．2．1 技術保證

傳統常規鉆完井設備無法滿足工廠化井作業模式的要求，如大部分作業需線上進行、基本不采用交叉作業、搬家等待時間長等，這些都難以滿足批量鉆井、離線作業的要求。因此工廠化井作業在技術上應滿足以下要求：①需定制設備：它需要滿足能夠快速移動、快速組裝功能；②特殊井場要求：作業場地需滿足適合工廠化作業要求的井場；③批量作業性能：批量作業包含批量鉆井、批量完井、多井批量返排與生產；④離線作業性能：這樣能減少傳統作業等待時間（如固井作業、立管試壓、連接井下工具串、鉆桿連接成柱等）；⑤進行標準化的井身結構設計，確保使用標準化的鉆完井設備及材料。

1．2．2 管理保證

①優選服務商：能夠保證高質量、高效的服務，同時擁有價格優勢，并且有利于HSE管理和項目推進；②一體化服務、資源共享：在資源方面，工廠化井作業有很大的優勢，它能夠實現地面建設、鉆井、完井及生產各學科系統化，同時有利于進行資源整合利用（管線、能源、放空火炬、營地、后勤支持等）；③交叉作業：指在同一場地上可以完成同一時間內進行不同井的鉆井、完井、連續油管及生產等作業，大幅度提高設備、空間的利用率，進而大幅度提高作業效率；④集中管理：在區塊內建立一個或多個集中供給和處理中心，對于能源供給、鉆屑的處理、壓裂液和返排液的處理可以實現集中收集，集中處理，集中分配。

1．2．3 合同與采購保證

在合同及采購策略上進行統一、高效的模式，對于承包商的培養、隊伍鍛煉也有較大的優勢。

①競爭激勵機制：允許出現多個優選的承包商進入作業隊伍，有利于提高承包商的主動性，提高作業效率和作業質量；②本土化策略：盡可能選用本土化優質承包商、公司員工本土化；③規模化的設備及材料采購：包括井設備（套管、油管、井口設備及采油樹等）、消耗材料（壓裂砂、壓裂液化學藥品及水泥等）。

根據工廠化不同指標，不同的區塊根據自身特點可以進行篩選，找出適合該區塊的工廠化井作業技術及管理指標。表1為不同項目選擇的工廠化井作業技術指標統計。

1．3 工廠化井作業成本降低的策略

①地質／氣藏認識提高：通過對地質認識的不斷加深，不確定性逐步降低，由它引起的不確定性費用相應降低，如地層壓力預測導致的井口設備、泥漿材料、防噴器、壓裂層位的簡化等；②井設計優化：標準化設計統一后，對井場、鉆機、材料等均會達到統一；③新技術、新材料的使用：技術的革新、材料的創新能夠將原先技術無法實現的作業變成現實，如同在滑溜水出現以前，壓裂費用在整個井費用中占據很大的比重一樣。④合同采購策略優化：統一標準的井設計可以減少合同采購的程序、更加具有價格優勢，承包商競爭、激勵機制可以使承包商更加具有主人翁精神參與項目運行。

表1 不同項目工廠化井作業技術指標選擇表

1．4 加拿大Groundbirch頁巖氣工廠化井作業績效表現

加拿大Groundbirch頁巖氣項目位于加拿大英屬哥倫比亞省西北部，主要開發Montney頁巖／泥質粉砂巖層天然氣，儲層平均深度約2 500m，采用工廠化作業模式，鉆叢式井，井場尺寸220m×200m，每個井場鉆24口井。通過不斷對學習曲線進行總結、優化，最終實現了鉆井大提速、成本大幅降低（圖2、3）。其單井平均使用鉆頭從17個減少到2～3個，單井鉆井周期由前期的約40d縮短至9．8d，單日最大進尺約1 000m。

圖2 Groundbirch工廠化井作業交付周期圖

圖3 Groundbirch工廠化井作業每米鉆井成本圖

2 金秋項目工廠化井作業設想

四川盆地須家河組致密砂巖氣藏通過多年的開發，面臨“儲量大，采出低”的現實難題，金秋項目引入殼牌盆地中心氣的概念，按照該理念，盆地儲層低部位將是開發的主要部位，由于單井控制面積相對較低，需在區塊內布大量的開發井進行生產，巨大數量的井規模促使運用工廠化井作業以實現項目的高效低成本開發的目的。

2．1 金秋區塊工廠化井作業面臨的挑戰

金秋區塊作業區內人口密度高，多丘陵、區域高低不平，雖水源分布較為充足，但分布于社區之中或社區之間，導致社區問題較為突出。在各種受限條件下，在金秋區塊開展工廠化井作業具有巨大的挑戰。為了解決井場及布井分布，對井眼數量選擇、井場分布、作業方式等進行了系統分析，提出了一套適合于這種秋林、低山區實施工廠化井作業的基本模式。

2．2 井身結構及井眼數量優選

國內外在小井眼鉆井方面已取得了重要進展，小井眼井主要通過以下途徑降低成本：縮短鉆井周期；縮小油管、套管柱尺寸，減少鋼材用量；井口裝置小、簡易，降低成本；減少修井工作液用量等［3－7］。在開發階段才用小井眼井身結構（圖4）。

按照工廠化模式進行布井，區塊內以盡可能少的井場布合理數量的井，以優化征地費用及鉆井費用，鉆井主要按照叢式井模式進行。通過分析，在單井場最多布36口井，井間地下間距650m為宜（圖5）。

2．3 叢式井布局

圖4 金秋項目致密氣井身結構優化圖

圖5 叢式井地下布井圖

圖6 地面井眼模型選擇示意圖

叢式井布局方案采用單排、多井叢且有備用井眼（井叢），一字排開布局模式（圖6）。該布局充分考慮作業規模、地質條件（井生產能力）、地面條件限制等因素。地面單排井設計一共有36個井眼（16口主井眼＋20口備用井眼），備用井眼設計主要考慮利用叢式井眼之間15m間距可再鉆4口井眼。該設計較為靈活，并非是一口井完鉆后，就在旁邊井眼繼續鉆進，而可以根據實際通過滑動鉆機，在臨近幾個井眼處開始鉆進，前期完鉆井仍然進行壓裂作業，隨著鉆井效率的提高，也可靈活改變每一批次叢式井眼的數量。同時在三次開鉆、四次開鉆井段鉆進過程中使用MWD（無線隨鉆測量），實時監控井眼軌跡，保證及時糾斜，達到防碰的目的。

2．4 交叉作業優化

交叉作業是工廠化作業又一特色，它通過精細化的HSE管理、質量及過程控制得以實現。根據當地條件，通過分析優選工廠化井作業交叉作業項目，結合設備、場地及HSE考慮，認為3項交叉作業（鉆井＋完井＋生產）具有更好的適應性。其主要特點是：鉆井效率更高、鉆機搬家次數更少、需定制鉆機、更早實現產氣、減少生產延遲。

2．5 井場設計

由于四川丘陵地區多山丘，人口稠密，平地多為耕地，征地面臨的挑戰很大。如何建立適合該區域的井場模型是能否順利開展工廠化井作業的另一關鍵因素。通過分析認為，狹長（最大寬度不超過60m）、各設備分區的井場模型較為適合丘陵地貌。營房區域、設備材料存放區域、壓裂泵（液）擺放區、鉆井井場、燃燒火炬場地、生產區域以管線連接，考慮到作業情況，各個作業區以立體、方便建設的方式進行合理布置，如將壓裂泵車作業區安排在相對高處。該柔性設計能夠較好地避開地形的限制，在設備性能保證的條件下，可以保證工廠化井作業的順利進行（圖7）。

圖7 柔性的井場設計布置示意圖

2．6 鉆機選型

圖8 鉆井周期示意圖

一口井的鉆井周期主要由鉆進、下套管、固井、起下鉆、試壓等組成（圖8），斜線段為純鉆進階段，水平段為其他作業時間。通過鉆機優選，能夠很大程度上縮短整個鉆井周期，提高鉆井效率。金秋項目開發階段鉆機應具有以下性能：

1）導眼段、表層段，選擇車載鉆機進行批量鉆進及批量交付的模式，技術段、儲層段利用其他井離線安裝調試時間滑移搬遷進行鉆進，修井過程中同樣選擇可滑動式定制修井機，結合套管旋轉下入工具等來縮短水平段周期。

2）自動鉆進系統、高性能的頂驅配備殼牌的軟扭矩和管柱減震系統、優化鉆井參數、欠平衡鉆井技術加Saraline合成基鉆井液、51．7MPa泥漿泵滿足大水馬力、優化的PDC鉆頭＋ERT（等壁厚）螺桿或低轉速高扭矩螺桿鉆具組合［8－9］，它將延長鉆頭使用壽命，而且避免使用昂貴的旋轉控制系統，可以縮短純鉆進時間［10－12］。

2．7 離線作業

離線作業是指可獨立完成而不需要使用鉆機完成的作業。定制鉆機保證了部分作業可采用離線模式進行。通過合理安排叢式井鉆井程序，可以進行多口井之間的離線、線上作業，進而保證了高效利用鉆機，提高鉆井效率。

金秋項目工廠化井作業選擇以下離線作業：防噴器測試、防噴器操作、立管試壓、鉆桿連柱、上提鉆桿到鉆臺、下放鉆桿到地面、安裝導管、固井、安裝固井設備、套管連接、安裝防噴器、安裝電纜作業設備、井下工具串連接。

2．8 完井壓裂工廠化作業

北美在非常規油氣開發上采用批量壓裂工藝大大降低了完井試油成本。金秋項目將引入北美的先進經驗，在優選本地制造商及服務隊伍的基礎上，應用恰當的壓裂設備，作業方面采用批量壓裂、優化壓裂方案（包括壓裂等級、砂量及壓裂液）、進行24h作業等。技術、設計、管理、合同及采購多方面的保證，能夠實現低成本、高效壓裂的目的。

2．9 工廠化井作業成本分析

目前在勘探階段，鉆井、完井試油成本仍處于較高的水平。在開發階段，引入工廠化井作業技術，結合殼牌學習曲線分析，實現降低70%鉆完井作業成本的目標是完全可行的。

3 結束語

1）系統介紹了工廠化井作業模式，分析了其主要特征及基本技術、管理及合同采購策略保證。

2）結合本地特點，提出將北美非常規油氣成功的工廠化作業經驗引入金秋項目開發階段的設想，包括在區塊內以叢式井的模式進行鉆完井作業，制定出適應四川金秋區塊區域特征的井場及井眼分布，在適合作業要求的鉆機、壓裂及修井設備的保證下，采用交叉作業、離線作業、批量鉆井、批量壓裂模式，進而實現在金秋區塊的工廠化井作業。

3）金秋項目致密氣開發地面及地質條件復雜，工廠化井作業技術的進行仍需建立在對地質條件、控制儲量認識較為充分成熟的基礎上，并且作業過程中仍有大量技術問題有待解決，因此筆者僅提出了工廠化井作業的設想，需通過項目進一步推進得到驗證。

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