深层页岩气开发中“井工厂”钻完井技术的探索与实践

深层页岩气开发中“井工厂”钻完井技术的探索与实践

罗刚 1 杨高 1 蒲军 2

1.中石油江汉机械研究所有限公司 434000 2. 四川川港燃气有限责任公司 610017

摘要：深层页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气。深层页岩气开发已经成为全球能源领域的一场“革命”，在非常规天然气中异军突起，成为全球油气勘探开发的新亮点。但由于孔隙度和渗透率较低，天然气的生产率和采收率也较低，常规技术无法开采，而“井工厂”技术能大幅度提高作业效率、降低工程成本，在页岩油气等非常规油气开发中具有显著的技术优势，该技术在北美地区进行了大规模应用，取得了巨大的经济效益。为了使该技术更好地应用于我国非常规油气开发中，本文在详细阐述“井工厂”技术概念和特点的基础上，主要介绍了该技术的关键技术以及在我国长宁地区深层页岩气开发的实践应用，对我国类似深层页岩气区块的开发具有借鉴意义。

Abstrzct: Shale gas is a kind of natural gas which exists in the interlayer of mudstone, high carbon mudstone, shale and siltstone with the state of adsorption or ionization. Shale gas development has become a global “energy revolution". Shale gas development become a new bright spot in global unconventional oil and gas exploration and development. However, due to the low porosity, the low permeability, the low productivity and the low recovery of natural gas, the conventional technology can not be used to extract shale gas. “Well factory” technology can greatly improve work efficiency and reduce the cost of the project. This technology has significant technical advantages in the development of unconventional oil and gas. At present, this technology has been widely used in North America, and it has achieved great economic benefits. In order to apply this technology to the development of unconventional oil and gas in China , this paper mainly introduces the key technology and the practical application of shale gas development in Chang ning area in China based on the detailed description of the concept and characteristics of "well factory". This paper can be a reference for the development of similar shale gas blocks in china.

关键词：井工厂 深层页岩气 钻完井 批量作业

Key Words:Shale gas;Well facory;Drilling;Batch Process

1引言

国内油气资源供需矛盾突出，预计到2020年我国石油对外依存度约为60%，威胁到国家能源战略安全，而美国的“深层页岩气革命”彻底改变天然气市场格局，至2016年深层页岩气产量增长至美国天然气总产量的31%，达到1584亿立方米，预计到2035年将占美国天然气产量的49%，美国之所以在深层页岩气开发方面能走在世界的前列，与“井工厂”钻井技术的大力推广应用是分不开的。据统计，美国Marcellus深层页岩气区块超过78%的井利用“井工厂”模式开发，大大提高了勘探开发的经济性；Barnett深层页岩气区一个井场钻井36口，大量节约了土地面积。在Horn River深层页岩气区，为了提高深层页岩气开发经济性，通过采用井工厂开发模式，减少了21%的总作业成本，均证明了“井工厂”钻井技术是一种高效开发深层页岩气的钻井技术

^[1-5]。而我国深层页岩气资源十分丰富，其资源量约为150万亿立方米，技术可采资源量约为15万亿立方米，广泛分布在四川、塔里木、鄂尔多斯松辽等油气盆地，勘探开发前景广阔，急需将资源优势转化为产业优势，因此将“井工厂”钻井技术应用于我国深层页岩气开发是十分迫切且必要的，以此实现对常规天然气形成补充。

图1 美国1950-2035年天然气产量变化趋势

图2 美国Barnett深层页岩气开发技术发展图

2 “井工厂”钻井技术概念及特点

“井工厂”钻井技术理念首先由加拿大能源公司提出，是使用水平井钻井方法，在一个井场完成多口井的钻井、射孔、压裂、完井和生产，所有井筒采用批量化的作业模式^[6]。“井工厂”钻井技术可以缩短建井周期，降低钻井成本，大幅度提高资源及设备利用率，因此在深层页岩气等低渗透、低品位非常规油气资源开发中具有显著的技术优势。其技术特点主要包括：

1. 采用丛式井水平井进组，以达到经济、高效、环保的开发深层页岩气等非常规油气资源；

2. 整体快速移动钻机，广泛应用于深层页岩气丛式井作业，大量节约作业时间，从而减少人员成本、提高作业效率；

3. 分开次、分工艺的流水化钻井作业，连续重复进行有固定模式的批处理工作，使得技术与工具装备高度集成化；

4. 交叉作业，通过大量的离线作业或脱机作业，提高作业机利用率，缩短产建时间；

5. 通过对水基钻井液和油基钻井液的回收再利用以达到节能减排、环保及降本增效；

6. 团队管理模式实现各个工序环节的无缝衔接，实现同时完成一个轮回后，迅速总结完善并再次改进实施。

3 “井工厂”钻井关键技术

1. 井场部署技术

原则上一个井场布井数量越多，开采量就越大，但由此带来井场面积、征地费用等钻井前期费用就越大，为了保证开发效益的最大化，井场布置需要综合考虑地面条件、地下构造条件、储层发育分布范围和钻井及压裂施工车辆及配套设施的布局^[7]，在保障“井工厂”开发需要的前提条件下使占地面积最小，同时还要满足整区块深层页岩气集中输送、精准控制钻井井眼轨迹和最大程度触及深层页岩气藏目标。

（2）井组优化技术

国外在深层页岩气“井工厂”开发中，单个井场最大井数达到36口，采用丛式水平井，单排或双排结构，由此大大的节约了钻井成本，减少了对环境的破坏，开发效益也十分显著，其井间距约为10-20m,多排布局时，排间距约为50m，但国内深层页岩气作业区多山地地貌，要选择一个10井以上的井场钻前工程费用高、难度大，因此以现阶段的认识和技术水平，在单个井场部署6-10口丛式水平井组较为合理。为了利于后期大型体积压裂，最大限度开发储层，丛式井组地下井网采用双向平行井眼布展，水平段间距由压裂主裂缝扩展范围大小决定，原则是确保体积压裂裂缝形成最大化，当水平井井眼轨迹方位与最小水平主应力平行时，最易形成网络裂缝，此时水平段间距一般大于350米；若井眼轨迹与最小水平主应力斜交时，井下水平间距约200-300m^[8-11]。

图3 双向平行井眼

图4 深层页岩气丛式井轨迹设计

（3）钻机快速移动技术

为了适应深层页岩气“井工厂”开发需要，实现批量钻井作业，迅速恢复开钻，缩短钻井周期，快速移动钻机成为“井工厂”钻井必备手段。国外公司开发出全液压移动钻机，可以实现纵横两个方向带钻具和井口封井器组的整体移动，在同一井场移动60m时间约为7h,该设备具有结构简单、噪音小、污染少、自动化程度高等特点。我国国产快速移动钻机分为滑轨式、步进式产品，同样具备“井架+钻具+井口封井器组”整体纵横两方向移动的功能，同一井场移动10m约3h,与传统钻井搬家相比较缩短3天时间^[10]。

（4）批量化交叉作业

为了降低钻井成本，实现快速钻进，“井工厂”采用可移动式钻机实现快速批量钻井，目前国内深层页岩气井主要采用“三开三完”的井身结构，对于一开表层300-500m，可以采用10型小钻机，每口井只需36 h。这样可迅速完成表层钻井，随后依次完成同一井场或多个井场所有表层井段的钻井和固井作业，小钻机移动灵活，占地小、费用低，同时可以给大钻机（小钻机+大钻机，两台钻机）节省大量的一开准备时间，整个表层钻进只使用一个钻井液池，也节省了费用，这种工序可以减少作业成本达10%以上，同时实现钻前、钻井、压裂、生产交叉作业。场地平整和水泥基础固化后，即可上小钻机作业，同时继续钻前工程其他作业。流水线式钻井、完井、压裂和生产，即在同一井场可以边钻井，边压裂，边生产，以缩短投资回报期^[10-12]。

（5）管理团队

深层页岩气工厂化作业依赖于管理模式的创新，管理团队决策和督促执行的作用至关重要，更加强调油公司、钻井承包商和技术服务公司等参与各方的密切协作，一体化的项目管理，标准化的实施，实现各个作业环节的无缝衔接，以减少或避免非生产时间。

4 国内“井工厂”钻井技术实践

以我国长宁区块某平台为例，通过集约化建井，单井节约土地面积281m²，钻前工程周期节约31%、费用节约11%；通过批量化钻井技术，设备利用率提高29%，减少设备安装时间68%；通过钻机整体平移技术，平台减少搬安运输数120车次，大幅降低设备安装时间消耗，节约成本115万元；通过工厂化程序优化，实现了钻井作业的无缝衔接提高了钻井时效，学习曲线提升效果显著；通过钻井液重复利用技术，水基钻井液重复利用、油基钻井液回收利用，单井节约钻井液成本280万元；通过人员组织优化，人工成本由515万元/年降低至405万元/年,该平台投产井生产情况统计如图4所示。

单位：10⁴*m³

图5 长宁区块某平台投产井生产情况统计

5 结论与建议

（1）由于我国深层页岩气开发区块大多处于山地丘陵地区，“井工厂”钻井技术的应用大大降低了井场建设、钻固完井及后期储层压裂改造的费用，最大程度的缩短了投产日期，便于集中管理，极大的促进了深层页岩气效益开发进程。

（2）“井工厂”钻井技术采用流水作业方式完成钻井、固井、完井及后期压裂作业，是一种批量化的工作模式，更是一个系统性的工程，由此保证了资源利用率最大化，提高了工作效率和经济效益。

（3）由于深层页岩气孔隙度和渗透率较低，故其投产效益与后期压裂有着十分紧密的关系，因此建议加大对深层页岩气油气藏精细化描述理论研究，加快与其相对应的压裂改造及裂缝检测技术的研究

（4）“井工厂”钻井技术在我国长宁地区的成功应用，充分证明了该技术在我国深层页岩气开发中的可行性，为后期深层页岩气勘探开发积累了宝贵的经验，该技术必将成为我国非常规油气勘探开发的主要趋势。

参考文献：

[1]Arthur,J.Daniel,et al.Environmental considerations of modern shale gas development[J].SPE122931,2009

[2]Jim Ladlee,Jeffrey Jacquet.The implications of multi-well pads in the Marcellus shale[R].Research&policy Brief Series,Department of Development Sociology Cornell University,2011.

[3]demong,Karl,et al.Advancements in efficiency in Horn River shale stimulation[J].SPE140654,2011

[4]Pickett,Al.Technologies,methods refiect industry quest to reduce drilling footprint[R].The American oil and gas reporter,2010

[5]Demong K L,Boulton K A,Elgar T,et al,The evolution of high density pad design and work flow in shale hydrocarbon developments[R].spe165673,2013

[6]赵晗,余来红,杨博仲.深层页岩气丛式井组“工厂化”钻井作业模式思考　油气钻井基础理论研究与前沿技术开发新进展[M]北京：石油工业出版社，2016：633-638

[7]张金成,孙连忠,王甲昌,等. “井工厂”技术在我国非常规油气开发中的应用[J].石油钻探技术，2014（1）：21-25

[8]周贤海,臧艳彬.“涪陵地区深层页岩气山地“井工厂”钻井技术” [J].石油钻探技术，2015（5）：45-49

[9] 姚健,欢姚猛,赵超,等.“新型“井工厂”技术开发深层页岩气优势探讨” [J].天然气与石油，2014（10）：52-56

[10] 陈新,龙徐军,高迅,等.“涪陵深层页岩气开发“井工厂”钻机现状及发展” [J].石油机械，2015（9）：32-36

[11]王敏生,光新军.“深层页岩气“井工厂”开发关键技术” [J].石油钻采工艺，2013（9）：2-5

[12]陈平,刘阳,马天寿. 深层页岩气“井工厂”钻井技术现状及展望[J].石油钻探技术，2014（5）：1-7

国家科技重大专项：国家科技重大专项课题“深层连续管作业技术与装备”（2016ZX05023-006）

作者简介：罗 刚（1983-），男，四川绵阳人，高级工程师，硕士，主要从事石油钻井及装备研究，E-mail:luogang1@cnpc.com.cn。