頁巖氣井工廠化開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

僅供個人參考頁巖氣井工廠化開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)文/王敏生光新軍，中國石化石油工程技術(shù)研究院由于頁巖氣勘探開發(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)時間，縮短建井周期，降低作業(yè)成本顯得非常重要。頁巖氣“井工廠”開發(fā)已經(jīng)證明是經(jīng)濟可行的方案，其核心是在一個井場鉆多口水平井，實現(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)包括井場部署、批量化作業(yè)、特種作業(yè)鉆機、井眼軌跡控制技術(shù)、同步壓裂技術(shù)、裂縫監(jiān)測技術(shù)、鉆井液循環(huán)利用和壓裂液回收利用等。近年來頁巖氣“井工廠”開發(fā)模式在北美廣泛應(yīng)用，帶來了巨大收益，而我國頁巖氣開發(fā)還處于試驗階段，對“井工廠”開發(fā)概念和模式認識不清。為此，筆者對頁巖氣“井工廠”開發(fā)的特點和現(xiàn)狀進行了分析，并對主要的關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述，所取得的認識對我國頁巖氣的高效開發(fā)具有一定的借鑒意義。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse一、“井工廠”開發(fā)特點及現(xiàn)狀Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse自從美國1821年完鉆世界上第一口頁巖氣井以來，頁巖氣鉆井先后經(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”開發(fā)的理念，是使用水平井鉆井方式，在一個井場完成多口井的鉆井、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。頁巖氣“井工廠”開發(fā)的目的是為了提高開發(fā)的經(jīng)濟性，同時通過在一個井場鉆多□井減少鉆完井對環(huán)境的影響。主要有以下優(yōu)點：①利用最小的叢式井井場使開發(fā)井網(wǎng)覆蓋儲層區(qū)域最大化，減少了井場的占地面積；②多□井集中鉆完井和生產(chǎn)，減少了人力成本、鉆完井施工車輛及鉆機搬家時間，同時地面工程及生產(chǎn)管理也得到簡化，大大降低了作業(yè)成本；③多□井依次一開、固井，二開、再依次固完井，鉆井、固井、測井工序間無停待，實現(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，減少鉆井費用；⑤多□井進行同步壓裂，改變井組間儲層應(yīng)力場的分布，有利于形成網(wǎng)狀裂縫，提高頁巖氣的產(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生態(tài)環(huán)境；“井工廠”開發(fā)也存在著缺點，主要包括：增加了井眼軌跡控制難度，對設(shè)備和技術(shù)要求較高；總體井組鉆井周期較長，一般要在整個井組完鉆后才可進行后續(xù)的作業(yè)；加大了現(xiàn)場工程監(jiān)督難度。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse近年來，“井工廠”作業(yè)方式在北美頁巖氣的開發(fā)得到了廣泛應(yīng)用，針對不同的頁巖氣區(qū)塊的實際情況，產(chǎn)生了積極的影響。Marcellus頁巖氣區(qū)位于山區(qū)，地表特征限制了井場的位置，同時存在水供應(yīng)和壓裂水處理等難題，之前主要采用垂直井開發(fā)，經(jīng)濟效益較差。自2007年開始作業(yè)者開始采用“井工廠”開發(fā)模式，大大提高了勘探開發(fā)的經(jīng)濟性，同時減少了對環(huán)境造成的影響，截止2011年，超過78%的井利用“井工廠”模式開發(fā)。Barnett頁巖氣區(qū)緊靠市區(qū)，作業(yè)者采用“井工廠”開發(fā)可以減少占地面積。2011年，Devon能源公司在該區(qū)塊一個井場鉆了36□井，大大減少占地面積。在HornRiver頁巖氣區(qū)，作業(yè)者為了提高頁巖氣開發(fā)經(jīng)濟性，通過采用“井工廠”開發(fā)模式，減少了21%的總作業(yè)成本。這些實例證實了頁巖氣“井工廠”開發(fā)是一種有效的作業(yè)模式。二、“井工廠”開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)1．井場部署區(qū)塊“工廠化”模式布井的原則是用盡可能少的井場布合理數(shù)量的井，以優(yōu)化征地費用及鉆井費用。單個井場占地面積由井組數(shù)決定，一個井場中設(shè)計的井組數(shù)越多，井場面積越大，需要綜合考慮鉆井和壓裂施工車輛及配套設(shè)施的布局。地面工程的設(shè)計需要考慮工程和環(huán)境的影響，為“井工廠”開發(fā)提供保障，同時使占地面積最小化。需要考慮的因素有以下幾點：①滿足區(qū)塊開發(fā)方案和頁巖氣集輸建設(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巖氣藏目標；⑤考慮當(dāng)?shù)氐匦蔚孛玻鷳B(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)計目前，國外頁巖氣“井工廠”鉆井在單井場最多布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展，同時容易形成裂縫網(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展長度有限，井下水平段間距在200_300m。3．可移動鉆機為了適應(yīng)頁巖氣“井工廠”開發(fā)需要，國外公司開發(fā)出了全液壓可移動鉆機?？梢苿鱼@機系統(tǒng)以液缸作為提升系統(tǒng)，并由全套液壓動力系統(tǒng)取代以往的絞車、井架等設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、噪音小、污染少、自動化程度高等優(yōu)點，可大幅提高作業(yè)效率、降低作業(yè)成本帕j相對于常規(guī)鉆機來說，該鉆機具有以下優(yōu)勢：①高移動性能。采用底座整體移動技術(shù)，通過優(yōu)化鉆機移動模塊來實現(xiàn)鉆機的自由移動，減少了鉆機的拆卸、搬遷、安裝等時間；②自動化。采用電、液、氣一體化智能控制技術(shù)、嵌入自動鉆井的力學(xué)計算程序的數(shù)字計算機鉆井界面、精確的定位控制和遠程控制等；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名即可進行鉆井生產(chǎn)作業(yè)；④占地面積小。對環(huán)境保護具有積極作用；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)省時間，降低鉆井成本，實現(xiàn)快速鉆進，“井工廠”采用可移動式鉆機實現(xiàn)快速批量鉆井，其特點是體形小，重量輕，價格低廉，鉆速快。對于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，在鉆表層時不需要改變泥漿體系和鉆桿。這樣順次一開鉆完所有的井后再移鉆機回到第一□井開始二開的鉆進，重復(fù)以上操作直到二開鉆完所有的井，再次移鉆井平臺回到第一□井開始三開，依次類推鉆完所有的井。對于一開井深不長的情況，可以先一開鉆固完表層后繼續(xù)二開鉆井及下套管固井后再移鉆機至下一□井開鉆“'8J,這種工序可以減少作業(yè)成本達10%以上。壓裂施工的作業(yè)也可以實現(xiàn)批量化施工，即壓裂“井工廠”，即在一個中央?yún)^(qū)對相隔數(shù)百米至數(shù)千米的井進行壓裂，所有的壓裂設(shè)備都布置在中央?yún)^(qū)，不需要移動設(shè)備、人員和材料就可以對多個井進行壓裂，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)計為了減少井間防碰的可能，“井工廠”多井平臺在實鉆過程中需要實時調(diào)整，具體步驟包括一1:①取得真正井位坐標以及修正的地質(zhì)目標后，確定槽□分配方案；②利用地質(zhì)設(shè)計的井位與靶點坐標進行初步井眼軌道設(shè)計；③將不同深度處的測量不確定橢圓疊加到井眼軌跡上，觀測是否發(fā)生井碰；④表層井眼鉆成并測量后，根據(jù)實際井眼軌跡，重新設(shè)計井眼軌道并進行防碰評估。表層特別強調(diào)垂直鉆進，并且每□井表層都要測斜。為了防止淺層井碰，二開造斜率較小，采用陀螺儀隨鉆測量工具定向，保證后期作業(yè)安全。三開利用油基鉆井液體系、PDC鉆頭和高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆進至最大深度。5.2高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)“井工廠”開發(fā)的水平井井眼軌道采用三維井眼，可以減少防碰風(fēng)險和提高井筒與目標儲層的接觸面積，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，需要較長的曲線段才能鉆遇儲層，造斜點選在較靠上的位置。目前斯倫貝謝和貝克休斯公司開發(fā)了一種高造斜率的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，造斜率可達(10—15)/30m,甚至更高。該系統(tǒng)能使井眼更早到達儲層，增大井筒與儲層的接觸面積。作業(yè)者可以選擇在更深的地方選擇造斜點，增大垂直段，減少防碰的風(fēng)險。新系統(tǒng)的開發(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相鄰的2口或2口以上的水平井進行同時壓裂，采用這種壓裂方式的頁巖氣井產(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度。所鉆水平井的水平段在同一儲層，各水平井所設(shè)計的壓裂級數(shù)相近，采用從趾端到跟端的壓裂順序，各水平井的每一級壓裂同時進行。待所有的壓裂完成后再進行返排，推遲返排可以增加井底壓力，使得壓裂裂縫周圍應(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，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)力方向擴展，同時能有效溝通頁巖地層的原生裂縫和弱面滑動產(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)在美國頁巖氣區(qū)塊的試驗表明，其單井產(chǎn)能要比單獨進行壓裂的頁巖氣井的前期產(chǎn)能要高。7．裂縫監(jiān)測技術(shù)頁巖氣儲層改造過程中，需要使用裂縫監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測裂縫的情況，以評估壓裂效果，目前最常用的是微地震裂縫監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)利用在井中或地面安裝的地震檢波器來監(jiān)測壓裂裂縫的走向和分布。能實時提供壓裂施工產(chǎn)生裂縫的高度、長度和方位角，通過微地震監(jiān)測結(jié)果可以優(yōu)化壓裂設(shè)計方案、優(yōu)化“井工廠”井組的設(shè)計，同時對油藏模型綜合分析具有重要意義。頁巖氣儲層進行水力壓裂時，大量高壓流體被注入儲層，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。巖石破裂時發(fā)出地震波，儲存在巖石中的能量以波的形式釋放出來。這些彈性波信號通過監(jiān)測儀器檢測，通過數(shù)據(jù)的分析處理可以判斷微地震的震源在空間和時間上的分布最終得到水力壓裂裂縫的縫高、縫長和方位等參數(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)的方法來清除鉆井液中的固相顆粒，通過獨特的處理過程重復(fù)利用鉆井液。物理處理方法主要是利用頁巖振動篩、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于傳統(tǒng)方法來說，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間，降低了廢棄鉆井液的處理成本。9．壓裂液回收利用頁巖氣儲層通常采用水平井分段壓裂技術(shù)進行增產(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，減少壓裂施工車輛，同時減少了有害化學(xué)物質(zhì)的泄漏。返排水的體積取決于儲層特性，頁巖氣水平井能返排出原始壓裂液體積的15％—35%。目前哈里伯頓公司研制了CleanWave水處理裝置，其通過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2．6萬桶返排水。當(dāng)返排水流經(jīng)電凝裝置時，釋放帶正電的離子，并和膠狀顆粒上面帶負電的離子相結(jié)合，產(chǎn)生凝固。與此同時，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，需要采取進一步的處理措施。三、認識與建議“井工廠”開發(fā)中鉆井、完井、壓裂等進行流水式作業(yè)，采用批量化的工作模式，使資源利用最大化，同時地面工程及生產(chǎn)管理也得到簡化。新型鉆機、陀螺儀隨鉆測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”開發(fā)優(yōu)快鉆進提供了保障?！熬S”開發(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，大大降低頁巖氣開發(fā)成本，同時減少了對環(huán)境的污染。我國的很多頁巖氣有利區(qū)存在交通不便、水資源缺乏、井場選擇受到限制等問題，利用“井工廠”開發(fā)將是今后發(fā)展的主要趨勢，我國石油公司應(yīng)積極儲備相關(guān)技術(shù)。僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.Nurfurden