页岩气平台复杂山地工厂化作业技术

曾凌翔, 廖 刚, 叶长文

(1中石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司 2中石油川庆钻探工程有限公司试修公司 3中石油川庆钻探工程有限公司川西钻探公司)

页岩与致密油气的非常规油气资源量是常规油气的8倍之多[1]。美国页岩气可采资源量18.83×1012m3[2]，截止2014年，美国页岩气产量呈指数增长，年产量已达到3 700×108m3[3]，而中国页岩气可采储量为美国的1.33倍。

页岩气藏具有非均质性强、孔隙度低、渗透率低、岩石致密、储量丰度低等地质特点，主要采用水平井体积压裂形成缝网实现高效开发。降低成本、提高作业效率的工厂化作业模式已在北美地区页岩油气等低渗透的非常规油气资源开发中得到规模应用[4-7]。美国Marcellus、Haynesville、Woodford、Barnett等8个页岩气区块的平均单井开发成本3～9百万美元[3]，具有良好的投资回报率，而我国成本相对还较高。

常规开采模式主要是一口井完成钻井、压裂、试气油、开采等工序之后才对另一口井重复上述作业。该模式施工周期长、效率低、费用高、投产速度慢等。工厂化作业模式是一种批量化、流程化、标准化、自动化的作业模式，在同一平台尽量完成多口井的钻完井作业，实现效益的最大化。涵盖技术主要有工厂化钻井技术、工厂化压裂技术、工厂化试气/油测试技术等，能够达到组织结构合理优化、施工人员精简、井场占地减少、设备共享利用、工作液循环/重复利用、建井周期缩短等目的，特别适用于页岩油气等低渗透的非常规油气资源的开发作业。

一、山地工厂化钻井作业技术

采用先进钻井技术、理念，系统优化管理整个钻井过程的各项因素，进行批量钻井，提升钻井效能。工厂化钻井关键技术主要包括钻机平移技术、批量钻井技术、工厂化钻井装备配套技术等。并行作业即两个或者多个事件在同一时刻发生；应用在钻井作业上即开展两条线作业，一条主线，影响作业周期的。工厂化作业技术就是要抓住主线，增加辅线，即增加并行作业。把测录固与钻井作业衔接，减少钻井的等停时间。配套完善了钻机平移作业流程及装备，平均平移周期较钻机改造前缩短5.4 d，平均复工时间35 h。

1.钻机平移技术

钻机平移技术可大幅缩减钻机搬迁时间，同时为批量化、流程化钻井模式奠定了基础，根据移动方式分为液压滑轨式和液压步进式，目前平均平移时间1.3 h。

液压滑轨式虽然其移动导轨体积大，但该平移技术满足钻机全钻具平移，钻机平移准备工作量小，平移过程平稳、安全、移位准确，可应用于纵向井位较多、钻机总重量较大、平移频繁的钻机。

液压步进式体积较小、拆安简便，组织平移装置安装可在钻机运行中途介入，钻机平移方向可纵向或横向。同时在钻机平移时，钻具在钻台面上随之平移，无需甩钻具，提高了钻井工作效率；装置总体结构紧凑，安装简便，动作平稳，移位准确。液压步进式钻机平移技术目前仅对于电动钻机使用。

2.依据钻井液类型选择批量钻井技术

流水线作业，相互依靠是工厂化批量钻井的核心。实施批量钻井就是要减少钻井液总体用量，从而减少环境污染。只有当同一个平台只有一套水基钻井液和一套油基钻井液的时候，钻井液总体用量是最少的。

为了达到该目的，双钻机作业的时候，需要错开作业，即一口井钻进完水基后，开始钻油基的时候，另一口井接着钻水基钻井液。采用这种模式就满足了批量钻井的总钻井液体积量最少的条件。

二、山地工厂化压裂作业技术

1.工厂化压裂作业模式

页岩气压裂模式主要分为：同步压裂作业模式与拉链压裂作业模式。采用同步压裂作业模式，时效快，最高可达8段/d，但是此模式压裂车多、设备多、井场占地面积大。采用拉链压裂作业模式，最高时效可达3段/d，需要压裂车少、设备少、井场占地面积小，但是若出现井下复杂情况，施工效率相对较低。

时效性：同步压裂>拉链压裂>单井压裂；经济性：拉链压裂>单井压裂>同步压裂。综合分析，推荐采用拉链压裂作业模式进行施工，目前作业时效最高达2.98段/d。

2.标准化工厂化压裂

2.1 井场功能区域化、模块化

以压裂作业区域、测井作业区域、连续油管作业区域、测试流程区域四大区域为主，液罐区域、加油区域、物资储存区域等为辅助区域。压裂模块主要有连续供水模块、连续加砂模块、连续泵注模块等。

2.2 流程化作业程序

如图1所示，流程模块化(段塞式加砂作业流程、连续加砂流程等)、设备精简化；泵枪与压裂流程互不影响，施工过程中快速应急处理。

图1 模块化流程示意图

3.配套工艺技术

针对页岩气压裂施工规模大、排量高等特点，已形成连续混配技术、大型供储水模式、返排液重复利用技术等。目前连续混配胶液供液能力为14 m3/min，滑溜水为25 m3/min。

4.设备升级及安全配套

免破袋供储砂设备的储砂能力95 m3，输砂量1.5 m3/min。输砂效率是现有吊车作业的2倍以上且仅需一人操作，大大降低了成本，提高了安全性。井口配套优化，满足了大排量注入需求，减小了节流影响。多井井口连接装置，减少管线连接数量，通过阀门切换施工不同的井，缩短了时间。井口操作平台提高高空作业安全，多路加油机提高加油效率、降低消防安全风险。

三、工厂化测试作业技术

工厂化测试技术是页岩气勘探开发的一个重要组成部分，是认识页岩气区块，验证地震、测井、录井等资料准确性的最直接、有效的手段。复杂山地模块化地面测试流程成功应用了10余个平台，安装效率提高了47.6%，管线减少了22.9%，能够实现压裂返排测试、试采一体化。

1.工厂化试油测试地面流程设计

工厂化试油测试地面流程设计，总体原则就是以模块化地面测试技术为依据，减少地面流程的使用套数。同时，能满足多口井同时作业，满足多口井不同工况作业的同时进行。目前，大多数页岩气平台普遍为6口井，现在将该流程大致划分为井口并联模块、捕屑除砂模块、降压分流模块和分离计量模块，提出了利用多流程井口并联模块化布局，以解决整个页岩气平台的地面试油测试需求。具体地面流程如图2所示，该流程可同时满足6口井分别进行加砂压裂、钻塞洗井、返排测试等不同工况的作业。

图2 工厂化试采地面流程示意图

(1)井口并联模块(2)捕屑除砂模块(3)降压分流模块(4)分离计量模块

2.工厂化地面流程配套关键装备

2.1 捕屑器

主要用于页岩气等非常规气藏钻桥塞或水泥塞作业中担任捕屑角色，从井筒返出的携砂流体，首先进入滤筒内部，通过内置滤筒拦截钻塞过程中井筒流体带出的桥塞等碎屑，经滤筒过滤后的流体再从侧面流出，碎屑被滤筒挡在其内部，从而实现碎屑和流体的分离，避免桥塞碎屑等固体颗粒大量进入下游，能有效地防止流程油嘴被堵塞或节流阀被刺坏，保障作业过程中流程设备和管线的安全，保证作业的连续性。

2.2 105 MPa旋流除砂器

105 MPa旋流除砂器是通过在超高压除砂罐内设置旋流筒，将井流切向引入旋流筒内，产生组合螺线涡运动，利用井流各相介质密度差，在离心力作用下实现分离。旋流除砂器设有超高压集砂罐，在集砂罐上设置了自动排砂系统，利用除砂器砂筒内部压力可将罐内积砂快速排出，可实现密闭排放。

2.3 节流-加热-分离计量一体化装置

井筒产出流体经上游管汇进入节流保温分离计量一体化装置节流控压部分，进人一体化装置加热保温，在该部分的盘管中绕行时，产生热量交换，从而将流体温度升高，然后进入气液分离元件内部，采用旋流、折射与重力沉降的方式分离，气体从液体中逸出并上升，通过气液分离元件罐体内部聚结板进一步分离后，再经过消泡器和除、吸雾器净化，净化后的气体从气路出口排出，经气路出口管汇上的气体流量计计量，并通过气控系统来控制气体排放量；分离元件罐体内部的分离聚集液体从液出口排出，经液路出口管汇上的液体流量计计量，并通过气控系统来控制液体排放量。气液分离元件底部沉降的固体颗粒在罐体内部压力的作用下同时经排砂出口管路排放。

四、结论及建议

(1)工厂化作业模式是一种批量化、流程化、标准化的作业模式，涵盖工厂化钻井技术、工厂化压裂技术、工厂化测试技术等方面，能够达到组织结构合理优化、施工人员精简、井场占地减少、设备共享利用、工作液循环/重复利用、建井周期缩短等目的，特别适用于页岩气的开发作业。

(2)井场功能区域化、模块化、作业程序流程化、配套设备升级及工艺优化，初步形成了标准化工厂化作业。

(3)完善钻机平移作业流程及配套装备，平均平移周期较钻机改造前缩短5.4 d；平均钻井复工时间35 h；拉链压裂作业模式可以取得较好的时效性与经济性，优化后作业时效已达2.98段/d；模块化地面测试流程，安装效率提高了47.6%，管线减少了22.9%，能够实现压裂返排测试、试采一体化。