页岩气井工厂化开发关键技术Word文档格式.docx

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自从美国1821年完钻世界上第一口页岩气井以来，页岩气钻井先后经历了直井、水平井、丛式“井工厂”的发展历程。

加拿大能源公司（EnCana）最先提出“井工厂”开发的理念，是使用水平井钻井方式，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。

页岩气“井工厂”开发的目的是为了提高开发的经济性，同时通过在一个井场钻多口井减少钻完井对环境的影响。

主要有以下优点：

①利用最小的丛式井井场使开发井网覆盖储层区域最大化，减少了井场的占地面积；

②多口井集中钻完井和生产，减少了人力成本、钻完井施工车辆及钻机搬家时间，同时地面工程及生产管理也得到简化，大大降低了作业成本；

③多口井依次一开、固井，二开、再依次固完井，钻井、固井、测井工序间无停待，实现设备利用最大化，提高了作业效率；

④多口井在相同开次钻井液体系相同，钻井液重复利用，大幅降低钻井液用量，减少钻井费用；

⑤多口井进行同步压裂，改变井组间储层应力场的分布，有利于形成网状裂缝，提高页岩气的产能和最终采收率；

⑥压裂液返排后回收利用，节约成本又有利于保护生态环境；

“井工厂”开发也存在着缺点，主要包括：

增加了井眼轨迹控制难度，对设备和技术要求较高；

总体井组钻井周期较长，一般要在整个井组完钻后才可进行后续的作业；

加大了现场工程监督难度。

近年来，“井工厂”作业方式在北美页岩气的开发得到了广泛应用，针对不同的页岩气区块的实际情况，产生了积极的影响。

Marcellus页岩气区位于山区，地表特征限制了井场的位置，同时存在水供应和压裂水处理等难题，之前主要采用垂直井开发，经济效益较差。

自2007年开始作业者开始采用“井工厂”开发模式，大大提高了勘探开发的经济性，同时减少了对环境造成的影响，截止2011年，超过78％的井利用“井工厂”模式开发。

Barnett页岩气区紧靠市区，作业者采用“井工厂”开发可以减少占地面积。

2011年，Devon能源公司在该区块一个井场钻了36口井，大大减少占地面积。

在HornRiver页岩气区，作业者为了提高页岩气开发经济性，通过采用“井工厂”开发模式，减少了21％的总作业成本。

这些实例证实了页岩气“井工厂”开发是一种有效的作业模式。

二、“井工厂”开发的关键技术

1．井场部署

区块“工厂化”模式布井的原则是用尽可能少的井场布合理数量的井，以优化征地费用及钻井费用。

单个井场占地面积由井组数决定，一个井场中设计的井组数越多，井场面积越大，需要综合考虑钻井和压裂施工车辆及配套设施的布局。

地面工程的设计需要考虑工程和环境的影响，为“井工厂”开发提供保障，同时使占地面积最小化。

需要考虑的因素有以下几点：

①满足区块开发方案和页岩气集输建设要求；

②充分利用自然环境、地理地形条件，尽量减少钻前工程的难度；

③考虑钻井能力和井眼轨迹控制能力；

④最大程度触及地下页岩气藏目标；

⑤考虑当地地形地貌，生态环境，以及水文地质条件，满足有关安全环保的规定。

2．井组优化设计

目前，国外页岩气“井工厂”钻井在单井场最多布36口井，采用单排或多排排列，布局需要充分考虑作业规模、地质条件（井生产能力）、地面条件限制等因素。

单排丛式井井间距一般为10一20m，多排丛式井井间距一般为10—20m，排间距为50m左右。

井下水平段间距由压裂主裂缝扩展范围大小决定，其原则是为了使压裂作业所形成的网络裂缝体积最大化。

如果水平井井眼轨迹方位与最小水平主应力平行，有利于压裂主裂缝的扩展，同时容易形成裂缝网络，井下水平段间距一般大于350m；

如果水平井井眼轨迹方位与最小水平主应力斜交，在高应力各向异性区能防止井壁的坍塌，但是压裂主裂缝的扩展长度有限，井下水平段间距在200～300m。

3．可移动钻机

为了适应页岩气“井工厂”开发需要，国外公司开发出了全液压可移动钻机。

可移动钻机系统以液缸作为提升系统，并由全套液压动力系统取代以往的绞车、井架等设备，具有结构简单、噪音小、污染少、自动化程度高等优点，可大幅提高作业效率、降低作业成本帕j。

相对于常规钻机来说，该钻机具有以下优势：

①高移动性能。

采用底座整体移动技术，通过优化钻机移动模块来实现钻机的自由移动，减少了钻机的拆卸、搬迁、安装等时间；

②自动化。

采用电、液、气一体化智能控制技术、嵌入自动钻井的力学计算程序的数字计算机钻井界面、精确的定位控制和远程控制等；

③减少作业人员。

钻井操作只需要配备4名人员，钻台几乎所有的操作都由司钻完成，另外配备地面及其它辅助人员3名即可进行钻井生产作业；

④占地面积小。

对环境保护具有积极作用；

⑤适应性。

所有的设备配备钻3000m井深的能力。

4．批量化作业

为了节省时间，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，其特点是体形小，重量轻，价格低廉，钻速快。

对于500m的表层，每口井只需36h。

这样就可以迅速完成表层钻井，钻完第1口井迅速转到下一口井，在钻表层时不需要改变泥浆体系和钻杆。

这样顺次一开钻完所有的井后再移钻机回到第一口井开始二开的钻进，重复以上操作直到二开钻完所有的井，再次移钻井平台回到第一口井开始三开，依次类推钻完所有的井。

对于一开井深不长的情况，可以先一开钻固完表层后继续二开钻井及下套管固井后再移钻机至下一口井开钻“’8J，这种工序可以减少作业成本达10％以上。

压裂施工的作业也可以实现批量化施工，即压裂“井工厂”，即在一个中央区对相隔数百米至数千米的井进行压裂，所有的压裂设备都布置在中央区，不需要移动设备、人员和材料就可以对多个井进行压裂，大大降低压裂施工成本。

5．井眼轨迹控制技术

5.1井眼轨迹设计

为了减少井间防碰的可能，“井工厂”多井平台在实钻过程中需要实时调整，具体步骤包括一1：

①取得真正井位坐标以及修正的地质目标后，确定槽口分配方案；

②利用地质设计的井位与靶点坐标进行初步井眼轨道设计；

③将不同深度处的测量不确定椭圆叠加到井眼轨迹上，观测是否发生井碰；

④表层井眼钻成并测量后，根据实际井眼轨迹，重新设计井眼轨道并进行防碰评估。

表层特别强调垂直钻进，并且每口井表层都要测斜。

为了防止浅层井碰，二开造斜率较小，采用陀螺仪随钻测量工具定向，保证后期作业安全。

三开利用油基钻井液体系、PDC钻头和高造斜率旋转导向工具钻进至最大深度。

5.2高造斜率旋转导向系统

“井工厂”开发的水平井井眼轨道采用三维井眼，可以减少防碰风险和提高井筒与目标储层的接触面积，但是增加了钻井的难度，图2为“井工厂”井位布置及典型轨迹。

三维井眼轨道水平井进入水平段的造斜率比二维井眼要高得多。

传统的旋转导向系统造斜率在（50一60）／30m，需要较长的曲线段才能钻遇储层，造斜点选在较靠上的位置。

目前斯伦贝谢和贝克休斯公司开发了一种高造斜率的旋转导向系统，造斜率可达（10～15）／30m，甚至更高。

该系统能使井眼更早到达储层，增大井筒与储层的接触面积。

作业者可以选择在更深的地方选择造斜点，增大垂直段，减少防碰的风险。

新系统的开发基于已有的旋转导向原理做了轻微的调整，包括三点几何、BHA的硬度和钻头特性等。

6．水平井同步压裂

水平井同步压裂是指对相邻的2口或2口以上的水平井进行同时压裂，采用这种压裂方式的页岩气井产能增加明显。

为了使压裂形成有效的裂缝网络，水平井井眼轨迹方位一般与最小水平主应力一致，水平段之间的间距一般等于水平井压裂主裂缝的长度。

所钻水平井的水平段在同一储层，各水平井所设计的压裂级数相近，采用从趾端到跟端的压裂顺序，各水平井的每一级压裂同时进行。

待所有的压裂完成后再进行返排，推迟返排可以增加井底压力，使得压裂裂缝周围应力大小和方位发生变化而形成低应力各向异性区，压裂产生垂直于井筒的主裂缝的同时，沟通了地层的天然裂缝和应力释放缝，能形成有效的裂缝网络。

增加了裂缝的密度和表面积，增加改造体积，并将各水平井有效地沟通，从而快速提高页岩气井的产量和最终采收率，图3为5口水平井同步压裂形成的有效裂缝网络。

各水平井水平段之间的间距为150nl，受到压裂裂缝对地应力大小和方向的影响，使得后续压裂裂缝沿着新的最大水平地应力方向扩展，同时能有效沟通页岩地层的原生裂缝和弱面滑动产生的次生裂缝，形成有效的裂缝网络。

同步压裂技术在美国页岩气区块的试验表明，其单井产能要比单独进行压裂的页岩气井的前期产能要高。

7．裂缝监测技术

页岩气储层改造过程中，需要使用裂缝监测技术监测裂缝的情况，以评估压裂效果，目前最常用的是微地震裂缝监测技术。

该技术利用在井中或地面安装的地震检波器来监测压裂裂缝的走向和分布。

能实时提供压裂施工产生裂缝的高度、长度和方位角，通过微地震监测结果可以优化压裂设计方案、优化“井工厂”井组的设计，同时对油藏模型综合分析具有重要意义。

页岩气储层进行水力压裂时，大量高压流体被注入储层，使得孔隙流体压力迅速提高，高孔隙压力以剪切破坏和张性破坏两种方式引起岩石的破裂。

岩石破裂时发出地震波，储存在岩石中的能量以波的形式释放出来。

这些弹性波信号通过监测仪器检测，通过数据的分析处理可以判断微地震的震源在空间和时间上的分布，最终得到水力压裂裂缝的缝高、缝长和方位等参数。

8．钻井液循环利用

钻井液循环利用系统利用物理和化学的方法来清除钻井液中的固相颗粒，通过独特的处理过程重复利用钻井液。

物理处理方法主要是利用页岩振动筛、泥砂清除设备、脱水设备和大型泥浆罐处理。

化学处理方法是通过加入化学助剂，中和钻井液中的固相颗粒和降低钻屑与油基钻井液间的表面张力，将钻屑从流体中分离。

相对于传统方法来说，利用钻井液循环利用系统减少了钻井液、水资源的利用和钻井液配制时间，降低了废弃钻井液的处理成本。

9．压裂液回收利用

页岩气储层通常采用水平井分段压裂技术进行增产，压裂液的配制需要使用大量的淡水资源，平均一口页岩气水平井压裂需要水7000—20000m3，在水资源贫乏地区，压裂成本非常高。

采用压裂液回收利用系统，可以大大减少用水量，减少压裂施工车辆，同时减少了有害化学物质的泄漏。

返排水的体积取决于储层特性，页岩气水平井能返排出原始压裂液体积的15％一35％。

目前哈里伯顿公司研制了CleanWave水处理装置，其通过电流处理压裂返排水，破坏水中胶状物质的稳定分散状态，使之凝结，使用最少的电能，就可以每天处理2．6万桶返排水。

当返排水流经电凝装置时，释放带正电的离子，并和胶状颗粒上面带负电的离子相结合，产生凝固。

与此同时，在阴极产生的气泡附着在凝结物上面，使其漂浮在表面，由表面分离器去除，较重的絮凝物沉到水底，留下干净的清水。

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