周賢海, 臧艷彬

(1.中國石化江漢油田分公司地質(zhì)工程設(shè)計監(jiān)督中心，湖北潛江 433124；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101)

涪陵地區(qū)頁巖氣山地“井工廠”鉆井技術(shù)

周賢海1, 臧艷彬2

(1.中國石化江漢油田分公司地質(zhì)工程設(shè)計監(jiān)督中心，湖北潛江 433124；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101)

涪陵頁巖氣田地處山地，環(huán)境復(fù)雜，井場面積受限，鉆前與鉆井施工組織難度大、成本高。為此，借鑒國外頁巖氣工廠化流水作業(yè)理念，針對涪陵山地特點及頁巖氣地質(zhì)與開發(fā)特征，開展了涪陵山地“井工廠”井網(wǎng)部署和井眼軌道設(shè)計、井間快速移動鉆機改造、工廠化鉆井作業(yè)流程設(shè)計、批量化作業(yè)方案設(shè)計等方面的研究，形成了適應(yīng)涪陵山地特點的頁巖氣“井工廠”鉆井技術(shù)。在JY30和JY28平臺的應(yīng)用表明，涪陵地區(qū)頁巖山地“井工廠”鉆井技術(shù)具有提高鉆機作業(yè)效率、縮短建井周期、提高資源綜合利用率和降低廢液排放量等技術(shù)優(yōu)勢，并保障了涪陵頁巖氣井4井式平臺當(dāng)年完成建平臺、開鉆、完鉆、壓裂試氣和投產(chǎn)目標(biāo)的實現(xiàn)，對國內(nèi)類似頁巖氣區(qū)塊的開發(fā)具有借鑒意義。

頁巖氣 井工廠 鉆井 山地 涪陵地區(qū)

涪陵頁巖氣田位于川東南山地-丘陵地區(qū)，地表為典型的喀斯特地貌，鉆前施工、井場建設(shè)和鉆井材料運輸?shù)榷济媾R極大挑戰(zhàn)，鉆井工程建設(shè)周期長、成本高。根據(jù)北美地區(qū)頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗和國內(nèi)相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果，“井工廠”鉆井技術(shù)具有減少征地面積、提高鉆機使用效率、降低作業(yè)成本和提高材料綜合利用等諸多優(yōu)勢[1-6]，已在國內(nèi)非常規(guī)油氣藏開發(fā)中取得了較好的應(yīng)用效果[7-10]。因此，為提高涪陵頁巖氣田鉆井效率，降低鉆井工程費用，圍繞涪陵地區(qū)山地的地表特點及頁巖氣開發(fā)鉆井工程技術(shù)要求，對山地“井工廠”鉆井平臺布井方案優(yōu)化、“井工廠”水平井軌道優(yōu)化設(shè)計、“井工廠”鉆機設(shè)備的改造與配套以及“井工廠”鉆井作業(yè)流程設(shè)計進行研究，形成了適用于涪陵山地特點的“井工廠”高效鉆井技術(shù)，并在JY30和JY28平臺進行了應(yīng)用，取得了較好的效果。

1 鉆井平臺布井方案優(yōu)化

涪陵地區(qū)頁巖氣田一期產(chǎn)建區(qū)動用面積229.4 km2，動用儲量1 697.9×108m3。根據(jù)成像測井成果，該地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組下部最大水平主應(yīng)力方向近東西向，水平段設(shè)計方位與最大水平主應(yīng)力方向垂直，為南北向。氣藏工程研究表明，合理的水平段長度為1 500 m，水平井間距為600 m，水平段端點間距為100 m。根據(jù)氣藏工程研究成果，涪陵頁巖氣田一期產(chǎn)建區(qū)部署253口水平井，水平段平均埋深2 700 m，單井平均井深4 600 m，開發(fā)井網(wǎng)如圖1所示。

1.1 布井方案設(shè)計

“井工廠”井場布置需要考慮工程和環(huán)境的影響，在滿足工程施工的同時，占地面積應(yīng)盡量小。需要考慮的具體因素有：1)滿足產(chǎn)建開發(fā)方案和頁巖氣集輸建設(shè)要求；2)充分利用自然環(huán)境和地形條件，盡量降低鉆前工程難度；3)考慮鉆井能力和井眼軌跡控制能力；4)最大程度地動用頁巖氣儲量資源；5)考慮地形地貌、生態(tài)環(huán)境以及水文地質(zhì)條件，滿足安全環(huán)保規(guī)定[11]。

為滿足開發(fā)井網(wǎng)的要求，根據(jù)目前水平井鉆井工藝技術(shù)水平、并結(jié)合山地條件下的鉆井平臺建造特點，提出了常規(guī)“米”字形布井與平臺交叉布井2種模式，形成了3套平臺布井方案(見圖2)。方案1，“米”字形井網(wǎng)布井，垂直靶前距離400 m；方案2，相鄰平臺交叉布井，垂直靶前距離400 m；方案3，2套“米”字形井網(wǎng)疊合，形成交錯井網(wǎng)布井，垂直靶前距離850 m。

方案1為1平臺6口井，南北方向各3口井，工程難度適中，平均單井占用井場面積小，但靶前距的存在造成較大一部分面積的儲量沒有動用。

方案2為1平臺3口井，與相鄰平臺向南(或向北)方向3口井交叉，工程難度適中，靶前距不會造成儲量損失，能夠充分動用資源，但平臺利用率低，平均單井占用井場面積較大。

方案3為1平臺6口井，南北方向各3口井，相鄰平臺交叉鉆探，靶前距較大，工程難度較大，平均單井占用井場面積小，靶前距不會造成儲量損失，能夠充分動用資源。

經(jīng)綜合分析對比，最終采用方案3，該方案既能充分動用資源，又能充分利用平臺?？紤]涪陵地區(qū)的地層特征及表層套管下深要求，對于氣藏埋深2 500 m以淺的平臺可以考慮部署4口井。

1.2 “井工廠”平臺布局

2013年,涪陵地區(qū)平均完井周期為94 d，鉆井平臺修建工期至少需要30 d。這樣，一個4井平臺在常規(guī)叢式水平井條件下很難達(dá)到當(dāng)年建平臺、當(dāng)年建產(chǎn)能的目標(biāo)。采用“井工廠”鉆井模式，如果平均單井鉆機占用平臺時間能控制在70 d之內(nèi)，則一個4井平臺就可以達(dá)到當(dāng)年建平臺、當(dāng)年建產(chǎn)能的目標(biāo)。立足于當(dāng)年建平臺、當(dāng)年建產(chǎn)能的目標(biāo)，“井工廠”平臺布局為：6井平臺采用雙鉆機雙排布局，井場規(guī)格與井口布局如圖3(a)所示，井間距為10 m，排距為50 m；4井平臺采用單鉆機，井場規(guī)格與井口布局如圖3(b)所示，井間距為10 m。

地面構(gòu)筑物包括清水池2個，每個容積1 000 m3；放噴池2個，每個容積300 m3；清水池、放噴池整個平臺共用；井均污水池(含巖屑池)容積為1 000 m3。

2 水平井軌道優(yōu)化設(shè)計

2.1 井眼軌道設(shè)計

涪陵頁巖氣“井工廠”平臺井眼軌道具有以下特點[12]：1)偏移距大。為保證單井控制儲量，各井水平段間距600 m，各水平段處于平行狀態(tài)，6井平臺的平均偏移距為600 m，4井平臺的平均偏移距為300 m。2)靶前位移大。為實現(xiàn)地下井網(wǎng)全覆蓋，不浪費儲量資源，采用交錯式井網(wǎng)開發(fā)頁巖氣，單井靶前位移要850 m以上。3)水平段長。水平段平均長度設(shè)計為1 500 m。為此，從井眼剖面選擇、軌道參數(shù)等方面進行了優(yōu)化設(shè)計[13-14]。

井眼剖面設(shè)計。選擇雙弧剖面，在兩增斜段之間增加穩(wěn)斜調(diào)整段，即采用“直—增—穩(wěn)—增—水平段”剖面。這樣設(shè)計的原因：一方面，是為了適應(yīng)在實鉆中目的層深度發(fā)生變化時，改變調(diào)整方案而不致于使井眼軌跡控制處于被動地位；另一方面，可通過調(diào)整段來補償工具造斜率誤差所造成的軌道偏差，使軌跡在最終著陸時進靶更準(zhǔn)確、更順利。

軌道參數(shù)設(shè)計。造斜點選在二疊系茅口組或棲霞組地層；定向造斜井段的造斜率設(shè)計為(15°～18°)/100m，水平段調(diào)整軌跡時設(shè)計造斜率為10°/100 m；二維水平井穩(wěn)斜角控制在40°以內(nèi)，三維水平井穩(wěn)斜角控制在35°以內(nèi)。

2.2 防碰設(shè)計

由于涪陵地區(qū)頁巖氣開發(fā)相鄰平臺采用交叉布井模式，防碰設(shè)計時既要考慮同平臺上部井眼防碰，還有考慮相鄰平臺交叉井大斜度井眼的防碰。

同平臺井防碰措施:1)地面井口距離選擇井間距10 m，4井平臺排間距12 m、6井平臺(雙鉆機)排間距50 m；2)有條件的情況下，井場方向盡可能選擇東西向；3)優(yōu)選造斜點深度，以確保井間距離安全。

相鄰平臺防碰措施：相鄰平臺由于交叉鉆探，為避免水平段著陸前相碰，設(shè)計時在開發(fā)井網(wǎng)的基礎(chǔ)上，相鄰2組井的水平段分別向西、向東統(tǒng)一偏移25 m，這樣在著陸前相對應(yīng)的水平段就有50 m的理論間距，可以有效避免相鄰水平段在著陸前相碰。

3 鉆機設(shè)備的改造與配套

為滿足“井工廠”鉆井作業(yè)對鉆機快速移動的要求，對鉆機運移方式進行了調(diào)研分析，并進行了對比(見表1)，優(yōu)選了適用于涪陵山地條件的鉆機快速運移方式。

從表1可以看出，滑軌式鉆機運移裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作和維護方便，配套周期短，只需增加滑軌和液壓運移裝置，且液壓運移裝置可以多平臺共用，在涪陵地區(qū)適用性較好。在此基礎(chǔ)上，對該地區(qū)“井工廠”鉆井設(shè)備移運方案進行了優(yōu)化：1)鉆機、井架和鉆井平臺(包括鉆具)整體移動，循環(huán)系統(tǒng)、鉆井泵、發(fā)電房不移動；2)防噴器組作為一個整體隨鉆機移動并安裝；3)采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流管匯及支架，解決鉆井液高壓管匯和防噴管匯的問題；4)采用轉(zhuǎn)接泵，解決鉆井液長距離輸送的問題；5)采用電纜轉(zhuǎn)接房，滿足井間移運時電纜的收放；6)采用氣動絞車吊移坡道與主梯。

4 鉆井作業(yè)流程設(shè)計

根據(jù)井眼直徑相同(開次相同)和鉆井液體系相同或相近的基本原則，結(jié)合涪陵地區(qū)山地地表環(huán)境、地質(zhì)特征以及頁巖氣開發(fā)需求，優(yōu)化形成了該地區(qū)“井工廠”鉆井作業(yè)流程(以4井式平臺為例)。

1) 第1個作業(yè)流程：導(dǎo)管與表層作業(yè)。

第1口井：a.立井架，調(diào)試鉆機設(shè)備；b.開孔鉆進；c.下導(dǎo)管,固井,裝防噴器,試壓,準(zhǔn)備一開鉆進；d.一開鉆進；e.下表層套管，固井；f.移井架(鉆機)至下口井。第2口、第3口井：重復(fù)第1口井的步驟b—f，利用離線作業(yè)時間安裝上口井的一級套管頭。第4口井：完成步驟b—f后安裝一級套管頭，轉(zhuǎn)入第2個作業(yè)流程。

2) 第2個作業(yè)流程：φ311.1 mm井眼鉆進與技術(shù)套管固井作業(yè)。

第4口井：a.組裝二開井口防噴器組,連接井控管匯；b.連接井控裝置，試壓；c.下鉆探塞,鉆塞；d.二開直井段鉆進；e.定向造斜鉆進；f.通井,電測；g.下入技術(shù)套管,固井；h.移鉆機至下口井。在二開直井段鉆進期間，利用離線作業(yè)時間配制KCl水基鉆井液。第2口、第3口井重復(fù)步驟b—h，利用離線作業(yè)時間安裝上口井的二級套管頭。第1口井完成步驟b—g后安裝二級套管頭，轉(zhuǎn)入第3個作業(yè)流程。

3) 第3個作業(yè)流程：φ215.9 mm井眼鉆進與生產(chǎn)套管固井作業(yè)。

第1口井：a.配制油基鉆井液；b.連接井控裝置,試壓；c.下鉆探塞，鉆塞；d.三開定向造斜鉆進；e.水平段鉆進；f.通井、電測；g.下生產(chǎn)套管、固井；h.移鉆機至下口井。第2口、第3口井重復(fù)步驟b—h，利用離線作業(yè)時間，安裝上一口井的油管頭。第4口井完成步驟b—g后安裝油管頭，轉(zhuǎn)入第4個作業(yè)流程。

4) 第4個作業(yè)流程：完井作業(yè)與試氣準(zhǔn)備。

第4口井：a.安裝井控裝置,試壓；b.接小鉆具；c.下鉆探塞,掃塞；d.刮壁；e.通徑,替射孔液；f.測固井質(zhì)量,套管試壓；g.移鉆機至下口井。第2口、第3口井重復(fù)步驟a—g，利用離線作業(yè)時間安裝上口井的蓋板法蘭。第1口井完成步驟a—g后，安裝蓋板法蘭,甩鉆具，放井架準(zhǔn)備搬遷。

5 應(yīng)用效果分析

2014年，涪陵地區(qū)12個鉆井平臺應(yīng)用了“井工廠”鉆井技術(shù)，其中有2個平臺(JY30、JY28)完成了全部鉆井工作。JY30和JY28“井工廠”鉆井技術(shù)指標(biāo)及其鄰平臺JY21情況見表2。

由表2與涪陵地區(qū)其他鉆井情況可知，應(yīng)用山地“井工廠”鉆井技術(shù)之后取得了較好的效果：

1) 實現(xiàn)了鉆井提速，提高了鉆機作業(yè)效率，加快了頁巖氣建產(chǎn)進程。與同期的常規(guī)叢式井4井平臺相比，“井工廠”鉆井平臺平均機械鉆速提高了1.36 m/h(約提高16%)，單井鉆完井周期縮短了16.5 d(約縮短23%)，單井建井周期縮短了24 d(約縮短28%)；與2014年涪陵地區(qū)平均鉆井指標(biāo)相比，機械鉆速提高了2.01 m/h(約提高25%)，單井鉆完井周期縮短了19.5 d(約縮短26%)，單井建井周期縮短了24 d(約縮短28%)。首個“井工廠”鉆井平臺JY30，于2014年1月7日鉆前施工，2月20日第1口井開鉆，9月1日平臺4口井全部完鉆，10月1日完成全部鉆井工作(含試氣井筒前期準(zhǔn)備)，10月16日開始試氣工作，2014年12月30日投產(chǎn)，實現(xiàn)了當(dāng)年建平臺、當(dāng)年建產(chǎn)能的目標(biāo)。JY28平臺于2014年2月16日鉆前施工，4月10日第1口井開鉆，12月16日交平臺，2015年2月12日完成全部試氣工作，達(dá)到投產(chǎn)條件，也實現(xiàn)了當(dāng)年建平臺、當(dāng)年建產(chǎn)能的目標(biāo)。

2) 降低了鉆井成本，減少了廢液的排放量。與同期的常規(guī)叢式井4井平臺相比，“井工廠”鉆井平臺平均單井節(jié)約16.5 d的鉆機錄井作業(yè)費用；KCl水基鉆井液用量由500 m3/井降至250 m3/井，節(jié)約50%；油基鉆井液用量由300 m3/井降至215 m3/井，節(jié)約28%；因鉆井液體系轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的廢液排放也減少了1 200 m3。

6 結(jié)論與建議

1) 研究形成的涪陵地區(qū)頁巖氣山地“井工廠”鉆井技術(shù)在JY30和JY28平臺進行了應(yīng)用，結(jié)果表明，該技術(shù)能提高鉆機作業(yè)效率、縮短建井同期，實現(xiàn)鉆井提速、增效和減排的目標(biāo)。

2) 綜合考慮涪陵地區(qū)山地地表環(huán)境、頁巖氣開發(fā)井距要求以及“當(dāng)年建平臺、當(dāng)年建產(chǎn)能”的生產(chǎn)運行安排等因素，該地區(qū)“井工廠”鉆井宜采用4井式單鉆機和6井式雙鉆機平臺模式。

3) 目前涪陵地區(qū)使用的鉆機均為大型鉆機，結(jié)構(gòu)龐大，機動性差，占地面積大。建議鉆機制造廠商加快開發(fā)結(jié)構(gòu)型式新穎、模塊尺寸小、井場占用面積小和自動化程度較高的新型鉆機，以滿足頁巖氣“井工廠”開發(fā)作業(yè)的要求。

References

[1] Hummes O,Bond P R,Symons W,et al.Using advanced drilling technology to enable well factory concept in the Marcellus Shale[R].IADC/SPE 151466，2012.

[2] Poedjono B,Zabaldano J P,Shevchenko I,et al.Case studies in the application of pad design drilling in the Marcellus Shale [R].SPE 139045，2010.

[3] Ladlee J,Jacquet J.The implications of multi-well pads in the Marcellus Shale[R].Ithaca:Community & Regional Development Institute,Cornell University,2011.

[4] 張金成，孫連忠，王甲昌，等.“井工廠”技術(shù)在我國非常規(guī)油氣開發(fā)中的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(1)：20-25. Zhang Jincheng,Sun Lianzhong,Wang Jiachang,et al.Application of multi-well pad in unconventional oil and gas development in China[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(1):20-25.

[5] 劉社明，張明祿，陳志勇，等.蘇里格南合作區(qū)工廠化鉆完井作業(yè)實踐[J].天然氣工業(yè)，2013，33(8)：64-69. Liu Sheming,Zhang Minglu,Chen Zhiyong,et al.Factory-like drilling and completion practices in the joint gas development zone of the South Sulige Project[J].Natural Gas Industry,2013,33(8):64-69.

[6] 路保平.中國石化頁巖氣工程技術(shù)進步及展望[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(5)：1-8. Lu Baoping.Sinopec engineering technical advance and its developing tendency in shale gas[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(5):1-8.

[7] 陳平，劉陽，馬天壽.頁巖氣“井工廠”鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(3)：1-7. Chen Ping,Liu Yang,Ma Tianshou.Status and prospect of multi-well pad drilling technology in shale gas[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(3):1-7.

[8] 韓烈祥，向興華，鄢榮，等.叢式井低成本批量鉆井技術(shù)[J].鉆采工藝，2012，35(2)：5-8,11. Han Liexiang,Xiang Xinghua,Yan Rong,et al.Low-cost batch drilling technology used to drill cluster wells[J].Drilling & Production Technology,2012,35(2):5-8,11.

[9] 劉乃震.蘇53區(qū)塊“井工廠”技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(5)：21-25. Liu Naizhen.Application of factory drilling technology in Block Su 53[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(5):21-25.

[10] 王敏生，光新軍.頁巖氣“井工廠”開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)[J].鉆采工藝，2013，36(5)：1-4. Wang Minsheng,Guang Xinjun.Key technologies of shale gas development by“well factory”[J].Drilling & Production Technology,2013,36(5):1-4.

[11] 曾義金.頁巖氣開發(fā)的地質(zhì)與工程一體化技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(1)：1-6. Zeng Yijin.Integration technology of geology & engineering for shale gas development[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(1):1-6.

[12] 牛新明.涪陵頁巖氣田鉆井技術(shù)難點及對策[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(4)：1-6. Niu Xinming.Drilling technology challenges and resolutions in Fuling Shale Gas Field[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(4):1-6.

[13] 周賢海.涪陵焦石壩區(qū)塊頁巖氣水平井鉆井完井技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(5)：26-30. Zhou Xianhai.Drilling & completion techniques used in shale gas horizontal wells in Jiaoshiba Block of Fuling Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(5):26-30.

[14] 艾軍，張金成，臧艷彬，等.涪陵頁巖氣田鉆井關(guān)鍵技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(5)：9-15. Ai Jun,Zhang Jincheng,Zang Yanbin,et al.The key drilling technologies in Fuling Shale Gas Field[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(5):9-15.

[編輯 令文學(xué)]

Application of “Well Factory” Drilling Technology in the Fuling Shale Gas Field

Zhou Xianhai1, Zang Yanbin2

(1.GeologicalEngineeringDesign&SupervisionCenter,JianghanOilfieldCompany,Sinopec,Qianjiang,Hubei, 433124,China; 2.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing, 100101,China)

Sinopec’s Fuling shale gas field is located in a complex mountainous environment and the pre-drilling and drilling operations are difficult and costly due to well site logistical limitations.Based on the concepts of the “well factory” process used in shale gas development abroad, and considering the terrain and the geologic and development characteristics of shale gas reservoirs in the Fuling Area, investigations into the deployment of “well factory” well patterns, well trajectory design, modification of fast-moving rigs, design of the well factory drilling process, and the design of batch operation schemewere carried out. Byresearching “well factory” technology suitable for shale gas drilling in Fuling Area was formed. Its application in Pad JY30 and JY28 showed that this technology could help increase rig operation efficiency, shorten the well construction cycle, improve the comprehensive utilization rate of resources, and reduce fluid waste discharge in Fuling Area.In addition, platform construction, drilling, completion, fracturing, well testing and production initiation were completed in the same calendar year for a typical four-well pad in the Fuling Area. All these results can provide reference for the development of other similar shale gas fields in China.

shale gas； well factory； drilling； mountainous terrain； Fuling Area

2015-02-01；改回日期：2015-04-20。

周賢海(1962—)，男，湖北公安人，1982年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院鉆井工程專業(yè)，高級工程師，主要從事油氣鉆井工程技術(shù)工作。

中國石化科技攻關(guān)項目“頁巖氣‘井工廠’技術(shù)研究”(編號：P13138)資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201503009

TE249

A

1001-0890(2015)03-0045-05

聯(lián)系方式：(0728)6581366，zhouxianhai.jhyt@sinopec.com。