□ 文/中國石化中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司

頁巖氣壓裂“工廠化”模式

□ 文/中國石化中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司

頁巖氣的勘探開發(fā)離不開水平井分段壓裂技術，水平井分段壓裂技術目前都采用大規(guī)模的縫網體積壓裂工藝技術，其壓裂施工特點是“四多一長”：設備多、用液多、砂量多、井場儲液罐多、施工時間長。以往常規(guī)井的施工組織模式已經不能滿足現場生產提速、降本增效的需求，為此，中國石化中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司對頁巖氣大型壓裂中的各個環(huán)節(jié)進行工廠化管理模式運作，優(yōu)質高效地完成壓裂施工。

建立工廠化管理模式

一、成立工廠化管理組織機構，保障壓裂“工廠化”順利實施。

領導小組下設15個小組（如圖）。其中，各組分工明確，各負其責，但又是統(tǒng)一協(xié)調合作。

二、制訂壓裂“工廠化”管理工作流程實現施工規(guī)范化。

實行扁平式流程化管理，從施工設計理念、每道工序預案制訂到原材料采購、壓裂設備性能優(yōu)化組合，按照專業(yè)小組制定了周密細致的相應管理流程，明確工作程序和職責，實現各單位及會戰(zhàn)小組的整體協(xié)調配合。以壓裂工廠化管理流程的關鍵環(huán)節(jié)為例介紹。

1.設備方面

針對焦石壩頁巖氣壓裂施工排量大、工藝技術要求高的特點，確定使用當前性能最為先進的2500型壓裂車組擔負施工重任，并積極做好相關配套設施的購進和改造工作，特別是對現有的臥式罐統(tǒng)一進行改裝，確保罐體符合重疊放置安全標準。壓裂液罐清洗及液體裝車需要施工人員上罐進行高處及進入罐內受限空間作業(yè)，危險性較大，為此設計了密閉裝車流程及大罐自動清洗裝置，加裝了生命繩，既方便員工安全操作，又避免液體滴漏產生的浪費和污染。

2.QHSE管理方面

一是嚴格落實領導帶班及承包關鍵要害部位責任制。二是推行班組安全建設。三是推行風險管理，重新評價并建立公司重大風險控制清單，完善防范措施及應急預案，將之貫穿于各項活動的全過程，建立起全方位、全流程、全覆蓋的風險管理體系，把風險管理真正落實到班組、落實到崗位。

3.工藝技術方面

根據工廠化管理目標，著重對頁巖儲層天然裂縫發(fā)育、孔滲低等物性特征、巖石力學測試、地應力狀態(tài)參數進行分析，優(yōu)化壓裂改造工藝，采用簇式射孔+可鉆復合橋塞分段壓裂技術，形成體積縫網，擴大水力裂縫的波及體積，提高壓裂效果。

4.管理制度方面

完善管理制度，保障壓裂“工廠化”管理執(zhí)行力。通過建立嚴密的管理制度，制定清晰、現實的管理目標。首先明確決策、管理、執(zhí)行、操作各層次的管理結構及管理模式，明確管理的責、權、利，實行制度管人的管理方式。其次，確保制度管理的有效性，用好的管理制度和管理機制帶來好的執(zhí)行力。切實做到計劃、執(zhí)行、檢查、總結、激勵、糾偏流程管理，把復雜的指令分層次下達，讓指令變得簡潔，通過增強指令的操作性和嚴肅性，來實現并提高執(zhí)行力。

三、精細工廠化管理壓裂方案設計，保障頁巖氣壓裂效果。

頁巖氣藏壓裂改造涉及眾多儲層因素，其關鍵因素包括：一是粘土含量較高（30%以上），對于巖石脆性較強的儲層，在壓裂施工過程中更易起裂和延伸；二是高楊氏模量、中低泊松比的頁巖，易于實現頁巖儲層在大規(guī)模復雜縫網改造，塑性較強的頁巖需要確保長、窄、導流能力好的支撐主裂縫隙；三是儲層物性參數在空間分布的差異對裂縫的起裂、延伸、材料優(yōu)選、施工設計、壓裂效果等方面有重要影響。

1.結合工廠化管理改造目標，完善壓裂工藝技術思路。

根據壓裂工廠化管理目標，制定了頁巖氣壓裂的技術措施：（1）對壓裂液添加劑的研發(fā)、改進、篩選非常必要。面對大排量、高壓施工作業(yè)，選用高性能降阻劑。優(yōu)選合適的殺菌劑能控制大規(guī)模、長時間施工時液體與地層細菌生長，造成液體性能的降低。為控制地層粘土礦物在施工過程中膨脹、運移，防止對很低孔隙空間的堵塞，粘土穩(wěn)定劑不可缺少。為提高壓后液返排，需要加入吸附能力較小的表面活性劑。（2）通過大排量降阻水形成裂縫后，采用高粘液體進行低砂比加砂，在同層中多次交替注入，以確保深穿透，網狀裂縫的形成。采用不同支撐劑的粒徑組合，確保各縫段的導流能力，前期支撐劑的粒徑100目，中期以40-70目為主，最后尾追20-40目的支撐劑。通過泵注程序的優(yōu)化，借助大排量產生的紊流及砂堤支撐，克服了低粘液體帶砂困難。

2.結合工廠化管理提速目標，優(yōu)化簇式射孔精確布縫改造方案。

依據《涪陵地區(qū)龍馬溪組頁巖氣開發(fā)試驗井組方案》、《涪陵地區(qū)頁巖氣開發(fā)試驗井組產能建設可行性研究報告》設計要求，針對壓裂改造井層水平段長度，通過與鄰井壓裂效果對比分析，優(yōu)選分段級數，確定平均單段規(guī)模、射孔位置和橋塞位置。總體按雙“W”型非均勻布縫，針對產狀轉折帶調整壓裂規(guī)模，并做好相應的施工預案，降低施工風險。壓裂采用組合加砂、混合壓裂模式，提高裂縫導流能力和連通性，增加有效改造體積。

3.結合工廠化管理增產目標，優(yōu)化壓裂液體系和泵注程序。

由于頁巖儲層壓裂時易產生多裂縫液體濾失嚴重，人工裂縫寬度受限，支撐劑進入地層難度大；加之頁巖儲層孔隙度、基質滲透率極低，外來液體的侵入容易引發(fā)二次傷害，對壓裂裂縫導流能力有較大影響。為了有效補償液體濾失，并確?？p寬適度，采用大排量施工、小粒徑、低密度、低砂比、段塞式加砂模式；為了減少壓裂液對地層的二次傷害，選用低成本、低含水不溶物的滑溜水液體體系。與常規(guī)水力壓裂相比頁巖氣藏壓裂作業(yè)屬于高排量（大于10m3/min）、超大規(guī)模（大于2000m3），常規(guī)供液模式已不適用，需要有針對性地進行配套優(yōu)化。

四、優(yōu)化施工現場準備，完善壓裂工廠化管理配套系統(tǒng)。

1.配套壓裂液連續(xù)混配系統(tǒng)。

減少了儲存、運輸等中間環(huán)節(jié)，實現壓裂液現場“即配即注”、壓后零殘留膠液，提高了壓裂液性能的均一性和穩(wěn)定性，解決了壓裂液因使用不及時而腐敗變質造成浪費問題。通過焦石壩地區(qū)頁巖氣壓裂施工現場對比分析，壓裂液現場快速混配技術與常規(guī)方式相比，單層可縮短施工時間為兩天，且壓裂液性能均一、穩(wěn)定，減少了占用井場空間，為施工現場帶來了極大的方便。

圖2　砂罐組合、現場裝砂圖

圖3　連續(xù)供液關鍵部分

圖4　六通型壓裂井口

2.配備連續(xù)加砂裝置。

為滿足工廠化管理連續(xù)施工的需要，在連續(xù)加砂裝置的選擇上，200m3砂罐、20m3砂罐等幾種砂罐通過組合使用，按照設計支撐劑規(guī)格、數量和供砂速度，可以優(yōu)化完成1—3種不同規(guī)格支撐劑的儲存和連續(xù)輸送。單罐輸砂速度＞3m3/min。同時采用吊車吊裝噸包補砂。可滿足單段施工連續(xù)供砂能力220m3以上。

3.創(chuàng)建連續(xù)供液系統(tǒng)。

由水源、供水泵、儲液等主要設備及輸水管線、水分配器等輔助設備構成。根據井場情況，選擇應用合適的儲液配液方案：①配套45m3、 50m3儲液大罐和軟體罐儲水儲液；②修建儲水池；③即配即供技術；④配置濃縮液。對于多個叢式井組可以用水池，壓裂后放噴的水直接排入水池，經過處理后重復利用。

4.完善井口裝置和高低壓管匯

頁巖氣壓裂施工排量大，都采用套管注入，因此配套了光套管壓裂使用的專用壓裂井口。壓裂施工中，四路高壓管線從壓裂六通四個對應的方向注入，很大程度上抵消了四根高壓注入管線作用在井口上的力，有效的降低了井口的抖動程度，壓裂施工中，裝有注入六通的井口穩(wěn)定性良好，保證了施工的安全順利進行。為適應更大排量施工要求，按照六通技術標準設計加工了壓裂八通，可以連接六路高壓管線，可滿足排量15-20m3/min 壓裂施工需要。

非常規(guī)頁巖氣壓裂單段液體規(guī)模一般在1000-2000m3，單個儲液罐容積一般為40-50m3，單段壓裂需要的儲液罐不少于30-40個，按照一般供液方式，10個儲液罐直接給混砂車供液，20-30個儲液罐施工時倒液。采用10″低壓供液管匯后，可以直接把30個儲液罐連接起來直接給混砂車供液，不用施工倒液，既保障了供液連續(xù)、平穩(wěn)，又減少了工人工作量和施工裝備。

頁巖氣壓裂需要的設備多，在一個地方集中放置10臺以上主壓車，如果沒用高低壓管匯總成，無法實現聯接，同時也無法解決管線之間因排量不對等而產生振動，因此設計6頭和8頭的高低壓管匯總成。如6頭高低壓管匯總成可以滿足5m3/min壓裂施工，8頭的高低壓管匯總成可以滿足8m3/min壓裂施工。

五、科學組織工廠化管理運行提高生產效率

在工廠化管理組織運行上，總體協(xié)調上下級、前后線和配合單位，打破單位界限，實行“一體化”運作，提高生產組織運行效率，提升頁巖氣壓裂技術水平。

1.嚴格落實，保障施工質量。

通過嚴格落實頁巖氣壓裂工廠化管理的質量標準，全面提升頁巖氣壓裂施工效果。一是嚴格執(zhí)行設計壓裂施工參數，提高效果。優(yōu)化壓裂車組車輛臺數，滿足施工設計要求的穩(wěn)定排量，保證壓裂連續(xù)攜砂能力和施工的一次成功率，同時配備備用壓裂車輛，防止施工車輛出現故障影響連續(xù)壓裂加砂效果；二是嚴把材料質量提升效果。嚴把下井原材料質量關，不僅在采購之初對原材料層層檢驗，還對下井原材料運輸和儲存進行精心部署和安排，避免氣溫、雨雪等對原材料性能的影響，保證下井原材料安全；三是適時調整工藝參數。按照“客觀分析、準確判斷、果斷決策”的原則，對施工現場的施工參數進行時時調整，強化現場精細分析和控制，使整個施工標準達到設計要求，保證了施工效果。

圖5　施工現場布置示意圖

2.強化信息傳遞，實現流程化施工。

為實現工廠化管理施工現場連續(xù)的程序化作業(yè)和及時應對突發(fā)事件，強化施工現場信息傳遞，增強施工指揮和指導的針對性。一是建立可視化指揮平臺。通過無線AP技術實現兩臺儀表車的施工參數、井口及地面管匯等關鍵部位視頻實時傳輸。二是加大現場通信工具的配備。給現場施工指揮和操作人員配備對講機和指揮旗幟，通過對講機或旗幟進行溝通和指揮操作，提高信息傳遞效果。三是嚴格執(zhí)行壓裂作業(yè)信息流程。針對壓裂施工過程，制定壓裂施工信息流程圖。施工中各環(huán)節(jié)嚴格按照流程對突發(fā)事件進行信息溝通、上報，并逐步下達處理執(zhí)行命令，提高信息交流效率，及時完成施工要求。

實施工廠化管理取得的效果

1.生產效率顯著提升。

針對性的壓裂施工設計理念，在一定程度上保證了壓裂施工的效果。通過工廠化壓裂施工6口井的現場運營模式，無一起安全事故、部分井層的壓裂施工超計劃進行（原計劃兩天一層，實際施工中一天兩層）、縮短了施工周期，并在焦石壩頁巖氣壓裂改造中獲得了實質性的突破，為中國頁巖氣的勘探開發(fā)帶來了曙光，同時為其它頁巖氣區(qū)的勘探開發(fā)具有極大的借鑒的指導意義。

2.施工效果獲得突破。

通過推行大規(guī)模壓裂試氣施工管理模式，注重提高單井質量的施工目標，堅持“一口井一決算”，嚴格執(zhí)行“單井分析、過程控制、核算評價”的工作流程，單段施工成功率達到99.0%。大規(guī)模壓裂施工單井施工周期縮短35%，水平井平均施工周期由原來的15天，縮短到現在的9天，單井綜合效益提高了2%，隊伍和裝備施工能力增強。

3.創(chuàng)造系列頁巖氣工程新指標

圖6　壓裂施工信息流程圖

丁頁2 H F井施工壓力超過100MPa，斯倫貝謝公司因地層壓力超過100MPa，拒絕提供技術服務。面對丁頁2HF井施工的世界級難題，經過優(yōu)化設計，創(chuàng)新了深層頁巖氣電纜射孔分段壓裂工藝，破解了超深頁巖氣井分段壓裂世界性難題，創(chuàng)造了國內外7〞套管深井頁巖氣層電纜泵送橋塞-射孔分段壓裂新紀錄，打破了國外公司在高溫高壓深井頁巖氣層施工方面的獨家壟斷地位；同時還創(chuàng)造了泵送距離最遠（4200-5400m）、國內頁巖氣垂深最深（4417m）、井底溫度最高（146℃以上）、井底壓力最高（135.75MPa）等多項頁巖氣國內新紀錄。實現了多個首次突破，該井首次使用Φ177.8mm套管完井，采用Φ143.5mm橋塞坐封；首次配備耐壓105MPa地面防噴裝置，配套耐壓140MPa井下工具；首次在頁巖氣試氣施工中使用高壓八通，最大注入排量可達到20m3/min，“Y”型注入可以有效地減小井口摩損；首次在頁巖氣水平井采用105/70二級節(jié)流流程，降壓節(jié)流放噴；首次在頁巖氣水平井使用Φ146mm×6m通井規(guī)，提高了井筒處理質量；首次在頁巖氣井使用萬能防噴器和旋轉防噴器的條件下，采用Φ88.9mm鉆桿下帶射孔槍傳輸射孔；首次用壓裂車長時間循環(huán)2.43-2.47g/cm3泥漿洗井。首次在頁巖氣井施工中每段壓裂連續(xù)施工時間均在5小時以上。

4.打造精品工程品牌形象持續(xù)提升

實施頁巖氣工廠化壓裂管理以來，在中國石化焦石壩地區(qū)頁巖氣水平井試氣壓裂作業(yè)會戰(zhàn)過程中，公司榮立涪陵頁巖氣會戰(zhàn)集體一等功，有效提升了我公司的品牌形象。

5.施工成本大幅下降經濟效益顯著

施工成本降低：頁巖氣大規(guī)模壓裂配套技術，每段橋塞技術服務成本下降20%，促進了頁巖氣高效開發(fā)。

井下取得經濟效益：通過涪陵工區(qū)6口頁巖氣水平井試氣作業(yè)技術現場推廣應用，我公司累計創(chuàng)造產值9620.5萬元，展現了中原石油鐵軍的風采和大型壓裂試氣施工中的技術和實力，為加快涪陵頁巖氣產能建設作出了貢獻，為來年進一步擴大國內頁巖氣壓裂試氣市場贏得了良好的市場信譽。

（本文獲中國石油企業(yè)協(xié)會行業(yè)部級2014年度全國石油石化企業(yè)管理現代化創(chuàng)新成果二等獎）