許冬進，廖銳全，石善志，承 寧，李建民

(1.教育部油氣資源與勘探技術(shù)重點實驗室 長江大學(xué)，湖北 荊州 434023;2.中油采油采氣重點實驗室長江大學(xué)分室，湖北 荊州 434023;3.中油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

1 致密油概述

隨著全世界能源需求的急劇增加，非常規(guī)油氣資源越來越受到重視［1－2］。近年來，隨著非常規(guī)連續(xù)型油氣聚集理論的發(fā)展和致密儲層中納米孔喉體系的重大發(fā)現(xiàn)，為非常規(guī)致密巖油氣的快速發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)，同時也為非常規(guī)油氣資源的勘探和開發(fā)奠定了十分重要的理論基礎(chǔ)。致密油是非常規(guī)油氣資源中比較重要的部分，也是未來油氣資源上產(chǎn)的重要接替資源。因此，致密油的研究和開發(fā)近年來受到廣泛關(guān)注［3－4］。2000年，美國威利斯頓盆地巴肯致密油開發(fā)取得突破后，日產(chǎn)量達到7000 t/d。8 a后，借鑒致密氣開發(fā)的思路和技術(shù)，巴肯致密油實現(xiàn)規(guī)模開發(fā)，并成為當(dāng)年全球十大發(fā)現(xiàn)之一，致密油也因此被西方媒體譽為“黑金”。

水平井鉆井技術(shù)、大規(guī)模壓裂技術(shù)和壓裂微地震實時監(jiān)測診斷三大關(guān)鍵技術(shù)，是致密油氣近年來快速發(fā)展的技術(shù)背景。由于技術(shù)進步和壓裂設(shè)備的不斷更新，水平井壓裂技術(shù)也從分段壓裂、多級分段壓裂發(fā)展到大規(guī)模分段多簇的體積壓裂，“工廠化”作業(yè)技術(shù)已經(jīng)成為中外致密油氣低成本開發(fā)的有效模式［5］。致密油體積壓裂工廠化作業(yè)模式實現(xiàn)了致密油低成本高效開發(fā)“技術(shù)可采”與“經(jīng)濟可采”的統(tǒng)一。

2 體積壓裂方式

2.1 體積壓裂定義

體積壓裂，也稱SRV(Stimulated Reservoir Volume)技術(shù)，通過水力壓裂對儲層實施改造，使天然裂縫不斷擴張和脆性巖石產(chǎn)生剪切滑移，實現(xiàn)對天然裂縫和巖石層理的溝通，同時在主裂縫的側(cè)向上強制形成次生裂縫，最后形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而將有效儲層打碎，實現(xiàn)長、寬、高三維方向的全面改造，增大滲流面積及導(dǎo)流能力，提高初始產(chǎn)量和最終采收率［6］。

體積壓裂技術(shù)的實施以北美地區(qū)特別是美國的Barnett頁巖的有效開發(fā)最具代表性［7］，其儲層改造的主體技術(shù)為水平井分段多簇體積壓裂。與常規(guī)壓裂相比，體積壓裂技術(shù)特點主要體現(xiàn)在大液量、大排量、大砂量、小粒徑和低砂比［6］。

2.2 體積壓裂工藝技術(shù)

致密油一般采用水平井多段壓裂后投入開發(fā)，要求完井工程不僅要為實現(xiàn)水平井分段壓裂提供高質(zhì)量的井筒條件，還要兼顧長期開采過程中的生產(chǎn)措施及油井維護需求。

國內(nèi)外致密油開發(fā)完井方式主要有固井完井和裸眼完井2種，隨著分段壓裂技術(shù)的不斷進步，這2種完井方式在國內(nèi)外水平井完井及改造中都得到了廣泛應(yīng)用［8］。根據(jù)管外及管內(nèi)壓裂段隔離及井筒與地層溝通方式的差異，派生出多種壓裂完井方式(表1)。其中，固井+速鉆橋塞與裸眼封隔器+分壓滑套是應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的2種方式(圖 1、2)。

表1 致密油水平井完井方式對比

圖1 固井+速鉆橋塞分段壓裂管柱示意圖

圖2 裸眼管外封隔器+滑套分段壓裂管柱示意圖

3 體積壓裂“工廠化”模式

3.1 “工廠化”模式

“工廠化”模式是指應(yīng)用系統(tǒng)工程的思想和方法，集中配置人力、物力、投資、組織等要素，以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、信息技術(shù)和管理手段，用于傳統(tǒng)石油開發(fā)施工和生產(chǎn)作業(yè)。美國致密砂巖氣、頁巖氣開發(fā)，英國北海油田、墨西哥灣和巴西深海油田，都采用“工廠化”作業(yè)的方式［9－10］。

“工廠化”作業(yè)為非常規(guī)油氣實現(xiàn)有效開發(fā)提供了高效運行模式。根據(jù)國外開發(fā)經(jīng)驗［10］，一般現(xiàn)場實施有2種方式:一種是2套壓裂車組同時壓裂，稱為同步壓裂(Synchronous Fracturing);另一種是2口井、1套壓裂車組，配合射孔、下橋塞等作業(yè)，交互施工、逐段壓裂，稱為交叉壓裂(Zipper Fracturing，又稱拉鏈式壓裂)。為了監(jiān)測壓裂裂縫擴展形態(tài)，一般選擇第3口井作為微地震監(jiān)測井。這2種方法的顯著優(yōu)點是可以促使水力裂縫在擴展過程中相互作用，產(chǎn)生更復(fù)雜的縫網(wǎng)，增加改造體積，可大幅度提高初始產(chǎn)量和最終采收率，同時減少作業(yè)時間和設(shè)備動遷次數(shù)，降低施工成本;一般平均產(chǎn)量比單獨壓裂可類比井提高21%～55%，成本降低 50%以上［11］。

3.2 “工廠化”壓裂系統(tǒng)組成

“工廠化”壓裂作業(yè)為非常規(guī)油氣實現(xiàn)有效開發(fā)提供了高效生產(chǎn)作業(yè)模式。工廠化作業(yè)的本質(zhì)，主要體現(xiàn)在批量布井、標準井場建設(shè)、壓裂流水作業(yè)、壓裂液重復(fù)利用和少井高產(chǎn)5個方面。致密油工廠化壓裂，包括以下幾大系統(tǒng):連續(xù)泵注系統(tǒng)、連續(xù)供砂系統(tǒng)、連續(xù)配液系統(tǒng)、連續(xù)供水系統(tǒng)、工具下入系統(tǒng)、后勤保障系統(tǒng)等［12－13］。

“工廠化”壓裂作業(yè)通過科學(xué)集中布井，一方面減少壓裂作業(yè)時間和壓裂設(shè)備動遷次數(shù)，降低壓裂改造成本;另一方面，通過集中布井壓裂改造，促使平臺各井壓裂水力裂縫在擴展過程中相互作用，產(chǎn)生更復(fù)雜的縫網(wǎng)，增加改造體積，大幅度提高初始產(chǎn)量和最終采收率。實踐表明，在同等壓裂規(guī)模下，此種作業(yè)模式極大提高了設(shè)備利用率，節(jié)省了大量施工等待時間，推動了水平井?dāng)?shù)量快速增加與規(guī)模應(yīng)用，最大程度地提高了綜合效益。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:①減少土地占用(井場、道路)的同時，便于大量大型施工設(shè)備擺放;②減少設(shè)備拆裝、搬遷，減少消耗(燃料、道路維護);③通過材料重復(fù)利用及設(shè)備(施)共用降低成本;④為交錯壓裂、同步壓裂等不同壓裂方式提供條件，利用壓裂液注入對就地應(yīng)力場的影響，增加裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，實現(xiàn)體積壓裂;⑤便于產(chǎn)出液集中處理和再利用;⑥便于生產(chǎn)管理和資料采集。

3.3 “工廠化”壓裂作業(yè)流程

圖3 北美地區(qū)工廠化壓裂流程

“工廠化”壓裂作業(yè)流程主要包括以下幾個方面(圖3):①工具下入系統(tǒng)按照壓裂設(shè)計實施井口的壓裂作業(yè)輔助施工，做好壓裂準備;②連續(xù)供水系統(tǒng)把合格的壓裂用水從水源地連續(xù)輸送到連續(xù)配液系統(tǒng);③連續(xù)配液系統(tǒng)使用連續(xù)供水系統(tǒng)從水源地輸送的來水連續(xù)配置壓裂液;④連續(xù)供砂系統(tǒng)把支撐劑連續(xù)輸送到連續(xù)泵注系統(tǒng)的混砂車攪籠中;⑤連續(xù)泵注系統(tǒng)把連續(xù)配液系統(tǒng)配置的壓裂液和連續(xù)供砂系統(tǒng)輸送的支撐劑按照壓裂設(shè)計進行混合，并將混砂液連續(xù)泵入地層。

4 “工廠化”作業(yè)模式應(yīng)用

4.1 國外“工廠化”作業(yè)模式應(yīng)用

“工廠化”作業(yè)模式能夠有效提高效率、降低成本。因地理環(huán)境、地質(zhì)條件及不同時期鉆完井技術(shù)水平等條件差異，“工廠化”壓裂作業(yè)有多種形式［13－15］。

一種是以美國Piceance盆地和Green River盆地為代表的頁巖氣與致密砂巖氣“工廠化”作業(yè)，也稱作“壓裂基地”模式(圖4)。該模式既可對位于同一平臺的水平井叢進行集中壓裂，也可建立獨立的壓裂平臺，利用長距離地面高壓管線對一定距離范圍內(nèi)的平臺井或單井進行“遠程”壓裂施工。由于避免了多次拆裝和搬遷設(shè)備、材料等，同時實現(xiàn)了產(chǎn)出液集中處理與回收利用，極大地提高了效率，降低了成本。

圖4 Green River盆地(左)與Piceance盆地(右)遠程壓裂示意圖

Green River盆地利用中心壓裂平臺對其周圍單井或多井平臺的40口井完成了400段壓裂，地面高壓壓裂管線最大長度達2000 m以上。

另一種是加拿大Horn River頁巖氣開發(fā)所采用的“工廠化”作業(yè)模式［17］。Horn River頁巖氣每個鉆井平臺約有8～16口井，平均每井壓裂20～25段，每個平臺潛在壓裂段數(shù)在300段以上，每段壓裂平均耗時5～6 h，由于壓裂設(shè)備不需要重新拆卸、組裝和移動(圖5)，節(jié)省了大量時間，可完成全天候施工，每天可壓裂3段，一般需要20部2250HP泵車，排量達到14～16 m3/min，壓力45～69 MPa。

4.2 國內(nèi)致密油“工廠化”作業(yè)模式

在中國××油田致密油采用“工廠化”壓裂模式進行開發(fā)，降低了設(shè)備的搬遷成本，從而提高了壓裂效率。根據(jù)井口的位置關(guān)系，設(shè)計6口井平臺壓裂井場布局如圖6所示。單個平臺寬(2平臺連線方向)190 m，長180 m。在“工廠化”鉆井完成后，設(shè)計部署2組壓裂裝置，以滿足“工廠化”壓裂地面連續(xù)供液、連續(xù)混配、連續(xù)輸砂、大排量泵注壓裂車組的設(shè)備擺放需求。所有高壓注入管匯及外排系統(tǒng)都在施工前完成連接，通過旋塞閥等注入控制系統(tǒng)可快速實現(xiàn)施工井切換，在某一段壓裂出現(xiàn)砂堵等意外情況時，可快速實施放噴及其他處理措施，壓裂車組同時可快速切換至另一口井進行壓裂作業(yè)。排采流程具有壓后快速返排、連續(xù)排液及準確計量功能。

圖5 ENCANA公司Horn River 63－K平臺工廠化作業(yè)現(xiàn)場

針對2個壓裂平臺的2套壓裂裝置，需配備2套供水系統(tǒng)，每套系統(tǒng)供水能力大于8 m3/min。同時為滿足現(xiàn)場2組車同時施工需要，現(xiàn)場作業(yè)需要2套連續(xù)配液設(shè)備，單套參數(shù)如下:工作排量不小于8.0 m3/min，瞬時最大流量達到10 m3/min，配液濃度達到0.3% ～0.6%(粉水質(zhì)量比)。在壓裂過程中，設(shè)計每段加砂量為80～100 m3，單車組單井日施工2段。根據(jù)設(shè)計要求確定壓裂設(shè)備及參數(shù)為:2套連續(xù)供砂設(shè)備(與2套壓裂車組匹配)，每組供砂能力大于200 m3/d，單套設(shè)備容積大于100 m3，最大上砂及輸砂能力大于5000 kg/min。

施工發(fā)現(xiàn)，在采用常規(guī)壓裂作業(yè)模式進行分段壓裂時，最高作業(yè)效率為1.5段/d，而在采用“工廠化”壓裂作業(yè)模式后，在純作業(yè)時間24 d內(nèi)壓裂了62段，作業(yè)效率為2.5段/d;如果排除初期壓裂設(shè)備和人員等的磨合時間，在設(shè)備車組正常運轉(zhuǎn)的情況下，作業(yè)效率高達3.2段/d，從而大大提高了壓裂效率，降低了生產(chǎn)作業(yè)時間。

4.3 “工廠化”作業(yè)模式適應(yīng)性分析

致密油勘探開發(fā)必須采取低成本的原則，在世界范圍內(nèi)特別是北美地區(qū)憑借先進的水平井技術(shù)、分段壓裂技術(shù)、裂縫微地震監(jiān)測技術(shù)以及“工廠化”作業(yè)模式實現(xiàn)了技術(shù)、資源和人工的優(yōu)化配置，最大程度地降低了開發(fā)成本，實現(xiàn)了致密油經(jīng)濟有效的開發(fā)，開創(chuàng)了非常規(guī)能源開發(fā)的“北美模式”［13］。中國致密油儲量豐富，分布范圍廣(主要有鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、松遼盆地和四川盆地等)。目前中國已經(jīng)在以上區(qū)域建立了多個致密油工業(yè)化勘探開發(fā)試驗區(qū)，取得了一些致密油技術(shù)開發(fā)和管理方面的經(jīng)驗。表2是中國與北美致密油地質(zhì)背景和開發(fā)條件的對比。

從表2可以看出，中國與北美致密油在很多方面有很大的不同，不能簡單的對北美“工廠化”作業(yè)模式完全照搬。為了更好地促進中國致密油資源的高效開發(fā)，“工廠化”體積壓裂模式需要在以下方面有所突破和創(chuàng)新。

(1)水資源的高效利用。中國是一個水資源相對貧乏的國家，特別是在中國的西北地區(qū)，而這些地域又恰好是中國致密油資源的密集區(qū)。致密油體積壓裂需要大量的水資源，單段液量高達1000 m3以上，單井需要液量通常在1.5×104m3以上，這就需要對水資源進行合理的配置，對壓裂返排液進行高效重復(fù)利用，同時加強污水處理等環(huán)保措施。

(2)開發(fā)方案設(shè)計模式的改變。傳統(tǒng)的常規(guī)油藏的勘探開發(fā)方案，一般都是油藏地質(zhì)設(shè)計—鉆井地質(zhì)、工程設(shè)計—壓裂完井—試油投產(chǎn)的單向接力式設(shè)計模式，而致密油等非常規(guī)能源的設(shè)計從一開始就需要油藏、鉆井、壓裂、返排、試油各個環(huán)節(jié)相互協(xié)調(diào)，各個專業(yè)之間需要不斷交叉優(yōu)化的環(huán)形設(shè)計模式。

(3)作業(yè)模式和管理模式的改變。為了提高單井經(jīng)濟可采儲量，降低開發(fā)成本，將鉆井、壓裂、試氣等作業(yè)程序按照“流程化、批量化、標準化”的方式從組織模式、資源配置、流程設(shè)計、技術(shù)支撐、作業(yè)管理等多方面進行革新，集中現(xiàn)有資源和技術(shù)優(yōu)勢實現(xiàn)模塊化組織、程序化控制和流程化作業(yè)。

圖6 ××油田致密油體積壓裂井場布置示意圖

表2 中國與北美致密油地質(zhì)背景和開發(fā)條件對比

5 結(jié)論

(1)水平井鉆井技術(shù)、大規(guī)模壓裂技術(shù)和壓裂微地震實時監(jiān)測診斷三大關(guān)鍵技術(shù)，是致密油氣近年來快速發(fā)展的技術(shù)背景。由于技術(shù)進步和壓裂設(shè)備的不斷更新，水平井壓裂技術(shù)也從分段壓裂、多級分段壓裂發(fā)展到大規(guī)模分段多簇的體積壓裂，“工廠化”作業(yè)技術(shù)已經(jīng)成為中外致密油氣低成本開發(fā)的模式。

(2)致密油開發(fā)完井方式主要有固井完井和裸眼完井2種，隨著分段壓裂技術(shù)的不斷進步，水平段裸眼完井和注水泥固井2種完井方式在國內(nèi)外水平井完井及改造中得到了廣泛應(yīng)用。

(3)體積壓裂與傳統(tǒng)壓裂的區(qū)別很大。采用常規(guī)單井壓裂模式，不僅施工井?dāng)?shù)多，且加砂量、壓裂液用量巨大，成本高。而采用“工廠化”壓裂作業(yè)模式，不僅可以充分發(fā)揮連續(xù)供水系統(tǒng)的作用，而且可以對壓裂液進行重復(fù)利用，既降低了水資源的使用量，又減少了壓裂污水的處理量，且降低了生產(chǎn)成本。

(4)體積壓裂“工廠化”的優(yōu)勢是快速與高效?！肮S化”壓裂作業(yè)是高層次的標準化作業(yè)，其對施工設(shè)備的要求較高。在“工廠化”壓裂施工過程中，壓裂的地面連續(xù)供液、連續(xù)混配、連續(xù)輸砂、大排量泵注壓裂車組的設(shè)備擺放需要適應(yīng)“工廠化”壓裂作業(yè)的施工要求，以此來實現(xiàn)“工廠化”壓裂作業(yè)的流水線生產(chǎn)作業(yè)。

(5)人員的有效管理和高效配置是體積壓裂“工廠化”模式的保障依據(jù)。由于采用“工廠化”壓裂作業(yè)模式，不僅縮短了致密油開發(fā)壓裂周期，而且降低了生產(chǎn)成本，提高了工作效率，對于致密油的高效生產(chǎn)開發(fā)具有重要意義。

(6)通過對國內(nèi)外“工廠化”壓裂作業(yè)模式研究發(fā)現(xiàn)，在同等壓裂規(guī)模下，與常規(guī)單井壓裂模式相比，采用“工廠化”壓裂作業(yè)模式作業(yè)效率可提高21% ～55%，成本降低50% 以上。因此，“工廠化”壓裂作業(yè)模式對推動致密油高效開發(fā)具有重要作用。

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