□ 文/中國(guó)石化中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司

頁(yè)巖氣壓裂“工廠化”模式

□ 文/中國(guó)石化中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司

頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)離不開(kāi)水平井分段壓裂技術(shù)，水平井分段壓裂技術(shù)目前都采用大規(guī)模的縫網(wǎng)體積壓裂工藝技術(shù)，其壓裂施工特點(diǎn)是“四多一長(zhǎng)”：設(shè)備多、用液多、砂量多、井場(chǎng)儲(chǔ)液罐多、施工時(shí)間長(zhǎng)。以往常規(guī)井的施工組織模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提速、降本增效的需求，為此，中國(guó)石化中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司對(duì)頁(yè)巖氣大型壓裂中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行工廠化管理模式運(yùn)作，優(yōu)質(zhì)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(jī)構(gòu)，保障壓裂“工廠化”順利實(shí)施。

領(lǐng)導(dǎo)小組下設(shè)15個(gè)小組（如圖）。其中，各組分工明確，各負(fù)其責(zé)，但又是統(tǒng)一協(xié)調(diào)合作。

二、制訂壓裂“工廠化”管理工作流程實(shí)現(xiàn)施工規(guī)范化。

實(shí)行扁平式流程化管理，從施工設(shè)計(jì)理念、每道工序預(yù)案制訂到原材料采購(gòu)、壓裂設(shè)備性能優(yōu)化組合，按照專業(yè)小組制定了周密細(xì)致的相應(yīng)管理流程，明確工作程序和職責(zé)，實(shí)現(xiàn)各單位及會(huì)戰(zhàn)小組的整體協(xié)調(diào)配合。以壓裂工廠化管理流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為例介紹。

1.設(shè)備方面

針對(duì)焦石壩頁(yè)巖氣壓裂施工排量大、工藝技術(shù)要求高的特點(diǎn)，確定使用當(dāng)前性能最為先進(jìn)的2500型壓裂車組擔(dān)負(fù)施工重任，并積極做好相關(guān)配套設(shè)施的購(gòu)進(jìn)和改造工作，特別是對(duì)現(xiàn)有的臥式罐統(tǒng)一進(jìn)行改裝，確保罐體符合重疊放置安全標(biāo)準(zhǔn)。壓裂液罐清洗及液體裝車需要施工人員上罐進(jìn)行高處及進(jìn)入罐內(nèi)受限空間作業(yè)，危險(xiǎn)性較大，為此設(shè)計(jì)了密閉裝車流程及大罐自動(dòng)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(chǎn)生的浪費(fèi)和污染。

2.QHSE管理方面

一是嚴(yán)格落實(shí)領(lǐng)導(dǎo)帶班及承包關(guān)鍵要害部位責(zé)任制。二是推行班組安全建設(shè)。三是推行風(fēng)險(xiǎn)管理，重新評(píng)價(jià)并建立公司重大風(fēng)險(xiǎn)控制清單，完善防范措施及應(yīng)急預(yù)案，將之貫穿于各項(xiàng)活動(dòng)的全過(guò)程，建立起全方位、全流程、全覆蓋的風(fēng)險(xiǎn)管理體系，把風(fēng)險(xiǎn)管理真正落實(shí)到班組、落實(shí)到崗位。

3.工藝技術(shù)方面

根據(jù)工廠化管理目標(biāo)，著重對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育、孔滲低等物性特征、巖石力學(xué)測(cè)試、地應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，優(yōu)化壓裂改造工藝，采用簇式射孔+可鉆復(fù)合橋塞分段壓裂技術(shù)，形成體積縫網(wǎng)，擴(kuò)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(guò)建立嚴(yán)密的管理制度，制定清晰、現(xiàn)實(shí)的管理目標(biāo)。首先明確決策、管理、執(zhí)行、操作各層次的管理結(jié)構(gòu)及管理模式，明確管理的責(zé)、權(quán)、利，實(shí)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(jī)制帶來(lái)好的執(zhí)行力。切實(shí)做到計(jì)劃、執(zhí)行、檢查、總結(jié)、激勵(lì)、糾偏流程管理，把復(fù)雜的指令分層次下達(dá)，讓指令變得簡(jiǎn)潔，通過(guò)增強(qiáng)指令的操作性和嚴(yán)肅性，來(lái)實(shí)現(xiàn)并提高執(zhí)行力。

三、精細(xì)工廠化管理壓裂方案設(shè)計(jì)，保障頁(yè)巖氣壓裂效果。

頁(yè)巖氣藏壓裂改造涉及眾多儲(chǔ)層因素，其關(guān)鍵因素包括：一是粘土含量較高（30%以上），對(duì)于巖石脆性較強(qiáng)的儲(chǔ)層，在壓裂施工過(guò)程中更易起裂和延伸；二是高楊氏模量、中低泊松比的頁(yè)巖，易于實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖儲(chǔ)層在大規(guī)模復(fù)雜縫網(wǎng)改造，塑性較強(qiáng)的頁(yè)巖需要確保長(zhǎng)、窄、導(dǎo)流能力好的支撐主裂縫隙；三是儲(chǔ)層物性參數(shù)在空間分布的差異對(duì)裂縫的起裂、延伸、材料優(yōu)選、施工設(shè)計(jì)、壓裂效果等方面有重要影響。

1.結(jié)合工廠化管理改造目標(biāo)，完善壓裂工藝技術(shù)思路。

根據(jù)壓裂工廠化管理目標(biāo)，制定了頁(yè)巖氣壓裂的技術(shù)措施：（1）對(duì)壓裂液添加劑的研發(fā)、改進(jìn)、篩選非常必要。面對(duì)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(zhǎng)時(shí)間施工時(shí)液體與地層細(xì)菌生長(zhǎng)，造成液體性能的降低。為控制地層粘土礦物在施工過(guò)程中膨脹、運(yùn)移，防止對(duì)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(guò)大排量降阻水形成裂縫后，采用高粘液體進(jìn)行低砂比加砂，在同層中多次交替注入，以確保深穿透，網(wǎng)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(dǎo)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(guò)泵注程序的優(yōu)化，借助大排量產(chǎn)生的紊流及砂堤支撐，克服了低粘液體帶砂困難。

2.結(jié)合工廠化管理提速目標(biāo)，優(yōu)化簇式射孔精確布縫改造方案。

依據(jù)《涪陵地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)井組方案》、《涪陵地區(qū)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)井組產(chǎn)能建設(shè)可行性研究報(bào)告》設(shè)計(jì)要求，針對(duì)壓裂改造井層水平段長(zhǎng)度，通過(guò)與鄰井壓裂效果對(duì)比分析，優(yōu)選分段級(jí)數(shù)，確定平均單段規(guī)模、射孔位置和橋塞位置?？傮w按雙“W”型非均勻布縫，針對(duì)產(chǎn)狀轉(zhuǎn)折帶調(diào)整壓裂規(guī)模，并做好相應(yīng)的施工預(yù)案，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。壓裂采用組合加砂、混合壓裂模式，提高裂縫導(dǎo)流能力和連通性，增加有效改造體積。

3.結(jié)合工廠化管理增產(chǎn)目標(biāo)，優(yōu)化壓裂液體系和泵注程序。

由于頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂時(shí)易產(chǎn)生多裂縫液體濾失嚴(yán)重，人工裂縫寬度受限，支撐劑進(jìn)入地層難度大；加之頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度、基質(zhì)滲透率極低，外來(lái)液體的侵入容易引發(fā)二次傷害，對(duì)壓裂裂縫導(dǎo)流能力有較大影響。為了有效補(bǔ)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(duì)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(yè)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(duì)性地進(jìn)行配套優(yōu)化。

四、優(yōu)化施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)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(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)戎虚g環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)壓裂液現(xiàn)場(chǎng)“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(shí)而腐敗變質(zhì)造成浪費(fèi)問(wèn)題。通過(guò)焦石壩地區(qū)頁(yè)巖氣壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比分析，壓裂液現(xiàn)場(chǎng)快速混配技術(shù)與常規(guī)方式相比，單層可縮短施工時(shí)間為兩天，且壓裂液性能均一、穩(wěn)定，減少了占用井場(chǎng)空間，為施工現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)了極大的方便。

圖2　砂罐組合、現(xiàn)場(chǎng)裝砂圖

圖3　連續(xù)供液關(guān)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(guò)組合使用，按照設(shè)計(jì)支撐劑規(guī)格、數(shù)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(chǔ)存和連續(xù)輸送。單罐輸砂速度＞3m3/min。同時(shí)采用吊車吊裝噸包補(bǔ)砂?？蓾M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(chǔ)液等主要設(shè)備及輸水管線、水分配器等輔助設(shè)備構(gòu)成。根據(jù)井場(chǎng)情況，選擇應(yīng)用合適的儲(chǔ)液配液方案：①配套45m3、 50m3儲(chǔ)液大罐和軟體罐儲(chǔ)水儲(chǔ)液；②修建儲(chǔ)水池；③即配即供技術(shù)；④配置濃縮液。對(duì)于多個(gè)叢式井組可以用水池，壓裂后放噴的水直接排入水池，經(jīng)過(guò)處理后重復(fù)利用。

4.完善井口裝置和高低壓管匯

頁(yè)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(gè)對(duì)應(yīng)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(dòng)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(jìn)行。為適應(yīng)更大排量施工要求，按照六通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(yè)巖氣壓裂單段液體規(guī)模一般在1000-2000m3，單個(gè)儲(chǔ)液罐容積一般為40-50m3，單段壓裂需要的儲(chǔ)液罐不少于30-40個(gè)，按照一般供液方式，10個(gè)儲(chǔ)液罐直接給混砂車供液，20-30個(gè)儲(chǔ)液罐施工時(shí)倒液。采用10″低壓供液管匯后，可以直接把30個(gè)儲(chǔ)液罐連接起來(lái)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(yè)巖氣壓裂需要的設(shè)備多，在一個(gè)地方集中放置10臺(tái)以上主壓車，如果沒(méi)用高低壓管匯總成，無(wú)法實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，同時(shí)也無(wú)法解決管線之間因排量不對(duì)等而產(chǎn)生振動(dòng)，因此設(shè)計(jì)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(xué)組織工廠化管理運(yùn)行提高生產(chǎn)效率

在工廠化管理組織運(yùn)行上，總體協(xié)調(diào)上下級(jí)、前后線和配合單位，打破單位界限，實(shí)行“一體化”運(yùn)作，提高生產(chǎn)組織運(yùn)行效率，提升頁(yè)巖氣壓裂技術(shù)水平。

1.嚴(yán)格落實(shí)，保障施工質(zhì)量。

通過(guò)嚴(yán)格落實(shí)頁(yè)巖氣壓裂工廠化管理的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，全面提升頁(yè)巖氣壓裂施工效果。一是嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)壓裂施工參數(shù)，提高效果。優(yōu)化壓裂車組車輛臺(tái)數(shù)，滿足施工設(shè)計(jì)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(shí)配備備用壓裂車輛，防止施工車輛出現(xiàn)故障影響連續(xù)壓裂加砂效果；二是嚴(yán)把材料質(zhì)量提升效果。嚴(yán)把下井原材料質(zhì)量關(guān)，不僅在采購(gòu)之初對(duì)原材料層層檢驗(yàn)，還對(duì)下井原材料運(yùn)輸和儲(chǔ)存進(jìn)行精心部署和安排，避免氣溫、雨雪等對(duì)原材料性能的影響，保證下井原材料安全；三是適時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)。按照“客觀分析、準(zhǔn)確判斷、果斷決策”的原則，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的施工參數(shù)進(jìn)行時(shí)時(shí)調(diào)整，強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)分析和控制，使整個(gè)施工標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證了施工效果。

圖5　施工現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖

2.強(qiáng)化信息傳遞，實(shí)現(xiàn)流程化施工。

為實(shí)現(xiàn)工廠化管理施工現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)的程序化作業(yè)和及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，強(qiáng)化施工現(xiàn)場(chǎng)信息傳遞，增強(qiáng)施工指揮和指導(dǎo)的針對(duì)性。一是建立可視化指揮平臺(tái)。通過(guò)無(wú)線AP技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)儀表車的施工參數(shù)、井口及地面管匯等關(guān)鍵部位視頻實(shí)時(shí)傳輸。二是加大現(xiàn)場(chǎng)通信工具的配備。給現(xiàn)場(chǎng)施工指揮和操作人員配備對(duì)講機(jī)和指揮旗幟，通過(guò)對(duì)講機(jī)或旗幟進(jìn)行溝通和指揮操作，提高信息傳遞效果。三是嚴(yán)格執(zhí)行壓裂作業(yè)信息流程。針對(duì)壓裂施工過(guò)程，制定壓裂施工信息流程圖。施工中各環(huán)節(jié)嚴(yán)格按照流程對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行信息溝通、上報(bào)，并逐步下達(dá)處理執(zhí)行命令，提高信息交流效率，及時(shí)完成施工要求。

實(shí)施工廠化管理取得的效果

1.生產(chǎn)效率顯著提升。

針對(duì)性的壓裂施工設(shè)計(jì)理念，在一定程度上保證了壓裂施工的效果。通過(guò)工廠化壓裂施工6口井的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)模式，無(wú)一起安全事故、部分井層的壓裂施工超計(jì)劃進(jìn)行（原計(jì)劃兩天一層，實(shí)際施工中一天兩層）、縮短了施工周期，并在焦石壩頁(yè)巖氣壓裂改造中獲得了實(shí)質(zhì)性的突破，為中國(guó)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)帶來(lái)了曙光，同時(shí)為其它頁(yè)巖氣區(qū)的勘探開(kāi)發(fā)具有極大的借鑒的指導(dǎo)意義。

2.施工效果獲得突破。

通過(guò)推行大規(guī)模壓裂試氣施工管理模式，注重提高單井質(zhì)量的施工目標(biāo)，堅(jiān)持“一口井一決算”，嚴(yán)格執(zhí)行“單井分析、過(guò)程控制、核算評(píng)價(jià)”的工作流程，單段施工成功率達(dá)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(lái)的15天，縮短到現(xiàn)在的9天，單井綜合效益提高了2%，隊(duì)伍和裝備施工能力增強(qiáng)。

3.創(chuàng)造系列頁(yè)巖氣工程新指標(biāo)

圖6　壓裂施工信息流程圖

丁頁(yè)2 H F井施工壓力超過(guò)100MPa，斯倫貝謝公司因地層壓力超過(guò)100MPa，拒絕提供技術(shù)服務(wù)。面對(duì)丁頁(yè)2HF井施工的世界級(jí)難題，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，創(chuàng)新了深層頁(yè)巖氣電纜射孔分段壓裂工藝，破解了超深頁(yè)巖氣井分段壓裂世界性難題，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)外7〞套管深井頁(yè)巖氣層電纜泵送橋塞-射孔分段壓裂新紀(jì)錄，打破了國(guó)外公司在高溫高壓深井頁(yè)巖氣層施工方面的獨(dú)家壟斷地位；同時(shí)還創(chuàng)造了泵送距離最遠(yuǎn)（4200-5400m）、國(guó)內(nèi)頁(yè)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(xiàng)頁(yè)巖氣國(guó)內(nèi)新紀(jì)錄。實(shí)現(xiàn)了多個(gè)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(yè)巖氣試氣施工中使用高壓八通，最大注入排量可達(dá)到20m3/min，“Y”型注入可以有效地減小井口摩損；首次在頁(yè)巖氣水平井采用105/70二級(jí)節(jié)流流程，降壓節(jié)流放噴；首次在頁(yè)巖氣水平井使用Φ146mm×6m通井規(guī)，提高了井筒處理質(zhì)量；首次在頁(yè)巖氣井使用萬(wàn)能防噴器和旋轉(zhuǎn)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(zhǎng)時(shí)間循環(huán)2.43-2.47g/cm3泥漿洗井。首次在頁(yè)巖氣井施工中每段壓裂連續(xù)施工時(shí)間均在5小時(shí)以上。

4.打造精品工程品牌形象持續(xù)提升

實(shí)施頁(yè)巖氣工廠化壓裂管理以來(lái)，在中國(guó)石化焦石壩地區(qū)頁(yè)巖氣水平井試氣壓裂作業(yè)會(huì)戰(zhàn)過(guò)程中，公司榮立涪陵頁(yè)巖氣會(huì)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(jīng)濟(jì)效益顯著

施工成本降低：頁(yè)巖氣大規(guī)模壓裂配套技術(shù)，每段橋塞技術(shù)服務(wù)成本下降20%，促進(jìn)了頁(yè)巖氣高效開(kāi)發(fā)。

井下取得經(jīng)濟(jì)效益：通過(guò)涪陵工區(qū)6口頁(yè)巖氣水平井試氣作業(yè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用，我公司累計(jì)創(chuàng)造產(chǎn)值9620.5萬(wàn)元，展現(xiàn)了中原石油鐵軍的風(fēng)采和大型壓裂試氣施工中的技術(shù)和實(shí)力，為加快涪陵頁(yè)巖氣產(chǎn)能建設(shè)作出了貢獻(xiàn)，為來(lái)年進(jìn)一步擴(kuò)大國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣壓裂試氣市場(chǎng)贏得了良好的市場(chǎng)信譽(yù)。

（本文獲中國(guó)石油企業(yè)協(xié)會(huì)行業(yè)部級(jí)2014年度全國(guó)石油石化企業(yè)管理現(xiàn)代化創(chuàng)新成果二等獎(jiǎng)）