致密油水平井体积压裂工厂化作业模式研究

地为代表的页岩气与致密砂岩气 工厂化 作业， 于同一平台的水平井丛进行集中压裂，也可建立独 立的压裂平台，利用长距离地面高压管线对一定距 由于避免了多次拆装和搬迁设备㊁ 材料等， 同时实 现了产出液集中处理与回收利用，极大地提高了效
也称作 压裂基地 模式（ 图 ４） ㊂ 该模式既可对位 离范围内的平台井或单井进行 远程 压裂施工㊂
许冬进１，２ ，廖锐全１，２ ，石善志３ ，承㊀ 宁３ ，李建民３
摘要：随着全球油气公司逐步加大对致密油气藏㊁ 页岩气藏等非常规油气藏实施勘探开发力 度，水平井压裂技术目前己成为提高非常规油气田开发综合效益的主体技术㊂ 而致密油气的 高效开发离不开水平井压裂增产技术㊂ 目前，水平井压裂增产技术也逐步向多级分段压裂㊁大 规模分段多簇的 体积压裂 的趋势发展，工厂化作业已经成为致密油气高效率低成本开发的 模式㊂ 通过研究致密油水平井体积压裂改造技术的发展趋势，分析国内外体积压裂工艺的完 井方式㊁储层改造方式和工厂化的作业模式，围绕致密油开发技术㊁ 生产作业模式和组织管理 模式等多个方面形成可复制的标准开发模式和规范，为国内各油田水平井体积压裂 工厂化 技术模式的设计和选择提供依据和参考㊂ 关键词：致密油；水平井；体积压裂；工厂化模式 中图分类号：ＴＥ３５７㊀ ㊀ 文献标识码：Ａ㊀ ㊀ 文章编号： １００６－６５３５（２０１４）０３－０００１－０６
㊀ ㊀４
特种油气藏
３
工，每天可压裂 ３ 段，一般需要 ２０ 部 ２２５０ＨＰ 泵车， 排量达到 １４ １６ ｍ ／ ｍｉｎ，压力 ４５ ６９ ＭＰａ㊂ ４������ ２㊀ 国内致密油 工厂化 作业模式 进行开发，降低了设备的搬迁成本， 从而提高了压 裂效率㊂ 根据井口的位置关系，设计 ６ 口井平台压 裂井场布局如图 ６ 所示㊂ 单个平台宽 （２ 平台连线 设计部署 ２ 组压裂装置， 以满足 工厂化 压裂地 面连续供液㊁连续混配㊁连续输砂㊁大排量泵注压裂 车组的设备摆放需求㊂ 所有高压注入管汇及外排 系统都在施工前完成连接，通过旋塞阀等注入控制 系统可快速实现施工井切换，在某一段压裂出现砂 堵等意外情况时， 可快速实施放喷及其他处理措 施，压裂车组同时可快速切换至另一口井进行压裂 方向）１９０ ｍ，长 １８０ ｍ㊂ 在 工厂化 钻井完成后， 在中国 ˑˑ油田致密油采用 工厂化 压裂模式
厂化 压裂作业模式后，在纯作业时间 ２４ ｄ 内压裂 了 ６２ 段，作业效率为 ２������ ５ 段 ／ ｄ；如果排除初期压裂 设备和人员等的磨合时间，在设备车组正常运转的 情况下，作业效率高达 ３������ ２ 段 ／ ｄ， 从而大大提高了 压裂效率，降低了生产作业时间㊂ ４������ ３㊀ 工厂化 作业模式适应性分析 致密油勘探开发必须采取低成本的原则，在世
第 ２１ 卷㊀
界范围内特别是北美地区凭借先进的水平井技术㊁ 分段压裂技术㊁ 裂缝微地震监测技术以及 工厂 化 作业模式实现了技术㊁ 资源和人工的优化配 置，最大程度地降低了开发成本， 实现了致密油经 济有效的开发，开创了非常规能源开发的 北美模 式
Ｇｒｅｅｎ Ｒｉｖｅｒ 盆地利用中心压裂平台对其周围
的 工厂化 作业模式［１７］ ㊂ Ｈｏｒｎ Ｒｉｖｅｒ 页岩气每个 每个平台潜在压裂段数在 ３００ 段以上，每段压裂平 均耗时 ５ ６ ｈ，由于压裂设备不需要重新拆卸㊁组装 和移动 （ 图 ５）， 节省了大量时间， 可完成全天候施
钻井平台约有 ８ １６ 口井，平均每井压裂 ２０ ２５ 段，
［３－４］
分段压裂发展到大规模分段多簇的体积压裂， 工 厂化 作业技术已经成为中外致密油气低成本开 发的有效模式 ［５］ ㊂ 致密油体积压裂工厂化作业模 式实现了致密油低成本高效开发 技术可采 与 经济可采 的统一㊂
随着全世界能源需求的急剧增加，非常规油气
２㊀ 体积压裂方式
２������ １㊀ 体积压裂定义
国内外致密油开发完井方式主要有固井完井
表 １㊀ 致密油水平井完井方式对比
完井方式 管外隔离 管内隔离 桥塞或砂塞 套管固井 固井水泥 投球或投飞镖 裸眼膨胀封隔器， 裸眼完井 裸眼液压机械 封隔器 桥塞或砂塞 投球 套管滑套 射孔或水力喷射 滑套 井筒与地层连通 射孔或水力喷射
发提供了高效生产作业模式㊂ 工厂化作业的本质， 主要体现在批量布井㊁ 标准井场建设㊁ 压裂流水作 业㊁压裂液重复利用和少井高产 ５ 个方面㊂ 致密油 工厂化压裂，包括以下几大系统：连续泵注系统㊁连 续供砂系统㊁连续配液系统㊁连续供水系统㊁工具下
和裸眼完井 ２ 种， 随着分段压裂技术的不断进步， 这 ２ 种完井方式在国内外水平井完井及改造中都 得到了广泛应用 ［８］ ㊂ 根据管外及管内压裂段隔离 及井筒与地层沟通方式的差异，派生出多种压裂完 井方式（ 表 １） ㊂ 其中， 固井 ＋ 速钻桥塞与裸眼封隔 器 ＋分压滑套是应用最广泛㊁ 技术最成熟的 ２ 种方 式（ 图 １㊁２） ㊂
图 １㊀ 固井 ＋ 速钻桥塞分段压裂管柱示意图
入系统㊁后勤保障系统等 ［１２－１３］ ㊂
面减少压裂作业时间和压裂设备动迁次数，降低压 裂改造成本；另一方面，通过集中布井压裂改造，促 产生更复杂的缝网， 增加改造体积， 大幅度提高初 始产量和最终采收率㊂ 实践表明，在同等压裂规模 下，此种作业模式极大提高了设备利用率， 节省了 大量施工等待时间，推动了水平井数量快速增加与 规模应用，最大程度地提高了综合效益㊂ 其优势主 使平台各井压裂水力裂缝在扩展过程中相互作用，
工厂化 压裂作业通过科学集中布井， 一方
图 ２㊀ 裸眼管外封隔器 ＋ 滑套分段压裂管柱示意图
㊀ 第３期
要体现在：① 减少土地占用 （ 井场㊁ 道路 ） 的同时， 便于大量大型施工设备摆放；② 减少设备拆装㊁ 搬 迁，减少消耗 （ 燃料㊁ 道路维护 ） ；③ 通过材料重复 利用及设备（ 施） 共用降低成本；④ 为交错压裂㊁ 同 步压裂等不同压裂方式提供条件，利用压裂液注入 对就地应力场的影响， 增加裂缝网络复杂性， 实现 体积压裂；⑤便于产出液集中处理和再利用；⑥ 便 于生产管理和资料采集㊂ ３������ ３㊀ 工厂化 压裂作业流程 工厂化 压裂作业流程主要包括以下几个方
１㊀ 致密油概述
资源越来越受到重视 ［１－２］ ㊂ 近年来， 随着非常规连 续型油气聚集理论的发展和致密储层中纳米孔喉 体系的重大发现，为非常规致密岩油气的快速发展 提供了科学依据，同时也为非常规油气资源的勘探 和开发奠定了十分重要的理论基础㊂ 致密油是非 常规油气资源中比较重要的部分，也是未来油气资 源上产的重要接替资源㊂ 因此，致密油的研究和开 发近年来受到广泛关注
许冬进等：致密油水平井体积压裂工厂化作业模式研究
的压裂作业辅助施工， 做好压裂准备；② 连续供水 系统把合格的压裂用水从水源地连续输送到连续 配液系统；③连续配液系统使用连续供水系统从水 源地输送的来水连续配置压裂液；④连续供砂系统 把支撑剂连续输送到连续泵注系统的混砂车搅笼 中；⑤连续泵注系统把连续配液系统配置的压裂液 和连续供砂系统输送的支撑剂按照压裂设计进行 混合，并将混砂液连续泵入地层㊂
㊀３ ㊀
４㊀
工厂化 作业模式应用
面（ 图 ３） ：①工具下入系统按照压裂设计实施井口
４������ １㊀ 国外 工厂化 作业模式应用 成本㊂ 因地理环境㊁地质条件及不同时期钻完井技 术水平等条件差异， 工厂化 压裂作业有多种形 式 ［１３－１５］ ㊂ 一种是以美国 Ｐｉｃｅａｎｃｅ 盆地和 Ｇｒｅｅｎ Ｒｉｖｅｒ 盆 工厂化 作业模式能够有效提高效率㊁ 降低
图 ３㊀ 北美地区工厂化压裂流程
图 ４㊀ Ｇｒｅｅｎ Ｒｉｖｅｒ 盆地（ 左） 与 Ｐｉｃｅａｎｃｅ 盆地（ 右） 远程压裂示意图
率，降低了成本㊂
单井或多井平台的 ４０ 口井完成了 ４００ 段压裂， 地 面高压压裂管线最大长度达 ２ ０００ ｍ 以上㊂ 另一种是加拿大 Ｈｏｒｎ Ｒｉｖｅｒ 页岩气开发所采用
顿盆地巴肯致密油开发取得突破后， 日产量达到
㊂ ２０００ 年，美国威利斯
ｕｍｅ ） 技术， 通过水力压裂对储层实施改造， 使天 然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，实现对 天然裂缝和岩石层理的沟通，同时在主裂缝的侧向 上强制形成次生裂缝，最后形成天然裂缝与人工裂 缝相互交错的裂缝网络， 从而将有效储层打碎， 实 现长㊁宽㊁高三维方向的全面改造，增大渗流面积及 导流能力，提高初始产量和最终采收率 ［６］ ㊂ 的 Ｂａｒｎｅｔｔ 页岩的有效开发最具代表性 ［７］ ， 其储层 体积压裂技术的实施以北美地区特别是美国
要求完井工程不仅要为实现水平井分段压裂提供 高质量的井筒条件，还要兼顾长期开采过程中的生 产措施及油井维护需求㊂
法，集中配置人力㊁物力㊁投资㊁组织等要素，以现代 科学技术㊁信息技术和管理手段， 用于传统石油开 发施工和生产作业㊂ 美国致密砂岩气㊁ 页岩气开 发，英国北海油田㊁墨西哥湾和巴西深海油田，都采 用 工厂化 作业的方式 ［９－１０］ ㊂ 供了高效运行模式㊂ 根据国外开发经验 ［１０］ ， 一般 现场实施有 ２ 种方式：一种是 ２ 套压裂车组同时压 裂，称为同步压裂（ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ） ；另一种 是 ２ 口井㊁１ 套压裂车组， 配合射孔㊁ 下桥塞等作 业， 交 互 施 工㊁ 逐 段 压 裂， 称 为 交 叉 压 裂 （ Ｚｉｐｐｅｒ Ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ，又称拉链式压裂 ） ㊂ 为了监测压裂裂缝 这 ２ 种方法的显著优点是可以促使水力裂缝在扩 展过程中相互作用， 产生更复杂的缝网， 增加改造 体积，可大幅度提高初始产量和最终采收率， 同时 减少作业时间和设备动迁次数， 降低施工成本； 一 成本降低 ５０％ 以上 ［１１］ ㊂ ３������ ２㊀ 般平均产量比单独压裂可类比井提高 ２１％ ５５％， 工厂化 压裂系统组成 工厂化 压裂作业为非常规油气实现有效开 扩展形态，一般选择第 ３ 口井作为微地震监测井㊂ 工厂化 作业为非常规油气实现有效开发提
㊀ ㊀２
特种油气藏
改造的主体技术为水平井分段多簇体积压裂㊂ 与 常规压裂相比，体积压裂技术特点主要体现在大液 量㊁大排量㊁大砂量㊁小粒径和低砂比 ［６］ ㊂ ２������ ２㊀ 体积压裂工艺技术 致密油一般采用水平井多段压裂后投入开发，
第 ２来自百度文库 卷㊀
３㊀ 体积压裂 工厂化 模式
３������ １㊀ 工厂化 模式 工厂化 模式是指应用系统工程的思想和方
７ ０００ ｔ ／ ｄ㊂ ８ ａ 后，借鉴致密气开发的思路和技术， 巴肯致密油实现规模开发，并成为当年全球十大发 现之一，致密油也因此被西方媒体誉为 黑金 ㊂ 震实时监测诊断三大关键技术，是致密油气近年来 快速发展的技术背景㊂ 由于技术进步和压裂设备 的不断更新，水平井压裂技术也从分段压裂㊁ 多级 水平井钻井技术㊁大规模压裂技术和压裂微地
体积压裂，也称 ＳＲＶ（ Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｖｏｌ⁃
㊀ ㊀ 收稿日期：２０１３１１０９；改回日期：２０１４０３０２ ㊀ ㊀ 基金项目：教育部博士点基金项目 低渗透分段压裂水平井渗流机理与产能预测研究 （ ２０１１４２２０１１０００１） ； 国家自然科学基金 基于复杂网络的群集智能 优化算法及应用 （６１１７００３１） ㊀ ㊀ 作者简介：许冬进（１９８１－） ，男，２００４ 年毕业于长江大学石油工程专业，２０１１ 年毕业于长江大学油气田开发专业，获硕士学位， 现为长江大学油气田开发专 业在读博士研究生，主要研究方向为油气田压裂增产技术㊂
ＤＯＩ：１０������ ３９６９ ／ ｊ������ ｉｓｓｎ������ １００６－６５３５������ ２０１４������ ０３������ ００１
致密油水平井体积压裂工厂化作业模式研究
（１������ 教育部油气资源与勘探技术重点实验室㊀ 长江大学，湖北㊀ 荆州㊀ ４３４０２３； ２������ 中油采油采气重点实验室长江大学分室，湖北㊀ 荆州㊀ ４３４０２３； ３������ 中油新疆油田分公司，新疆㊀ 克拉玛依㊀ ８３４０００）