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1 DOI: / j issn 致密油水平井体积压裂工厂化作业模式研究许冬进 1,2, 廖锐全 1,2, 石善志 3, 承宁 3 3, 李建民 (1 教育部油气资源与勘探技术重点实验室长江大学, 湖北荆州 ; 2 中油采油采气重点实验室长江大学分室, 湖北荆州 ; 3 中油新疆油田分公司, 新疆克拉玛依 ) 摘要 : 随着全球油气公司逐步加大对致密油气藏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而致密油气的高效开发离不开水平井压裂增产技术目前, 水平井压裂增产技术也逐步向多级分段压裂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储层改造方式和工厂化的作业模式, 围绕致密油开发技术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关键词 : 致密油 ; 水平井 ; 体积压裂 ; 工厂化模式中图分类号 :TE357 文献标识码 :A 文章编号 : (2014) 致密油概述随着全世界能源需求的急剧增加, 非常规油气资源越来越受到重视 [1-2] 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因此, 致密油的研究和开发近年来受到广泛关注 [3-4] 2000 年, 美国威利斯顿盆地巴肯致密油开发取得突破后, 日产量达到 t / d 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水平井钻井技术大规模压裂技术和压裂微地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多级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] 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 2 体积压裂方式 2 1 体积压裂定义体积压裂, 也称 SRV(Stimulated Reservoir Vol 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, 实现长宽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] 体积压裂技术的实施以北美地区特别是美国的 Barnett 页岩的有效开发最具代表性 [7], 其储层收稿日期 : ; 改回日期 : 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 ( ); 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 ( ) 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

2 2 特种油气藏第 21 卷改造的主体技术为水平井分段多簇体积压裂与常规压裂相比, 体积压裂技术特点主要体现在大液量大排量大砂量小粒径和低砂比 [6] 2 2 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, 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国内外致密油开发完井方式主要有固井完井和裸眼完井 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] 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) 其中, 固井 + 速钻桥塞与裸眼封隔器 + 分压滑套是应用最广泛技术最成熟的 2 种方式 ( 图 1 2) 表 1 致密油水平井完井方式对比完井方式管外隔离管内隔离井筒与地层连通套管固井裸眼完井图 2 图 1 固井水泥裸眼膨胀封隔器, 裸眼液压机械封隔器桥塞或砂塞投球或投飞镖桥塞或砂塞投球射孔或水力喷射套管滑套射孔或水力喷射滑套固井 + 速钻桥塞分段压裂管柱示意图裸眼管外封隔器 + 滑套分段压裂管柱示意图 3 体积压裂工厂化模式 3 1 工厂化模式工厂化模式是指应用系统工程的思想和方法, 集中配置人力物力投资组织等要素, 以现代科学技术信息技术和管理手段, 用于传统石油开发施工和生产作业美国致密砂岩气页岩气开发, 英国北海油田墨西哥湾和巴西深海油田, 都采用工厂化作业的方式 [9-10] 工厂化作业为非常规油气实现有效开发提供了高效运行模式根据国外开发经验 [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 1 套压裂车组, 配合射孔下桥塞等作业, 交互施工逐段压裂, 称为交叉压裂 ( Zipper Fracturing, 又称拉链式压裂 ) 为了监测压裂裂缝扩展形态, 一般选择第 3 口井作为微地震监测井这 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 ; 一般平均产量比单独压裂可类比井提高 21% ~ 55%, 成本降低 50% 以上 [11] 3 2 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发提供了高效生产作业模式工厂化作业的本质, 主要体现在批量布井标准井场建设压裂流水作业压裂液重复利用和少井高产 5 个方面致密油工厂化压裂, 包括以下几大系统 : 连续泵注系统连续供砂系统连续配液系统连续供水系统工具下入系统后勤保障系统等 [12-13] 工厂化压裂作业通过科学集中布井, 一方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, 促使平台各井压裂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, 大幅度提高初始产量和最终采收率实践表明, 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其优势主

3 第 3 期许冬进等 : 致密油水平井体积压裂工厂化作业模式研究 3 要体现在 :1 减少土地占用 ( 井场道路 ) 的同时, 便于大量大型施工设备摆放 ;2 减少设备拆装搬迁, 减少消耗 ( 燃料道路维护 );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 3 3 工厂化压裂作业流程 4 工厂化作业模式应用工厂化压裂作业流程主要包括以下几个方面 ( 图 3):1 工具下入系统按照压裂设计实施井口图 3 北美地区工厂化压裂流程 4 1 国外工厂化作业模式应用工厂化作业模式能够有效提高效率降低成本因地理环境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] 一种是以美国 Piceance 盆地和 Green River 盆地为代表的页岩气与致密砂岩气工厂化作业, 也称作压裂基地模式 ( 图 4) 该模式既可对位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离范围内的平台井或单井进行远程压裂施工由于避免了多次拆装和搬迁设备材料等, 同时实现了产出液集中处理与回收利用, 极大地提高了效图 4 Green River 盆地 ( 左 ) 与 Piceance 盆地 ( 右 ) 远程压裂示意图率, 降低了成本 Green River 盆地利用中心压裂平台对其周围单井或多井平台的 40 口井完成了 400 段压裂, 地面高压压裂管线最大长度达 m 以上另一种是加拿大 Horn River 页岩气开发所采用的工厂化作业模式 [17] Horn River 页岩气每个钻井平台约有 8~16 口井, 平均每井压裂 20~25 段, 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组装和移动 ( 图 5), 节省了大量时间, 可完成全天候施

4 4 特种油气藏第 21 卷工, 每天可压裂 3 段, 一般需要 20 部 2250HP 泵车, 排量达到 14~16 m 3 / min, 压力 45~69 MPa 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 4 2 国内致密油工厂化作业模式在中国油田致密油采用工厂化压裂模式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进行开发, 降低了设备的搬迁成本, 从而提高了压裂效率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 所示单个平台宽 (2 平台连线 4 3 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, 在世方向 )190 m, 长 180 m 在工厂化钻井完成后, 设计部署 2 组压裂装置, 以满足工厂化压裂地面连续供液连续混配连续输砂大排量泵注压裂车组的设备摆放需求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界范围内特别是北美地区凭借先进的水平井技术分段压裂技术裂缝微地震监测技术以及工厂化作业模式实现了技术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 [13] 中国致密油储量丰富, 分布范围广 ( 主要有鄂尔多斯盆地准噶尔盆地松辽盆地和四川盆地等 ) 目前中国已经在以上区域建立了多个致图 5 ENCANA 公司 Horn River 63-K 平台工厂化作业现场密油工业化勘探开发试验区, 取得了一些致密油技术开发和管理方面的经验表 2 是中国与北美致密油地质背景和开发条件的对比从表 2 可以看出, 中国与北美致密油在很多方面有很大的不同, 不能简单的对北美工厂化作业模式完全照搬为了更好地促进中国致密油资源的高效开发, 工厂化体积压裂模式需要在以下方面有所突破和创新 (1) 水资源的高效利用中国是一个水资源相对贫乏的国家, 特别是在中国的西北地区, 而这些地域又恰好是中国致密油资源的密集区致作业排采流程具有压后快速返排连续排液及准确计量功能针对 2 个压裂平台的 2 套压裂装置, 需配备 2 套供水系统, 每套系统供水能力大于 8 m 3 / min 同时为满足现场 2 组车同时施工需要, 现场作业需要 2 套连续配液设备, 单套参数如下 : 工作排量不小于 8 0 m 3 / min, 瞬时最大流量达到 10 m 3 / min, 配液浓度达到 0 3% ~ 0 6%( 粉水质量比 ) 在压裂过程中, 设计每段加砂量为 80 ~ 100 m 3, 单车组单井日施工 2 段根据设计要求确定压裂设备及参数为 :2 套连续供砂设备 ( 与 2 套压裂车组匹配 ), 每组供砂能力大于 200 m 3 / d, 单套设备容积大于 100 m 3, 最大上砂及输砂能力大于 kg / min 施工发现, 在采用常规压裂作业模式进行分段压裂时, 最高作业效率为 1 5 段 / d, 而在采用工密油体积压裂需要大量的水资源, 单段液量高达 m 3 以上, 单井需要液量通常在 m 3 以上, 这就需要对水资源进行合理的配置, 对压裂返排液进行高效重复利用, 同时加强污水处理等环保措施 (2) 开发方案设计模式的改变传统的常规油藏的勘探开发方案, 一般都是油藏地质设计钻井地质工程设计压裂完井试油投产的单向接力式设计模式, 而致密油等非常规能源的设计从一开始就需要油藏钻井压裂返排试油各个环节相互协调, 各个专业之间需要不断交叉优化的环形设计模式 (3) 作业模式和管理模式的改变为了提高单井经济可采储量, 降低开发成本, 将钻井压裂试气等作业程序按照流程化批量化标

5 第 3 期许冬进等 : 致密油水平井体积压裂工厂化作业模式研究 5 准化的方式从组织模式资源配置流程设计技术支撑作业管理等多方面进行革新, 集中现有资源和技术优势实现模块化组织程序化控制和流程化作业图 6 油田致密油体积压裂井场布置示意图表 2 中国与北美致密油地质背景和开发条件对比地区地质背景构造演化沉积环境储层特征压力系数开发条件形地貌件水源条件地面管网法律政策中国多旋回为主陆相为主非均质性较强偏低 (0 6 ~ 1 2) 山地丘陵沙漠等缺乏不发达未完全建立北美单旋回为主海相为主均质性相对较好高 (1 2 ~ 1 9) 平原为主充足发达已经建立 5 结论 (1) 水平井钻井技术大规模压裂技术和压裂微地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多级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模式 (2) 致密油开发完井方式主要有固井完井和

6 6 特种油气藏第 21 卷裸眼完井 2 种, 随着分段压裂技术的不断进步, 水平段裸眼完井和注水泥固井 2 种完井方式在国内外水平井完井及改造中得到了广泛应用 (3) 体积压裂与传统压裂的区别很大采用类型特征机理及展望以中国致密油和致密气为例 [J] 石油学报,2012,33(2): [5] 吴奇, 胥云, 王晓泉, 等非常规油气藏体积改造技术 [J] 石油勘探能与开发,2012,39(3): [6] 贾承造, 邹才能, 李建忠, 等中国致密油评价标准主常规单井压裂模式, 不仅施工井数多, 且加砂量压要类型基本特征及资源前景 [J] 石油学报,2012,33 裂液用量巨大, 成本高而采用工厂化压裂作 (3): 业模式, 不仅可以充分发挥连续供水系统的作用, [7] 郭永奇, 铁成军巴肯致密油特征研究及对我国致密而且可以对压裂液进行重复利用, 既降低了水资源的使用量, 又减少了压裂污水的处理量, 且降低了生产成本 (4) 体积压裂工厂化的优势是快速与高效工厂化压裂作业是高层次的标准化作业, 其对施工设备的要求较高在工厂化压裂施工过程中, 压裂的地面连续供液连续混配连续输油勘探开发的启示 [ J] 辽宁化工,2013,42(3): ,317 [8] 李庆辉, 陈勉, 金衍, 等新型压裂技术在页岩气开发中的应用 [J] 特种油气藏,2012,19(6):1-7 [9] 张威, 刘新, 张玉玮世界致密油及其勘探开发现状 [J] 石油科技论坛,2013,32(1):47-50,74 [10] 谌卓恒,Kirk G Osadetz 西加拿大沉积盆地 Cardium 组致密油资源评价 [ J] 石油勘探与开发, 2013,40 砂大排量泵注压裂车组的设备摆放需要适应工 (3):68-76 厂化压裂作业的施工要求, 以此来实现工厂化 [11] 刘社明, 张明禄, 陈志勇, 等苏里格南合作区工厂化压裂作业的流水线生产作业钻完井作业实践 [ J] 天然气工业,2013,33(8):64- (5) 人员的有效管理和高效配置是体积压裂工厂化模式的保障依据由于采用工厂化压裂作业模式, 不仅缩短了致密油开发压裂周期, 而且降低了生产成本, 提高了工作效率, 对于致密油的高效生产开发具有重要意义 (6) 通过对国内外工厂化压裂作业模式研究发现, 在同等压裂规模下, 与常规单井压裂模式 69 [12] Casero Alberto, Pace Giamberardino, Malone Brad, et al Continuous pumping, multistage, hydraulic fractu ring in Kitina Field Offshore Congo, West Africa[ C] SPE112442, 2008:1-20 [13] 王林, 马金良, 苏凤瑞, 等北美页岩气工厂化压裂技术 [J] 钻采工艺,2012,35(6):48-50 [14] 邹才能, 张国生, 杨智, 等非常规油气概念特征潜相比, 采用工厂化压裂作业模式作业效率可提力及技术兼论非常规油气地质学 [ J] 石油勘探高 21% ~ 55%, 成本降低 50% 以上因此, 工厂与开发,2013,40(4): , 454 化压裂作业模式对推动致密油高效开发具有重 [15] Pedro Saldungaray,Terry Palisch, Robert Shelley Hy 要作用参考文献 : draulic fracturing critical design parameters in unconven tional reservoirs[c] SPE164043, 2013:1-13 [16] Terry T,Mark A,Jonathan Godwin Hydraulic fracture [1] 李玉喜, 张金川我国非常规油气资源类型和潜力 [J]. 国际石油经济,2011,19(3):61-65 [2] 胡文瑞我国非常规天然气资源现状问题及解决方案 [J] 石油科技论坛,2012,31(6):1-5 [3] 邹才能, 张光亚, 陶士振, 等全球油气勘探领域地质特征重大发现及非常规石油地质 [J] 石油勘探与开 design optimization in unconventional reservoirs- a case history[c] SPE160206, 2010:1-14 [17] Srinivasan K, Dean B, Olukoya I, et al An overview of completion and stimulation techniques and production trends in granite wash horizontal wells[c] SPE144333, 2011:1-24 发,2010,37(2): [4] 邹才能, 朱如凯, 吴松涛, 等常规与非常规油气聚集编辑刘兆芝

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物质因素能量因素邹才能陶士振周慧张响响何东博周川闽王岚王雪松李富恒朱如凯罗平袁选俊徐春春杨华中国石油勘探开发研究院中国石油天然气集团公司中国石油西南油气田公司中国石油长庆油田公司中国石油天然气股份有限公司科技部岩性地层油气藏地质理论与勘探技术研究项目根据成岩作用和成岩相对储集层发育的控制作用及与储集层分布的关系探讨成岩相的形成机理划分方案与评价方法及其在油气勘探中的应用和意义