第３ ６卷 第 ５期
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钻 采 工 艺
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钻井工艺
页岩气“ 井工厂” 开发关键技术
王敏生， 光新军
（ 中国石化石油工程技术研究院）
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对多个井进行压裂， 大大降低压裂施工成本。 ５ ． 井眼轨迹控制技术 ５ ． １井眼轨迹设计 为了减少井间防碰的可能， “ 井工厂” 多井平台 在实钻过程中需要实时调整， 具体步骤包括 ： ① 取得真正井位坐标以及修正的地质目标后， 确定槽
王敏生等．页岩气“ 井工厂” 开发关键技术． 钻采工艺， ２ ０ １ ３ ， ３ ６（ ５ ） ： １－ ４ 摘 要：为了提高页岩气的开发效率， 降低开发成本， 减少对环境的影响， 一个井场钻多口井进行批量化作业 的“ 井工厂” 开发模式在北美应用越来越广泛。为此， 在国内外文献调研的基础上， 分析了“ 井工厂” 开发的特点及 现状； 介绍了主要的关键技术， 包括井场部署、 井组优化设计、 可移动钻机、 批量化作业、 井眼轨迹控制、 同步压裂、 微地震监测、 钻井液循环利用和压裂液回收利用。这些关键技术的应用对我国页岩气高效开发具有一定的借鉴意 义。 关键词：井工厂；多井组；批量作业；页岩气
７ ， ８ ］ 机至下一口井开钻 ［ ， 这种工序可以减少作业成
一种有效的作业模式。
二、 “ 井工厂” 开发的关键技术
１ ． 井场部署 区块“ 工厂化” 模式布井的原则是用尽可能少 的井场布合理数量的井， 以优化征地费用及钻井费 用。单个井场占地面积由井组数决定， 一个井场中 设计的井组数越多， 井场面积越大， 需要综合考虑钻 井和压裂施工车辆及配套设施的布局。地面工程的 设计需要考虑工程和环境的影响， 为“ 井工厂” 开发 提供保障， 同时使占地面积最小化。需要考虑的因 素有以下几点： ① 满足区块开发方案和页岩气集输 建设要求； 充分利用自然环境、 地理地形条件， 尽 ② 量减少钻前工程的难度； ③ 考虑钻井能力和井眼轨 迹控制能力； ④最大程度触及地下页岩气藏目标； ⑤ 考虑当地地形地貌， 生态环境， 以及水文地质条件， 满足有关安全环保的规定。 ２ ． 井组优化设计 目前， 国外页岩气“ 井工厂” 钻井在单井场最多 布３ ６口井， 采用单排或多排排列， 布局需要充分考 虑作业规模、 地质条件（ 井生产能力） 、 地面条件限 制等因素。单排丛式井井间距一般为 １ ０～ ２ ０ｍ ， 多
井和生产， 所有井筒采用批量化的作业模式。图 １
１ ］ 为Ｈ ｏ ｒ ｎＲ ｉ ｖ ｅ ｒ 盆地丛式“ 井工厂” 三维结构 ［ 。
页岩气“ 井工厂” 开发的目的是为了提高开发 的经济性， 同时通过在一个井场钻多口井减少钻完 井对环境的影响。主要有以下优点：① 利用最小的 丛式井井场使开发井网覆盖储层区域最大化， 减少 了井场的占地面积； 减 ②多口井集中钻完井和生产， 少了人力成本、 钻完井施工车辆及钻机搬家时间， 同 时地面工程及生产管理也得到简化， 大大降低了作 业成本； 固井， 二开、 再依次固完 ③多口井依次一开、 井， 钻井、 固井、 测井工序间无停待， 实现设备利用最 大化， 提高了作业效率； ④多口井在相同开次钻井液 体系相同， 钻井液重复利用， 大幅降低钻井液用量，
６ ］ 低作业成本 ： ①高移动性能。采用底座整体移动技术， 通过优化钻机移动模块来实现钻机的自由移动， 减 少了钻机的拆卸、 搬迁、 安装等时间； ② 自动化。采 用电、 液、 气一体化智能控制技术、 嵌入自动钻井的 力学计算程序的数字计算机钻井界面、 精确的定位 控制和远程控制等； ③ 减少作业人员。钻井操作只 需要配备 ４名人员， 钻台几乎所有的操作都由司钻 完成， 另外配备地面及其它辅助人员 ３名即可进行 钻井生产作业； ④ 占地面积小。对环境保护具有积 极作用； ０ ０ｍ 井 ⑤适应性。所有的设备配备钻 ３０ 深的能力。 ４ ．批量化作业 为了节省时间， 降低钻井成本， 实现快速钻进， “ 井工厂” 采用可移动式钻机实现快速批量钻井， 其 特点是体 形 小， 重 量 轻， 价 格 低 廉， 钻 速 快。对 于 ５ ０ ０ｍ 的表层， 每口井只需 ３ ６ｈ 。这样就可以迅速 完成表层钻井， 钻完第 １口井迅速转到下一口井， 在 钻表层时不需要改变泥浆体系和钻杆。这样顺次一 开钻完所有的井后再移钻机回到第一口井开始二开 的钻进， 重复以上操作直到二开钻完所有的井， 再次 移钻井平台回到第一口井开始三开， 依次类推钻完 所有的井。对于一开井深不长的情况， 可以先一开 钻固完表层后继续二开钻井及下套管固井后再移钻
本达 １ ０ ％以上。压裂施工的作业也可以实现批量 化施工， 即压裂“ 井工厂” ， 即在一个中央区对相隔 数百米至数千米的井进行压裂， 所有的压裂设备都 布置在中央区， 不需要移动设备、 人员和材料就可以
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一、 “ 井工厂” 开发特点及现状
自从美国 １ ８ ２ １年完钻世界上第一口页岩气井 以来， 页 岩 气 钻 井 先 后 经 历 了 直 井、 水 平 井、 丛式 “ 井工厂” 的发展历程。加拿大能源公司（ Ｅ ｎ Ｃ ａ ｎ ａ ） 最先提出“ 井工厂” 开发的理念， 是使用水平井钻井 方式， 在一个井场完成多口井的钻井、 射孔、 压裂、 完
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由于页岩气勘探开发投入成本高， 产能低， 使得 石油公司面临着诸多挑战。利用有效的钻完井技 术， 减少非作业时间， 缩短建井周期， 降低作业成本 显得非常重要。页岩气“ 井工厂” 开发已经证明是 经济可行的方案， 其核心是在一个井场钻多口水平 井， 实现可重复、 批量化作业的工厂化生产模式， 关 键技术包括井场部署、 批量化作业、 特种作业钻机、 井眼轨迹控制技术、 同步压裂技术、 裂缝监测技术、 钻井液循环利用和压裂液回收利用等。近年来页岩 气“ 井工厂” 开发模式在北美广泛应用， 带来了巨大 收益， 而我国页岩气开发还处于试验阶段， 对“ 井工 厂” 开发概念和模式认识不清。为此， 笔者对页岩 气“ 井工厂” 开发的特点和现状进行了分析， 并对主 要的关键技术进行了阐述， 所取得的认识对我国页 岩气的高效开发具有一定的借鉴意义。
收稿日期：２ ０ １ ２－ １ ２－ ２ ７ ；修回日期：２ ０ １ ３－ ０ ８－ ２ ２
基金项目：中国石化科技开发部项目“ 石油钻井创新技术调研与发展建议” （ Ｐ １ ２ ０ ４ ２ ） 部分研究成果。 作者简介：王敏生， 教授级高级工程师， １ ９ ９ ５年毕业于江汉石油学院钻井工程专业， ２ ０ ０ ９年获中国石油大学（华东）油气井工程博士学 位， 主要从事钻井工艺研究及石油工程规划方面的工作。电话： ０ １ ０－ ８ ４ ９ ８ ８ ０ ８ ７ ， １ ５ １ ０ １ １ ７ ３ ４ ７ ９ ， Ｅ－ ｍ ａ ｉ ｌ ： ｗ ａ ｎ ｇ ｍ ｓ ． ｓ ｒ ｉ ｐ ｅ ＠ｓ ｉ ｎ ｏ ｐ ｅ ｃ ． ｃ ｏ ｍ 。联系人： 光 １ ０ ０ １ ０ １ ） 北京市朝阳区北辰东路 ８号北辰时代大厦 ９ １ ９ ， 电话： ０ １ ０－ ８ ４ ９ ８ ８ ６ ９ ５ ， Ｅ－ ｍ ａ ｉ ｌ ： ｇ ｕ ａ ｎ ｇ ｘ ｉ ｎ ｊ ｕ ｎ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ 新军， 地址： （
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减少钻井费用； 改变井组间 ⑤多口井进行同步压裂， 储层应力场的分布， 有利于形成网状裂缝， 提高页岩 气的产能和最终采收率； ⑥压裂液返排后回收利用， 节约成本又有利于保护生态环境； “ 井工厂” 开发也 存在着缺点， 主要包括： 增加了井眼轨迹控制难度， 对设备和技术要求较高； 总体井组钻井周期较长， 一 般要在整个井组完钻后才可进行后续的作业； 加大 了现场工程监督难度。 近年来， “ 井工厂” 作业方式在北美页岩气的开 发得到了广泛应用， 针对不同的页岩气区块的实际 情况， 产生了积极的影响。 Ｍ ａ ｒ ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｓ 页岩气区位于 山区， 地表特征限制了井场的位置， 同时存在水供应 和压裂水处理等难题， 之前主要采用垂直井开发， 经 济效益较差。自 ２ ０ ０ ７年开始作业者开始采用“ 井工 厂” 开发模式， 大大提高了勘探开发的经济性， 同时 减少了对环境造成的影响， 截止 ２ ０ １ １年， 超过 ７ ８ ％ 的井利用“ 井工厂” 模式开发。 Ｂ ａ ｒ ｎ ｅ ｔ ｔ 页岩气区紧 靠市区， 作业者采用“ 井工厂” 开发可以减少占地面 积。２ ０ １ １年， Ｄ ｅ ｖ ｏ ｎ 能源公司在该区块一个井场钻 了３ ６口井， 大大减少占地面积。在 Ｈ ｏ ｒ ｎＲ ｉ ｖ ｅ ｒ 页岩 气区， 作业者为了提高页岩气开发经济性， 通过采用 “ 井 工 厂 ”开 发 模 式， 减少了 ２ １ ％的总作业成
口分配方案； ②利用地质设计的井位与靶点坐标进 行初步井眼轨道设计； ③ 将不同深度处的测量不确 定椭圆叠加到井眼轨迹上， 观测是否发生井碰； ④表 层井眼钻成并测量后， 根据实际井眼轨迹， 重新设计 井眼轨道并进行防碰评估。表层特别强调垂直钻 进， 并且每口井表层都要测斜。为了防止浅层井碰， 二开造斜率较小， 采用陀螺仪随钻测量工具定向， 保 证后期作业安全。三开利用油基钻井液体系、 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头和高造斜率旋转导向工具钻进至最大深度。 ５ ． ２高造斜率旋转导向系统 “ 井工厂” 开发的水平井井眼轨道采用三维井 眼， 可以减少防碰风险和提高井筒与目标储层的接 触面积， 但是增加了钻井的难度， 图 ２为“ 井工厂” 井位布置及典型轨迹