随着国内页岩气大规模勘探开发, 丛式水平井组结合“工厂化”压裂模式是页岩气井增产改造的主要方式, 并将成为页岩气开发降本增效的重要手段。丛式水平井组技术是伴随着工艺水平的提高, 降低页岩气单井开发成本需求而逐渐建立起来的, 具有一定的技术经济优势。焦石坝页岩气产能示范区作为国家级页岩气示范区, 在页岩气水平井压裂技术上, 已成功总结出地质状况与当地工程条件相适应的压裂施工方案, 并经过十几个平台的现场攻关实践, 形成了页岩气井工厂超高压大规模分段压裂技术体系和规范。本文总结了焦石坝“井工厂”压裂的主要工艺技术, 提出了“井工厂”压裂技术发展建议, 为我国页岩气开发的顺利实施提供有力的技术支撑。
1 丛式水平井组“井工厂”压裂工艺技术
目前国内页岩气开发主要分布在地理条件复杂的山区, 因地理环境、地质条件的不同, 可选择不同的作业模式。我国首个大型页岩气田-焦石坝页岩气田, 位于四川盆地边缘, 深藏于武陵山系西端的崇山峻岭中, 受地理地貌、施工井场、道路等条件限制, 难以实现国外超大规模工厂化压裂施工模式, 所以选择规模相对较小的丛式水平井组井工厂压裂模式, 即在同一井场采用集中丛式布井、压裂机组在多井间交替或同时压裂施工。目前, 丛式水平井组压裂采用“混合压裂、组合加砂”的方式来组织施工, 施工排量为12~14m3/min, 平均单段施工液量为1800m3左右, 加砂量在70m3左右。
参考国外页岩气压裂施工经验, 针对焦石坝地区页岩气压裂施工现场实践, 丛式水平井组“交叉式”压裂工艺技术主要包括主压设备配置技术、高效压裂分流管汇技术、大规模压裂施工高压管汇件安全束缚系统技术、压裂与泵送同步施工技术。
1.1 主压设备的配置技术
1.1.1 泵车水马力计算
焦石坝地区页岩气压裂施工基本工况为:施工排量14m3/min, 施工限压95MPa。按照施工限压95MPa下, 排量14m3/min条件下长时间进行施工, 计算压裂需水马力为30191HPP。泵注设备按1.2倍裕度系数准备, 预计水马力为35000HPP。按照目前主流的2500型压裂机组为例, 所需的车辆数为14台。以最新3000型压裂机组为例, 只需12台能达到36000HP。
涪陵地区页岩气施工井多位于山区, 井场面积小, 道路情况复杂。以目前主流压裂泵车的尺寸来计算, 3000型压裂泵车功率密度是2000型、2300型、2500型压裂泵车的1.43倍, 1.25倍, 1.15倍。现场应该尽量选择功率密度较大的主压设备车。
1.1.2 混砂车配备
混砂车作为压裂施工的核心设备, 在页岩气压裂施工中, 通过1套吸入排出管汇系统和两台离心泵, 实现压裂液恒压排出, 通过搅拌系统和输砂系统实现按照一定比例加砂。同时, 通过液添泵及干添泵系统往砂浆液中注入各种化学添加剂, 完成整个工艺的施工要求。根据目前焦石坝地区压裂施工工艺, 采用下表对施工泵注程序进行模拟, 同时, 根据泵注程序的情况对混砂车砂泵输出能力进行对比, 优选性能较好、输出能力稳定的混砂车。采用以下5种模式, 供液方式对比结果见表1。
从表1的5种方案可以看出, 采用方案3使用两台100BBL混砂车进行联合作业。1台加砂, 另1台不加砂, 能够满足目前的工艺要求。部分泵车泵腔内不过砂, 将大大降低泵腔易损件的磨损, 减少了泵腔的保养次数, 且在出现其中1台供液设备故障的情况下, 另1台混砂车能够迅速进行顶替。
1.2 高效压裂分流管汇技术
丛式水平井组实施两口及以上井交叉式压裂施工, 需不动地面高低压管汇实现多口井之间流程切换过程, 不动地面管汇实施流程切换可以降低流程切换的次数, 提高了施工效率, 降低了流程切换带来的风险。
1.3 大规模压裂施工高压管汇件安全束缚系统技术
在页岩气大规模压裂施工过程中, 由于管件长时间工作, 容易出现管件刺漏、密封失效甚至接头处断脱的现象, 为有效规避大规模压裂施工过程中出现的管线断脱等安全事故, 目前, 国内采用的主要方式有以下几种:
(1) 在管线重要连接处采用钢丝绳束缚, 并沿管线延伸至压裂车泵头排出法兰处固定;
(2) 在活动弯头、重要连接件处使用弹簧卡箍式防断脱束缚;
(3) 对于长距离高压管线的固定, 通常使用地锚固定长距离高压管线;
国外在进行高压管汇件束缚方面, 采用主要方案有WeirSPM的FSR系统, 和FMC的TPR系统, 两者使用的都是通过安全束缚软绳对高压管汇件进行束缚。
1.4 压裂与泵送同步施工技术
目前, 焦石坝地区常规单井压裂施工采取的模式为:在进行单井施工时, 压裂施工完一段后, 利用水力泵送技术完成电缆桥塞的泵送作业。使用这种方式泵送存在如下缺陷:
(1) 高低压流程中存在上一段施工过程中残留的支撑剂, 导致后期电缆在起出过程中携带进入阻流管, 阻塞通道, 造成电缆事故;
(2) 泵送过程中排量为2m3/min左右, 使用两台2500型泵车就能满足要求。但是泵送过程中需依靠高低压管汇流程来进行, 泵送期间无法对泵车进行设备整改;
(3) 同时, 泵送结束后, 电缆在起出井底的过程中, 泵车处于长时间停等状态, 造成不必要的非生产时效。
使用同步泵送技术, 通过独立的泵送系统, 实现与主压裂分开进行, 压裂施工与泵送同步施工, 实现模块化施工方案, 有效消除了以上缺点。
2 丛式水平井组“井工厂”压裂现场应用
2.1 丛式水平井组“交叉式”压裂现场应用实例
“井工厂”压裂技术作为页岩气压裂的特色技术, 在焦石坝页岩气开发中已全面推广应用, 自从页岩气大规模施工以来, 目前已经成功完成17个井工厂平台53口井的压裂。
2.1.1“交叉式”压裂施工现场概况
JY9号平台开展“交叉式”压裂施工的为JY9-1HF井和JY9-3HF井, 两井水平段方位大致相当, 在纵向上距离为14m, 横向上两井口中心距为2m。井口之间距离较近, 便于进行“交叉式”压裂施工。在现场设备布置过程中, 由于前期JY9-2HF井正在进行采气, 该井与实施交叉式压裂施工的两口井横向距离达到32m, 需避开JY9-2HF井口的影响。因而, 在进行高压管线布置时, 为避免施工中水力激励作用导致震动, 使用SPM的FSR高压管汇束缚系统确保施工安全。同时为了保障泵送施工与压裂施工同步进行, 在井场的后场空间, 设计了独立泵送的施工流程。前场区域在40×40m的空间范围内设计为主压裂区域。主压区和泵送区之间的空间为连续油管准备区域。
2.1.2 泵车水马力确定
按照本平台施工限压95MPa下, 排量14m3/min条件下长时间进行施工, 计算压裂需水马力为30191HHP。该平台按照每天工作4段, 主压设备16h不间断运转, 只能采取轮流工作来保障施工, 提高裕度系数为1.5确保完成施工。因此, 所配备的水马力为44500HHP。因主压裂与泵送施工同步进行, 泵送施工必须连接独立的流程, 在限压95MPa情况下, 三台2300型可以在4档运行, 提供的最大排量为2.7m3/min, 满足泵送要求, 泵送液不会存在含砂的情况。
2.1.3 在高低压流程设计上
交叉式压裂施工需一个快捷的流程切换手段, 利用高效压裂分流管汇技术实现了两口井之间交叉式压裂施工流程的快速切换。
2.1.4 施工周期对比
施工中使用一套压裂车组, 同时对JY9-a HF井和JY9-b HF井进行压裂施工与泵送桥塞交替施工, 逐段压裂。采用多级提升方式大排量 (8~10m3/min) 连续为井场供水, 采用二台混配车连续配液供液14 m3/min, 组合立式砂罐储砂供砂单井压裂模式下完成两口井压裂, 施工周期为18天, 各9天, “井工厂”压裂模式施工周期为11天, 对比结果表明“井工厂”压裂模式施工效率明显提高。
2.2 丛式水平井组“同步”压裂现场应用实例
2.2.1 四口井同步压裂施工主要参数
JY42号平台首次井工厂同步压裂, 试验在JY42-a HF井、JY42-b HF井、JY42-c HF井、JY42-d HF井同一平台四口井之间展开。四口井主要参数如下:
2.2.2 同步压裂施工现场试气压裂设备布置
四口井水平段方位基本按照南北向走向控制, JY42-a HF井、JY42-b HF井水平段方位为正北向。井口东西方向上距离为48m, JY42-a HF井、JY42-b HF井与JY42-c HF井、JY42-d HF井井口在南北向上的距离为10m, 四口井在钻井过程中按照工厂化的模式进行钻井, 井口集中, 便于实施“同步压裂”。方案实施过程中, 主压裂施工与泵送桥塞需要同步进行, 其中JY42-a HF井与JY42-b HF井具有相近的方位角, JY42-c HF井与JY42-d HF井具有相近的方位角, 因此按照a井、b井为一组, c井、d井为一组开展同步压裂试验。全井场面积为88×94m2, 两套独立的压裂机组在液罐区两侧独立布置, 泵送桥塞作业也是按照“工厂化”作业模式进行, 按照1套泵送设备兼顾两口井的施工模式进行。
2.2.3 施工中采用两套压裂机组
对JY42-a HF、JY42-b HF、JY42-c HF、JY42-d HF四口井实施同步压裂施工, 四口井分两组配对同步压裂 (其中JY42-a HF与JY42-b HF同步压裂, JY42-c HF与JY42-d HF同步压裂) 。该平台共四口井完成压裂75段, 加液132000m3, 加砂4300m3, 整个施工周期17天, 相比单井压裂模式下大大缩短施工周期。
3 认识和建议
(1) 页岩气“井工厂”压裂技术缩短了施工作业时间, 减小了井场施工面积, 提高了设备利用率, 降低了投资成本, 减轻了环境污染, 对增大页岩气单井产量与储层采收率具有现实意义。
(2) 对于需压裂的低渗透储藏, 建议采用丛式水平井组的开发方式开展工厂化压裂施工, 井场布局十分关键, 单个井场施工井数越多, 工化压裂的优势越明显。
(3) 选择与工厂化压裂相配套的工艺, 建议采用泵送快钻桥塞压裂技术。从北美地区页岩气水平井大型压裂应用情况看, 使用最多是泵送快钻桥塞工艺技术, 该技术可以实现任意段数的压裂, 可利用段与段之间等候间隙完成设备保养等工作, 特别适用于工厂化压裂。
(4) 建议开展水平井丛式井组压裂设计优化研究, 探索不同油气藏条件下的丛式井组压裂工艺试验, 以动用更多难动用储量, 提高井组改造体积及改造效果。
(5) 建议大力开展页岩气压后效果评估研究, 评价压裂对裂缝的形态和扩展的影响, 为下步压裂设计方案优化、“井工厂”井组的设计优化、加深页岩气藏的进一步认识具有重要意义。
摘要：“井工厂”压裂技术可缩短页岩气投产周期, 大大降低劳动强度和施工成本, 在页岩气等低渗透、低品位非常规油气资源开发中具有显著的技术优势, 在北美页岩气开发中获得成功应用, 对我国发展页岩气有很大的借鉴意义。通过国内页岩气压裂技术实践探索, 本文总结了焦石坝丛式水平井组“井工厂”压裂主要工艺技术, 取得了一些经验和认识, 提出了“井工厂”压裂技术发展建议, 为今后“井工厂”压裂技术的研究与推广应用提供借鉴和参考。
关键词：丛式水平井组,“井工厂”压裂,焦石坝
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