臧艷彬， 張金成， 趙明琨， 宋 爭, 羅 銳

(1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101；3.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶涪陵 408014；4.中石化西南石油工程公司地質錄井分公司,四川成都 621000)

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?鉆井完井?

涪陵頁巖氣田“井工廠”技術經(jīng)濟性評價

臧艷彬1,2， 張金成1,2， 趙明琨3， 宋 爭3, 羅 銳4

(1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101；3.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶涪陵 408014；4.中石化西南石油工程公司地質錄井分公司,四川成都 621000)

“井工廠”平臺的布井數(shù)量和作業(yè)模式會直接影響“井工廠”技術的經(jīng)濟性，而目前缺少“井工廠”技術經(jīng)濟性評價模型。為此，在分析“井工廠”作業(yè)對鉆前、鉆井以及壓裂等工程成本影響的基礎上，以工程總成本降低最大為目標函數(shù)，建立了“井工廠”技術經(jīng)濟性評價模型，并用涪陵頁巖氣田現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)進行了計算分析。實例證明，計算結果與現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)具有較好的一致性；分析發(fā)現(xiàn)，涪陵地區(qū)中淺層頁巖氣井“井工廠”平臺最優(yōu)布井數(shù)量為4～8口，在布井超過10口的深層頁巖氣平臺，最佳作業(yè)模式為“30型鉆機+70型鉆機”的流水線雙鉆機“井工廠”作業(yè)模式。研究表明，提出的“井工廠”經(jīng)濟性評價分析方法，及計算得到的“井工廠”平臺最優(yōu)布井數(shù)量和作業(yè)模式，可為“井工廠”技術的整體部署和設計提供指導。

頁巖氣；井工廠；布井數(shù)量；作業(yè)模式；經(jīng)濟性；涪陵頁巖氣田

近兩年，“井工廠”技術在中國石化涪陵頁巖氣田推廣應用100余口井，全面支撐了該頁巖氣田一期50×108m3產(chǎn)能建設，并成為涪陵國家級頁巖氣示范區(qū)的特色示范技術之一[1-2]。該技術顯著縮短了鉆井與壓裂施工周期，節(jié)約了工程費用，減少了井場建設征地面積，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益[3-4]。目前，國內(nèi)外對“井工廠”技術研究的重點主要集中于“井工廠”優(yōu)化設計、鉆井與壓裂裝備配套以及流水線作業(yè)流程優(yōu)化等方面[5-6]，而對于“井工廠”技術經(jīng)濟性的研究剛剛起步：V.Ogoke等人[7-8]從經(jīng)濟學的角度研究了“井工廠”平臺數(shù)量與工程總成本以及油田凈現(xiàn)值的關系，司光等人[9]從工程造價的角度給出了“井工廠”作業(yè)模式下的鉆井、壓裂計價方法。但國內(nèi)外尚未建立“井工廠”布井數(shù)量和施工模式對其經(jīng)濟性影響的定量評價方法，導致“井工廠”平臺在布井數(shù)量和施工模式選擇時缺乏理論指導，存在一定的盲目性。為此，筆者在分析“井工廠”作業(yè)對鉆前、鉆井以及壓裂工程成本影響的基礎上，建立了“井工廠”技術經(jīng)濟性評價模型，探索出一種以最大程度降低工程總成本為目標的“井工廠”平臺布井數(shù)量優(yōu)化方法，并用涪陵頁巖氣田實鉆數(shù)據(jù)進行了算例分析，驗證了方法的合理性，以期為“井工廠”合理確定布井數(shù)量和優(yōu)選施工模式提供依據(jù)和參考。

1 “井工廠”技術經(jīng)濟性分析

1.1 “井工廠”技術對鉆前費用的影響

“井工廠”平臺采用集中布井，每個平臺一般部署2～32口井，從而大大減少了平均單井的占地面積，并且每個平臺只需要修建一條進廠公路，平均單井的鉆前修路費用也隨之降低。根據(jù)中國石化鉆前工程定額，叢式井井場每增加一口井其鉆前費用按增加10%測算。因此，“井工廠”鉆井平臺的單井平均鉆前費用計算公式可表示為：

(1)

式中：QZQ為“井工廠”單井平均鉆前費用，萬元；qZQ為單井井場鉆前費用，萬元；N為“井工廠”平臺布井數(shù)。

1.2 “井工廠”技術對鉆井成本的影響

“井工廠”技術通過整體移動鉆機和工序的并行作業(yè)大幅縮短建井周期，減少鉆機日費，但由于采用了集中布井方式，“井工廠”技術將引起套管和定向費用的增加，同時由于增加了快速移動導軌和快速連接管匯等設備，也將增加額外的鉆井配套設備費用。

1.2.1 對鉆機日費的影響

“井工廠”技術的精髓是采用標準化的施工，通過工序的優(yōu)化實現(xiàn)工序并行作業(yè)，從而達到縮短建井周期的目標。目前國內(nèi)外根據(jù)“井工廠”施工工序的差異將其分為3種模式：整拖式“井工廠”作業(yè)模式、批量化單鉆機“井工廠”作業(yè)模式和流水線雙鉆機“井工廠”作業(yè)模式。這3種“井工廠”作業(yè)模式的特點及建井周期縮短情況為：

1) 整拖式“井工廠”作業(yè)模式。該模式為鉆機鉆完一口井全部開次后，整體拖運至下一口井進行鉆井作業(yè)，從而節(jié)省搬遷和安裝時間的一種“井工廠”作業(yè)模式。

2) 批量化單鉆機“井工廠”作業(yè)模式。采用一部鉆機按照依次一開、依次二開、依次三開、依次完井的順序完成全部井的鉆井、固井和完井作業(yè)的作業(yè)模式。在該模式下，固井后不候凝，鉆機直接移動到下一口井，鉆井、固井、測井設備無停待，鉆機移動不需要進行甩鉆具和組合鉆具作業(yè)，從而縮短了中完時間。

3) 流水線雙鉆機“井工廠”作業(yè)模式。首先應用小鉆機鉆進一開井段，在完成一定井數(shù)一開井段后，應用大鉆機開始進行第一口井二開、三開等后續(xù)鉆井作業(yè)，即采用大小鉆機配合的流水線作業(yè)，小鉆機鉆進淺部地層，大鉆機鉆進深部地層，縮短了大鉆機的作業(yè)時間，從而減少了鉆機日費。

以涪陵頁巖氣田水平井為例，根據(jù)工區(qū)搬遷、各開次鉆進、中完測井、下套管、固井、候凝等作業(yè)的平均時間[10]，計算得到了上述3種“井工廠”作業(yè)模式下建井周期縮短的情況，如圖1所示。

圖1 3種“井工廠”作業(yè)模式縮短建井周期預測Fig.1 Expected reduction in drilling times by using three “multi-well pad drilling” modes

由圖1可知，與單井鉆井相比，整拖式“井工廠”作業(yè)模式下，平均單井建井周期縮短5～8 d；批量化單鉆機“井工廠”作業(yè)模式與流水線雙鉆機“井工廠”作業(yè)模式下，平均單井建井周期縮短23～28 d。

1.2.2 對套管費用的影響

在開發(fā)頁巖氣時，為保證單井控制儲量，各井水平段之間要有一定間距(國外井間距一般為300～500 m，涪陵頁巖氣田井間距為600 m)，且為滿足大型壓裂要求，水平段鉆井方位要垂直或近似垂直于最大水平主應力方向[10]，而“井工廠”又要求地面井口集中布置，因此頁巖氣“井工廠”需要采用大偏移距三維井眼軌道設計，如圖2所示。

圖2 “井工廠”三維井眼軌道示意Fig.2 3D wellbore trajectory of wells drilled through “multi-well pad”

從圖2可以看出，隨著平臺布井數(shù)量增加，橫向偏移距變大，單井的套管用量和費用也隨之增加。

1.2.3 對定向費用的影響

隨著“井工廠”平臺布井數(shù)量的增加，橫向偏移距變大(見圖2)，定向井段長度和費用也隨之增加，且平臺布井數(shù)量越多，平均單井增加的定向井段長度和費用越多。

1.2.4 對鉆井液費用的影響

在“井工廠”作業(yè)模式下，同一開次的鉆井液體系相同，全部循環(huán)利用，從而減少鉆井液倒換造成的浪費，進而降低鉆井液成本。以涪陵地區(qū)三開油基鉆井液用量為例[11]，采用“井工廠”作業(yè)模式后，平均單井油基鉆井液費用隨著平臺布井數(shù)量的變化曲線如圖3所示。

從圖3可以看出：在平臺布井少于6口時，隨著平臺布井數(shù)量的增加，平均單井鉆井液費用顯著降低；平臺布井超過8口之后，平均單井油基鉆井液費用趨于穩(wěn)定，大約80萬元/井。

圖3 “井工廠”平臺布井數(shù)量與平均單井油基鉆井液費用的關系Fig.3 The relationship between the quantity of wells deployed on a “multi-well pad” and the volume of oil-based mud for each single well on average

1.2.5 對鉆機移動裝置及配套設備費用的影響

“井工廠”作業(yè)模式建立在鉆機快速移動的基礎之上，目前鉆機要實現(xiàn)其快速移動需要配置滑軌、電纜轉接房，并且需要添置放噴管線、延長高架槽等設備，從而增加了一定費用。上述費用為一次性投入費用，隨著“井工廠”平臺布井數(shù)量的增加，分攤到每口井上的費用會逐漸減少。

1.3 “井工廠”技術對壓裂成本的影響

“井工廠”壓裂技術主要是通過優(yōu)化壓裂生產(chǎn)組織模式，在一個固定場所，連續(xù)不斷地向地層泵注壓裂液和支撐劑，以加快施工速度、縮短投產(chǎn)周期、降低開采成本。一方面，大幅提高壓裂設備的利用率，縮短設備動遷和管線安拆時間，減少壓裂罐運輸、清洗，降低工人勞動強度；另一方面，方便回收和集中處理壓裂殘液，減少污水排放，重復利用水資源。

1.3.1 對壓裂車組費用的影響

國內(nèi)頁巖氣水平井單井分級壓裂施工一般需要3～5 d，其中輔助作業(yè)時間占60%左右，平均每天可壓裂2～3段。“井工廠”壓裂技術為頁巖氣有效開發(fā)提供了高效運行模式，采用交叉或同步壓裂方式不僅節(jié)省了機械設備搬遷時間，同時大幅縮短了設備擺放、連接管線、壓裂液罐清洗等輔助作業(yè)時間，施工效率可提高1倍以上[2]。

1.3.2 對取水和廢水處理費用的影響

頁巖氣水平井壓裂用的壓裂液主要是滑溜水，用水量極大。據(jù)美國國家環(huán)境保護局統(tǒng)計，2010年單口頁巖氣井平均用水量為(0.76～2.39)×104t，其中20%～85%的水在壓裂后滯留地下。中國頁巖氣多分布在四川、貴州、新疆、松遼等地區(qū)的丘陵和山區(qū)地帶，水資源匱乏，交通運輸不便，剩余水資源和壓裂后返排污水回收處理費用高[12]?！熬S”壓裂可以重復利用水資源，大幅減少了污水排放，既保護了環(huán)境，也節(jié)約了污水處理費。

2 “井工廠”技術經(jīng)濟性評價模型

研究與應用“井工廠”技術的最終目標是降低工程費用，縮短工程周期，“井工廠”優(yōu)化設計就是如何在地表和地下井距已知的條件下通過優(yōu)化“井工廠”平臺的布井數(shù)量、“井工廠”鉆機選型、“井工廠”施工流程等參數(shù)，使頁巖氣開發(fā)工程成本達到最低。因此，建立“井工廠”技術經(jīng)濟評價模型的目的和經(jīng)濟評價模型的內(nèi)容主要是：計算評價不同井距(300，600和900 m)、不同“井工廠”作業(yè)模式、不同平臺布井數(shù)量(2，4，6，…，20)的平均單井費用增減量，優(yōu)選出最優(yōu)平臺布井數(shù)量和最優(yōu)“井工廠”作業(yè)模式。

為滿足“井工廠”技術經(jīng)濟性評價的需要，建立了頁巖氣“井工廠”工程成本增減模型：

(2)

式中：Q為“井工廠”模式下工程費用增減量，萬元；ΔQZQ為鉆前費用增減量，萬元；ΔQDR為鉆井費用增減量，萬元；ΔQFR為壓裂費用增減量，萬元；ΔQRQ為設備升級改造費用增加量，萬元；ΔQZD為征地費用增減量，萬元；ΔQL為井場道路修建費用增減量，萬元；ΔQG為壓裂供水管線建設費用增減量，萬元；ΔQR為鉆井日費增減量，萬元；ΔQM鉆井液費用增減量，萬元；ΔQC為套管費用增減量，萬元；ΔQD為定向費用增減量，萬元；ΔQS為壓裂施工費用增減量，萬元；ΔQDF為壓裂動復員費用增減量，萬元；ΔQZS為鉆塞動復員費用增減量，萬元。

式(2)中各分項的計算公式如下。

1) 鉆前費用增減量計算公式為：

(3)

2) 鉆井日費增減量與建井周期縮短量密切相關，其計算公式為：

(4)

式中：CiR為第i開次所用鉆機日費，萬元/d；ΔTi為第i開次建井周期的縮短量，d；i為開鉆次序，一開、二開等；K為單井總開次。

3) 考慮鉆井液循環(huán)利用后，“井工廠”平均單井鉆井液費用增減量的計算公式為:

(5)

式中：CiDM為第i開次的鉆井液費用單價，萬元/m3；Δqi為第i開次重復利用的鉆井液量，m3。

4) 套管費用增加量計算公式為：

(6)

式中：CiC為第i開次套管的價格，萬元/t；ΔLi為第i開次增加的套管長度，m；qi第i開次套管的線重，t/m。

5) 定向費用增加量與增加的定向作業(yè)時間成正比，其計算公式為：

(7)

式中：CiD為第i開次的定向施工日費，萬元/d；ΔTi為第i開次增加的定向施工時間，d。

6) “井工廠”設備改造與升級費用，其計算公式為：

(8)

式中：QRQ為“井工廠”設備升級與改造總費用，萬元/d。

7) “井工廠”壓裂施工費用增減量計算公式為：

(9)

式中：CiFR為第i口井的壓裂施工費用，萬元/d；ΔTi為第i口井節(jié)約的壓裂施工時間，d；i為“井工廠”平臺井次序。

8) “井工廠”壓裂和鉆塞動復員費用增減量的計算公式分別為：

(10)

(11)

式中：QDF為單井的壓裂動復員費用，萬元；QZF為單井的鉆塞動復員費用，萬元。

3 實例分析

為驗證所建“井工廠”技術經(jīng)濟性評價模型的合理性，筆者用涪陵頁巖氣田礦場數(shù)據(jù)進行了計算與分析。算例所用的基礎數(shù)據(jù)包括：地下井距600 m，水平段長度1 500 m；井身結構、井眼軌道、鉆井液體系、鉆井工藝參數(shù)以及壓裂分段數(shù)量、液量、砂量、施工參數(shù)等工藝參數(shù)的選擇均參考該工區(qū)成熟標準的技術方案[11-12]。

3.1 基準井選擇

以2013年完鉆的焦頁X井(未應用“井工廠”技術)作為經(jīng)濟性分析的基準井。該井鉆井和壓裂均采用工區(qū)標準設計和工藝，該井鉆井周期75 d，分18段壓裂單井工程費用78 000萬元，其中鉆前及征地費用500萬元，鉆機日費1 000萬元(按照工期85 d測算)、鉆井液費用400萬元、定向井服務費120萬元，套管費用400萬元，鉆機移動設備改造費用350萬元，壓裂施工費用1 000萬元(包括壓裂車輛費、配液費等)、壓裂試氣動復員費用100萬元。

3.2 “井工廠”作業(yè)模式經(jīng)濟性評價

根據(jù)涪陵工區(qū)鉆井日費、定向日費、套管費用等定額和涪陵頁巖氣田“井工廠”作業(yè)施工流程[2-3]，利用式(2)對“井工廠”模式下的工程費用增減情況進行了計算，結果見表1。

表1 “井工廠”作業(yè)模式下工程成本計算結果

Table 1 Calculated engineering operations costs in “multi-well pad” mode

平臺布井數(shù)量/口鉆前費用/萬元鉆井日費/萬元鉆井液費用/萬元套管費用/萬元定向費用/萬元鉆機改造費用/萬元壓裂作業(yè)費用/萬元總費用/萬元2521.97318.00182.2800-143.5030.87878.744705.26322.59273.42-24.18-15.42-71.7546.311189.916759.54324.89303.80-32.22-21.22-47.8351.451286.958780.48318.00318.99-48.36-30.85-35.8854.021302.3910787.06312.26328.10-58.02-36.96-28.7055.571303.7412785.40305.37334.18-72.54-46.27-23.9256.601282.2214777.95298.48338.52-81.66-52.90-20.5057.331259.9016765.73289.30341.78-90.66-57.86-17.9457.881230.3518749.09282.41344.31-96.66-61.73-15.9458.311201.4720728.00278.96346.33-103.86-68.19-14.3558.651166.89

注：正數(shù)表示增，負數(shù)表示減。

計算結果表明，4井式“井工廠”平臺平均單井鉆井和壓裂工程成本為6 500萬元，而基準井的工程總成本為7 800萬元，同比降低1 300萬元，模型計算值為1 189.89萬，相對誤差8.47%。計算結果與現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)基本相符，說明筆者所建立的評價模型是合理的、可靠的。

由表1可知：“井工廠”作業(yè)模式下，當平臺布井少于4口時，工程總費用降低值隨著平臺布井數(shù)量的增加而大幅增加；當平臺布井超過6口后，工程總費降低值的增加幅度減緩；當平臺布井超過8口后，隨著平臺布井數(shù)量增加，工程總費用的降低值反而減少。因此，在目前井網(wǎng)條件和工藝參數(shù)下，涪陵頁巖氣田“井工廠”作業(yè)模式的最優(yōu)平臺布井數(shù)量為4～8口。

3.3 不同“井工廠”作業(yè)模式的經(jīng)濟性評價

涪陵頁巖氣田流水線雙鉆機“井工廠”作業(yè)模式有2種：1)30型小鉆機+50型大鉆機“井工廠”作業(yè)模式；2)30型小鉆機+70型大鉆機“井工廠”作業(yè)模式。采用式(2)對4種“井工廠”作業(yè)模式下工程總費用的節(jié)約情況進行了計算，結果見圖4。

圖4 不同作業(yè)模式下工程成本計算結果Fig.4 Calculated engineering costs for different work modes

由圖4可知，當平臺布井少于6口時，批量化單鉆機“井工廠”作業(yè)模式和流水線雙鉆機“井工廠”作業(yè)模式節(jié)約的工程費用相近，較整拖式“井工廠”作業(yè)模式節(jié)約工程費用的效果更為顯著。當平臺布井超過10口后，采用“30型鉆機+70型鉆機”的流水線雙鉆機“井工廠”作業(yè)模式在節(jié)約工程費用方面優(yōu)勢突出。因此，建議在涪陵頁巖氣田二期深層頁巖氣井中探索和試驗“30型鉆機+70型鉆機”的流水線雙鉆機“井工廠”作業(yè)模式。

4 結論及建議

1) 以平均單井工程成本降低計算為目標，建立了頁巖氣“井工廠”技術經(jīng)濟性評價模型，并用涪陵頁巖氣田礦場數(shù)據(jù)進行了計算分析和驗證，結果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)相符，驗證了模型的合理性和可靠性。

2) 計算結果表明，“井工廠”作業(yè)模式顯著減少了鉆前工程、鉆井液、壓裂施工等的費用及鉆機日費，但增加了套管、定向施工以及鉆機與壓裂設備改造等費用。通過該方法，計算得到的涪陵頁巖氣田“井工廠”平臺最優(yōu)布井數(shù)量為4～8口，最優(yōu)作業(yè)模式為“30型鉆機+70型鉆機”的流水線雙鉆機“井工廠”作業(yè)模式。

3) 建立的經(jīng)濟評價模型沒有考慮投產(chǎn)周期不同而引起的經(jīng)濟效益變化，現(xiàn)場實際應用時可根據(jù)生產(chǎn)運行、投產(chǎn)周期等要求，綜合確定“井工廠”最優(yōu)平臺布井數(shù)量。

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[編輯 令文學]

Economic Performance Assessments of Multi-Well Pad Drilling Technology in the Fuling Shale Gas Field

ZANG Yanbin1,2, ZHANG Jincheng1,2, ZHAO Mingkun3, SONG Zheng3, LUO Rui4

(1.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing, 100101,China; 2.StateKeyLaboratoryofShaleOilandGasEnrichmentMechanismsandEffectiveDevelopment,Beijing, 100101,China; 3.SinopecChongqingFulingShaleGasExplorationandDevelopmentCo.Ltd.,Chongqing, 408014,China; 4.SinopecSouthwestPetroleumEngineeringGeologicalLoggingCompany,Chengdu,Sichuan, 621000,China)

The number of wells deployed on a specific work mode of one multi-well pad may directly determine economic performance of multi-well pad drilling technology. Currently, there is no model available for assessment of the economic performance of the technology. In this paper, the impact of the “multi-well pad drilling” operations on engineering costs related to pre-drill, drilling, fracturing and other operations were analyzed. In addition, models to assess economic performances of the drilling technology were established with the reduction in overall cost of project as the objective function. Calculations and analyses were also performed by using field data of the shale gas field in the Fuling Area. Research results showed the calculation results coincided well with field data. It was determined that the optimal quantity of wells deployed on each “multi-well pad drilling” platform in Fuling Area was 4-8 wells. For platforms deployed for development of shale gas in deep formations with over 10 wells, the stream-lined “multi-well pad drilling” platform with two rigs of “Model 30+Model 70” should be considered as the optimal work mode. Research results showed the newly proposed techniques for assessing and analyzing economic performances of the “multi-well pad drilling”, together with resulting optimal number of wells deployed on such platform and corresponding work modes might provide the necessary guidelines for the overall deployment and design of multi-well pad drilling technology.

shale gas; multi-well pad; quantity of wells deployed; work mode; economic performance; Fuling Shale Gas Field

2016-02-15；改回日期：2016-08-26。

臧艷彬(1984—)，男，山東德州人，2006年畢業(yè)于中國石油大學(華東)石油工程專業(yè)，2011年獲中國石油大學(華東)油氣井工程專業(yè)博士學位，高級工程師，主要從事頁巖氣水平井鉆井方面的研究工作。E-mail：zangyb.sripe@sinopec.com。

國家科技重大專項“涪陵頁巖氣鉆井技術示范”(編號：2016ZX05060003)資助。

10.11911/syztjs.201606005

TE22

A

1001-0890(2016)06-0030-06