李 剛 鄔姝琰 王 暢 冷吉輝 何國璽

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院, 四川 成都 610500

0 前言

頁巖氣指主要聚集在富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥頁巖、泥巖中,以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣資源[1]。頁巖氣開發(fā)過程中具有短時間內(nèi)產(chǎn)量遞減快、壓力衰減快等特點(diǎn)[2],結(jié)合現(xiàn)有頁巖氣田的衰竭式開采模式,頁巖氣地面建設(shè)具有地面系統(tǒng)適應(yīng)性差、地面工程規(guī)劃設(shè)計難度大、地面設(shè)備投資高、建設(shè)周期長等難點(diǎn)問題,導(dǎo)致頁巖氣田地面工程建設(shè)難度大,不利于實(shí)現(xiàn)頁巖氣的安全、高效和經(jīng)濟(jì)開采[3-5]。

目前,國內(nèi)外對關(guān)于頁巖氣田地面建設(shè)方面的研究成果較多,有學(xué)者[6-10]針對井場和站場優(yōu)化布置、地面集輸設(shè)計、工藝處理設(shè)備選型，以及地面配套設(shè)施方面進(jìn)行探析與總結(jié),部分學(xué)者[11-12]針對頁巖氣田提出了地面建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計理念,均取得了良好的應(yīng)用效果。但針對頁巖氣田地面工程的建設(shè)界面和建設(shè)模式鮮有報導(dǎo)與探析,需要開展進(jìn)一步研究。

因此,針對目前頁巖氣地面建設(shè)存在的難點(diǎn)及問題,本文以CN頁巖氣田為基礎(chǔ)進(jìn)行研究,剖析CN頁巖氣田地面建設(shè)難點(diǎn),對其地面建設(shè)界面進(jìn)行明確劃分,并提出一套適應(yīng)CN頁巖氣田的地面建設(shè)模式,以期實(shí)現(xiàn)頁巖氣高效大規(guī)模開發(fā),為中國頁巖氣田地面工程建設(shè)提供一定的借鑒。

1 CN頁巖氣田地面建設(shè)難點(diǎn)剖析

CN頁巖氣田地面建設(shè)經(jīng)過多年探索與經(jīng)驗(yàn)總結(jié),目前已形成自身建設(shè)特點(diǎn)。頁巖氣田生產(chǎn)早期的壓力和產(chǎn)量較高,短時間內(nèi)壓力和產(chǎn)量會很快衰減至較低程度,這使頁巖氣地面初期建設(shè)的設(shè)計規(guī)模難以同時與其早、中、后期等3個生產(chǎn)階段的實(shí)際產(chǎn)能相匹配[13]。地面工程總體布局和規(guī)模難以合理設(shè)計與確定[14],生產(chǎn)早期投入的高等級大規(guī)模地面設(shè)備在短期內(nèi)即會面臨功能過剩,容易導(dǎo)致設(shè)備投資成本較高和運(yùn)行效果不理想。因此，地面集輸系統(tǒng)必須具備高度的靈活性和可擴(kuò)展性,以保證地面設(shè)備可以重復(fù)利用。同時,頁巖氣的非常規(guī)特性使得滾動開發(fā)時的新井、加密井等接入管網(wǎng)后的產(chǎn)能波動大,地面集輸規(guī)模和站場布置需要進(jìn)行不斷地調(diào)整,以適應(yīng)產(chǎn)能動態(tài)變化的要求,并且頁巖氣田井站布置選址、集輸規(guī)模和集輸半徑等不確定因素的綜合性影響,導(dǎo)致站場布局和管網(wǎng)形式的確定難度較大[15-16]。

因此,需要針對頁巖氣田地面工程建設(shè)進(jìn)行深度剖析,劃分地面建設(shè)界面,采取新的地面建設(shè)模式解決地面建設(shè)難點(diǎn)及矛盾,以實(shí)現(xiàn)地面鉆井、壓裂測試、地面設(shè)施建設(shè)等各個作業(yè)環(huán)節(jié)的銜接,便于地面工程統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一組織管理、地下地面統(tǒng)一,使得頁巖氣田安全、高效和經(jīng)濟(jì)開采運(yùn)行。

2 頁巖氣田地面建設(shè)工程界面及建設(shè)模式

2.1 頁巖氣田地面建設(shè)工程界面

根據(jù)CN頁巖氣田開發(fā)方案及整體建設(shè)內(nèi)容及進(jìn)度可劃分為井場建設(shè)、集氣站建設(shè)、脫水站建設(shè)等地面建設(shè)工程界面,CN頁巖氣田地面建設(shè)內(nèi)容見圖1。

圖1 CN頁巖氣田地面建設(shè)內(nèi)容圖Fig.1 CN shale gas field surface development content

CN頁巖氣田井場建設(shè)主要包括鉆井、壓裂測試和地面設(shè)施建設(shè)。井場地面設(shè)施建設(shè)主要包括采氣管線、地面橇裝模塊及配套設(shè)施等建設(shè)內(nèi)容,地面橇裝模塊主要包括高壓排采模塊、分離計量模塊、出站閥組模塊、放散模塊及后期增壓模塊等建設(shè)內(nèi)容。

CN頁巖氣田集氣站建設(shè)主要包括集氣管線建設(shè)和集氣站建設(shè)。集氣站建設(shè)主要有平臺井站來氣匯集模塊、分離計量模塊、清管發(fā)送模塊、清管接收模塊、進(jìn)出站閥組模塊、放散模塊及配套設(shè)施設(shè)備等建設(shè)內(nèi)容。

CN頁巖氣田脫水站建設(shè)主要包含進(jìn)站匯管區(qū)模塊、分離計量區(qū)模塊、脫水區(qū)模塊、集中增壓區(qū)模塊、出站匯管模塊、放散模塊和生產(chǎn)輔助區(qū)模塊等建設(shè)內(nèi)容。

2.2 頁巖氣田地面建設(shè)時間界面

根據(jù)CN頁巖氣田地面建設(shè)工程界面的劃分,進(jìn)一步分析各地面建設(shè)工程界面之間的時間界面剖分,以便工程師對地面建設(shè)項目進(jìn)度的把握及任務(wù)內(nèi)容的安排,保證地面工程項目順利實(shí)施。CN頁巖氣田地面建設(shè)時間界面主要包括井場建設(shè)周期、集氣站建設(shè)周期、脫水站建設(shè)周期。

2.2.1 井場建設(shè)周期

1)鉆井周期:水平井(四開水平井)平均單井鉆井周期為75 d。

2)壓裂周期:為達(dá)到“井工廠”模式的壓裂需求,壓裂準(zhǔn)備需要10～30 d;每口井壓裂時間為2～5 d,6口井壓裂施工需要12～30 d,平均35 d。

3)排液周期:即壓裂液返排周期,在投產(chǎn)前90 d,約在50 d后產(chǎn)氣量遞減到較低水平。

4)測試周期:直井未采取壓裂手段進(jìn)行測試,因此其測試時間較短,一般為1～17 d;大部分水平開發(fā)井的壓裂測試時間在10～20 d。

5)井場裝置安裝:主要為井場裝置(除砂橇、分離計量橇等模塊)安裝、管線焊接等,在測試結(jié)束前完成,平均為20 d。

2.2.2 集氣站建設(shè)周期

集氣站建設(shè)周期主要包括集輸管線建設(shè)和集氣站建設(shè),建設(shè)周期平均為180 d。目前CN頁巖氣田集氣站實(shí)施了智能化和模塊化建設(shè),并采用橇裝化設(shè)備安裝。

2.2.3 脫水站建設(shè)周期

目前CN頁巖氣田脫水站形成了脫水集成橇、增壓橇等標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計,所有橇塊實(shí)現(xiàn)了工廠化預(yù)制,加上中心站輔助區(qū)域建設(shè),平均180 d建設(shè)周期。

2.2.4 地面建設(shè)時間界面劃分

根據(jù)CN頁巖氣田地面建設(shè)工程界面及建設(shè)周期,進(jìn)行時間界面劃分,見圖2。CN頁巖氣田地面單井井場建設(shè)主要按鉆井、壓裂、排液、測試、井場設(shè)備配置流程進(jìn)行,中間存在交叉的準(zhǔn)備時間,如鉆、完井建設(shè)過程中,壓裂設(shè)備工作進(jìn)行準(zhǔn)備,而實(shí)際井場平臺建設(shè)過程中存在邊鉆井邊壓裂邊投產(chǎn)的交叉作業(yè)。此外,井場建設(shè)與集氣站、脫水站可以實(shí)施同時起步建設(shè)。

圖2 CN頁巖氣田地面建設(shè)時間界面劃分圖Fig.2 Interface division of shale gas field surface development time

2.3 頁巖氣田地面建設(shè)模式研究

目前,國內(nèi)頁巖氣田主要以衰竭式開采方式為主,導(dǎo)致地面工程建設(shè)存在建設(shè)成本高、建設(shè)周期長、系統(tǒng)適應(yīng)性差等問題[17]。為滿足頁巖氣田增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的要求,克服地面建設(shè)過程中的難點(diǎn)及矛盾,在CN頁巖氣田建設(shè)提出“滾動開發(fā)+井工廠+六化”的地面工程建設(shè)模式,從整體氣田滾動開發(fā)降低投資風(fēng)險和地面設(shè)備重復(fù)利用方案,到各平臺的“井工廠”建設(shè)、頁巖氣地面工程建設(shè)的“六化”標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,統(tǒng)一規(guī)劃鉆井、壓裂、地面設(shè)施布置,有效地解決了目前頁巖氣田地面建設(shè)中的諸多難點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了頁巖氣的安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采。

2.3.1 滾動開發(fā)模式

在常規(guī)天然氣田地面工程建設(shè)過程中,采用“整體探明、整體投資、整體開發(fā)”的開發(fā)模式較多,而在頁巖氣田地面建設(shè)過程中,由于頁巖氣產(chǎn)能遞減快的非常規(guī)特性導(dǎo)致頁巖氣田開發(fā)存在較大的投資風(fēng)險。根據(jù)北美頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn),CN頁巖氣田應(yīng)用滾動開發(fā)模式,主要分為勘探、評價、試驗(yàn)、投產(chǎn)4個階段,實(shí)施“成熟一塊開發(fā)一塊”模式,及時調(diào)整地面規(guī)模和站場布置來適應(yīng)氣田的產(chǎn)能變化,有效降低投資風(fēng)險。

分析CN頁巖氣田地面工程建設(shè)難點(diǎn)可知,部分設(shè)施建設(shè)完成后因頁巖氣井壓力、產(chǎn)氣、產(chǎn)液、出砂的衰減,設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)1～2 a后就處于功能過剩或停用狀態(tài),大大降低了設(shè)備的有效利用率,而新投產(chǎn)區(qū)頁巖氣井設(shè)計、采購設(shè)備又將花費(fèi)大量的時間和成本。因此,根據(jù)頁巖氣田滾動開發(fā)模式,地面系統(tǒng)持續(xù)擴(kuò)展的特點(diǎn),針對頁巖氣井全生命周期不同階段,實(shí)施設(shè)備的階段化適配,不同規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備分階段安裝拆卸,進(jìn)行區(qū)塊與區(qū)塊之間不同生產(chǎn)階段之間的設(shè)備重復(fù)利用，提高設(shè)備的利用效率,節(jié)約大量的時間和成本,實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)開采目的。

滾動開發(fā)模式下設(shè)備重復(fù)利用方案見圖3。以區(qū)塊A、B為例,區(qū)塊A首先進(jìn)行開采,對全生命周期中各生產(chǎn)階段所需設(shè)備進(jìn)行規(guī)?；少彂?yīng)用,區(qū)塊A成熟開發(fā)后從生產(chǎn)階段1至生產(chǎn)階段2時,進(jìn)行區(qū)塊B的開發(fā),將區(qū)塊A生產(chǎn)階段1所用的高等級大規(guī)模設(shè)備拆離運(yùn)輸至區(qū)塊B安裝應(yīng)用,考慮到不同區(qū)塊井?dāng)?shù)不同,需統(tǒng)計出區(qū)塊B重復(fù)利用后仍不足的設(shè)備進(jìn)行采購,適應(yīng)區(qū)塊B生產(chǎn)階段1時的高效開采。同理，區(qū)塊A生產(chǎn)階段2完成后進(jìn)入下階段后將設(shè)備拆離運(yùn)輸至區(qū)塊B生產(chǎn)階段2重復(fù)利用,以此遞推,完成區(qū)塊與區(qū)塊之間不同階段之間設(shè)備設(shè)施的重復(fù)利用,避免地面設(shè)備重復(fù)設(shè)計、采購等問題,大大縮減了地面工程的設(shè)計建設(shè)周期,提高了頁巖氣田地面工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 滾動開發(fā)模式下設(shè)備重復(fù)利用方案圖Fig.3 Device reuse scheme in rolling development mode

2.3.2 “井工廠”建設(shè)

CN頁巖氣田采用“井工廠”建設(shè),主要包括“井工廠”鉆井和“井工廠”壓裂,目前CN頁巖氣田采取平臺批量鉆井、交叉作業(yè)、模塊化建設(shè)等措施,大大縮短井場建設(shè)周期。

2.3.2.1 批量鉆井

實(shí)施分開次、分工藝的流水化鉆井作業(yè),集中使用工具材料和技術(shù)措施,提高作業(yè)效率。平臺多口井依次一開、二開、固井，再依次三開,固井。批量鉆井示意圖見圖4。

圖4 批量鉆井示意圖Fig.4 Schematic diagram of batch drilling

2.3.2.2 交叉作業(yè)

CN頁巖氣田井場建設(shè)交叉作業(yè)主要的作業(yè)形式:1)鉆井、固井、測井交叉作業(yè)形式,即固井后即可搬遷進(jìn)行下口井鉆井作業(yè),同時進(jìn)行上口井的固井候凝、電測及安裝井口等作業(yè)工序,縮短鉆井時間；2)鉆前+鉆井+壓裂交叉作業(yè)形式,同一井場鉆完第一排井后,實(shí)施壓裂,在第一排井排液過程中同時實(shí)施第二排井的鉆井作業(yè)；3)實(shí)現(xiàn)邊鉆井、邊壓裂排液、邊生產(chǎn)交叉作業(yè)形式,以提高鉆機(jī)利用率,縮短投產(chǎn)時間和投資回報期。

2.3.2.3 模塊化建設(shè)

CN頁巖氣田“井工廠”壓裂模式,具有建設(shè)規(guī)模大、周期長、交叉作業(yè)等特點(diǎn),需要采取模塊化建設(shè)措施,分區(qū)建設(shè)加砂、泵送、射孔、試氣、配液、主壓等模塊,實(shí)現(xiàn)“井工廠”壓裂建設(shè)的統(tǒng)一規(guī)劃,優(yōu)化井場布置。

2.3.3 “六化”標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計

根據(jù)頁巖氣田地面工程建設(shè)諸多難點(diǎn),采用“六化”標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，保證工程建設(shè)高質(zhì)量、高效率[18]?！傲睒?biāo)準(zhǔn)設(shè)計主要包括工藝流程通用化、分區(qū)模塊化、設(shè)備橇裝化、設(shè)備定型化、管理數(shù)字化、集成一體化。

2.3.3.1 工藝流程通用化

主要優(yōu)化簡化頁巖氣田地面工程井場、集氣站和中心站的工藝流程,使各區(qū)塊井場、集氣站和中心站工藝流程具有通用性,為后續(xù)橇裝化設(shè)備、數(shù)字化管理、一體化集成等提供建設(shè)基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)地面工程建設(shè)的統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)備管理。根據(jù)CN頁巖氣井生產(chǎn)特點(diǎn),將頁巖氣井生產(chǎn)周期劃分為4個:排液生產(chǎn)期、正常生產(chǎn)早期、正常生產(chǎn)中期、正常生產(chǎn)末期等階段,井場不同生產(chǎn)階段設(shè)計不同的流程,配置不同規(guī)模的設(shè)備資產(chǎn),使區(qū)塊中各井同一生產(chǎn)階段的工藝設(shè)備具有通用性、互換性,縮短設(shè)計周期,利于實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備快速配置和重復(fù)利用,降低地面建設(shè)總投資。集氣站工藝流程采用匯集、分離、計量通用流程,根據(jù)來氣壓力考慮是否需要增壓;脫水站采用三甘醇脫水工藝。

2.3.3.2 分區(qū)模塊化

根據(jù)CN頁巖氣田通用化工藝流程,進(jìn)行井場、集氣站、脫水站的功能分區(qū),各井場、集氣站、脫水站對應(yīng)的模塊具有通用性和互換性;實(shí)施模塊化建造,不同生產(chǎn)階段劃分不同功能的模塊,利用模塊橇塊可拆裝、易搬遷的優(yōu)勢,在合適的階段配置合適的設(shè)備資產(chǎn),可以節(jié)省模塊重復(fù)設(shè)計的周期和成本,統(tǒng)一規(guī)劃管理,合理安排各模塊布局,節(jié)省占地面積,這對中國頁巖氣田地面建設(shè)具有重大意義。

2.3.3.3 設(shè)備橇裝化

設(shè)備橇裝化的小型設(shè)計不僅可以節(jié)省地面設(shè)備占地面積,節(jié)約投資成本,而且運(yùn)輸方便，便于組合安裝,實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)制和規(guī)?；少?這為滾動開發(fā)模式下的設(shè)備重復(fù)利用提供了可行性依據(jù),規(guī)模過剩的高等級大規(guī)模設(shè)備橇拆離運(yùn)輸至新井或新區(qū)塊安裝,實(shí)現(xiàn)區(qū)塊與區(qū)塊之間的設(shè)備重復(fù)利用。CN頁巖氣田設(shè)備橇裝化的成功應(yīng)用,降低設(shè)備重新設(shè)計、采購時間和成本,同時解決了不同階段產(chǎn)能變化大導(dǎo)致地面設(shè)備適應(yīng)性差的難點(diǎn)。

2.3.3.4 設(shè)備定型化

CN頁巖氣田目前針對頁巖氣井全生命周期中的不同階段進(jìn)行了不同設(shè)備的定型設(shè)計應(yīng)用,以適應(yīng)頁巖氣非常規(guī)開采特征,如設(shè)定15×104m3/d平臺井規(guī)模進(jìn)行設(shè)備定型設(shè)計,結(jié)合生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù),進(jìn)行包括除砂橇、水套加熱爐橇、分離計量橇、過濾分離橇、出站閥組橇、輪換計量橇的系列規(guī)格設(shè)計;根據(jù)氣井產(chǎn)能和運(yùn)行參數(shù)的變化情況,進(jìn)行不同設(shè)備不同系列規(guī)格的靈活組合,同一系列規(guī)格的設(shè)備具有通用互換性,大大提高了設(shè)備的適應(yīng)性及重復(fù)利用性,解決了地面設(shè)備適應(yīng)性差和站場規(guī)模確定難度大等難點(diǎn)。

2.3.3.5 管理數(shù)字化

CN頁巖氣田借助“互聯(lián)網(wǎng)+頁巖氣”潮流形成了信息化條件下的生產(chǎn)組織新模式。形成了“電子巡井+定期巡檢+周期維護(hù)”的運(yùn)行新模式和“單井無人值守,調(diào)控中心集中控制、遠(yuǎn)程支持協(xié)作”的管理新模式。實(shí)現(xiàn)了前端“自動采集、智能監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作、無人值守”,中段“實(shí)時監(jiān)測、風(fēng)險預(yù)警、緊急關(guān)斷、人工恢復(fù)”,后端“數(shù)據(jù)共享、專業(yè)分析、綜合利用、輔助決策”,大幅度提高了管理水平[19]。平臺井組的監(jiān)控畫面見圖5。

圖5 CN-某集氣組監(jiān)控畫面Fig.5 Monitoring screen of CN-XX well group platform

CN頁巖氣田依托數(shù)字化氣田建設(shè),助推開發(fā)管理轉(zhuǎn)型升級。提高了運(yùn)行效率和安全管控水平,節(jié)約了人力資源和生產(chǎn)成本[20],開發(fā)管理及操作人員控制在50人以內(nèi),單位操作成本0.18元/m3,僅為相鄰常規(guī)氣藏的1/4?！皵?shù)字化儲層、數(shù)字化井筒、數(shù)字化地面”系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)工程一體化分析管理。集氣無人值守站見圖6，數(shù)字化地面見圖7。

圖6 CN-某集氣無人值守站圖片F(xiàn)ig.6 Unattended station on CN-XX platform

圖7 數(shù)字化地面(平臺)畫面Fig.7 Digital ground(platform)

2.3.3.6 集成一體化

包括原料氣分離過濾計量橇、一體化加熱分離計量橇、高壓排采一體化橇、一體化箱式變電站、一體化供水裝置、一體化值班房、一體化儀控橇。上述一體化集成裝置均具有占地面積小、縮短建設(shè)周期和安裝方便等特點(diǎn),滿足頁巖氣整體快建快投，實(shí)現(xiàn)了降本增效。

3 結(jié)論

1)CN頁巖氣田地面建設(shè)經(jīng)過多年探索與經(jīng)驗(yàn)總結(jié),仍然存在地面規(guī)模確定難度大、設(shè)備功能適應(yīng)性差、站場和管網(wǎng)布置難度大等難點(diǎn),有必要考慮要地面工程統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一組織管理、地下地面統(tǒng)一,解決地面建設(shè)難度及矛盾。

2)對CN頁巖氣田地面建設(shè)界面進(jìn)行研究,根據(jù)其開發(fā)方案及整體建設(shè)內(nèi)容及進(jìn)度可劃分為井場建設(shè)、集氣站建設(shè)、脫水站建設(shè)等建設(shè)工程界面,同時進(jìn)行了各個建設(shè)工程界面之間的時間界面劃分,以便工程師對地面建設(shè)項目進(jìn)度的把控及任務(wù)內(nèi)容的安排,保證地面工程項目順利實(shí)施。

3)提出適應(yīng)CN頁巖氣田地面建設(shè)要求的“滾動開發(fā)+井工廠+六化”建設(shè)模式,建立了高效化、數(shù)字化、靈活化的地面集輸系統(tǒng),解決地面建設(shè)難點(diǎn),應(yīng)用效果明顯。CN頁巖氣田現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐表明,以6口井平臺為例,地面單井建設(shè)投資由1 000萬元降至600萬元以內(nèi),平臺井組總體投資應(yīng)是傳統(tǒng)設(shè)計的60%～75%;地面設(shè)備設(shè)計周期減少50%以上,建設(shè)周期減少40%以上,重大裝備投資減少5%以上。