工廠化模式及其對北美頁巖氣開發的影響

摘要

頁巖氣開發工廠化模式自2006 年以來，經過10 年的發展完善，目前在北美各大頁巖氣區帶得到廣泛推廣和應用，對實現頁巖氣經濟性開發起到不容忽視的作用。通過對美國Marcellus 和Haynesville 兩個頁巖氣區帶的開發實例剖析以及對工廠化模式中作業流程的進一步詮釋，展示了頁巖氣開發工廠化模式的內涵與積極作用。工廠化模式從形式上能夠實現高度集約化生產，最大化地減少非作業時間和占地面積，從效果上能夠縮短作業周期、降低成本，使經濟效益得以體現。在工廠化模式的實施中，貫穿著適合該模式的專用設備及相關技術的

頁巖氣作為一種潛力巨大的非常規天然氣資源，要實現經濟性開發有兩條途徑：①提高單井產量和最終可采儲量；②降低作業成本。由于單井產量與地質因素和工程因素關系密切，提高單井產量和最終可采儲量這條途徑相對較為困難，因此降低作業成本成為了實現頁巖氣高效開發的最有效途徑。美國是世界上引領頁巖氣開發并最早實現經濟性開發的國家，降低成本的理念始終貫穿于頁巖氣開發中，工廠化開發模式則是在這種理念下應運而生。該模式能夠實現高度集約化生產，降低建井成本、作業成本，最大化地減少非作業時間和占地面積，最大限度地利用施工設備和材料，從而達到降低頁巖氣開發成本的目的。

1 頁巖氣開發工廠化模式描述

所謂的頁巖氣開發工廠化模式，即將井場或平臺作為一個聯合作業的“工廠”，在一個平臺上布多口井（即多井平臺），將鉆井、固井、射孔、多級壓裂等施工視為流水線作業上的一道道工序，在同一井場完成多口井的鉆完井、壓裂和投產施工，它是在多井平臺上鉆完井、壓裂等系列作業的集成。

2 美國工廠化模式案例

美國頁巖氣開發多井平臺模式的廣泛應用始于2006 年[1]，經過10 年的發展完善，逐漸形成日益成熟的工廠化模式，目前在各大頁巖氣區帶得到廣泛推廣和應用（圖1），對美國頁巖氣開發帶來的積極影響不容忽視。下面列舉Marcellus 和Haynesville 兩個頁巖氣區帶進行說明。

Image title

2.1 Marcellus 頁巖氣區帶實例

Marcellus 頁巖氣區帶面積24.6×104 km2，是迄今北美已開發的最大頁巖氣區帶，技術可采資源量3.99×1012 m3（據美國EIA 2012 數據）。主要分布在美國賓夕法尼亞州、紐約州、西弗吉尼亞州和俄亥俄州，以高原和山地為主，森林面積較大（圖2），尤其在賓夕法尼亞州，林地覆蓋占全州面積一半以上。

Image title

Marcellus 的頁巖氣開采始于20 世紀80 年代末， 2005 年實現規模開發，至2015 年年初，頁巖氣日產量接近4 100×104 m3，開發以來的累積產量占到美國頁巖氣產量的36%、天然氣產量的18%，在美國的頁巖氣和天然氣生產中具有舉足輕重的地位。

Marcellus 的頁巖氣開采最初采用的是一場一井（即1個井場只鉆1 口井）的模式，雖然這種井場占地面積相對較小，但是由于頁巖氣單井產量遞減較快的特殊性，預示著要實現一個區塊的經濟性開發，必須通過滾動開發、鉆大量的井來彌補產量的下降，因此采用這種模式累積下來的占地面積將會非常巨大。鑒于Marcellus 頁巖氣區帶所處自然環境的特點，使其頁巖氣開發在環境影響（如占地、用水）方面受到的約束更多。在環境和成本壓力下，2007 年多井平臺（同一平臺布多口井）鉆井模式引入Marcellus 的頁巖氣開發中，并迅速推廣。在賓夕法尼亞州，至2011 年多井平臺的鉆井比例達到83%，而單井的鉆井比例下降至17%。

為了進一步提高鉆井效率，2012 年Rice 能源公司在Marcellus 應用了貝克休斯公司的AutoTrak Curve 系統，該系統是集地質導向于一體的高造斜率旋轉導向鉆井系統，采用該系統后鉆造斜段和水平段，均實現了一趟鉆。平均鉆井用時銳減51.9%，而平均日進尺提高178%。加上直井段鉆井用時，平均鉆井周期銳減40% 以上。并應用適合高造斜率旋轉導向鉆井和頁巖地層的個性化PDC 鉆頭，不僅具備很好的可導向性和耐磨性，而且具有足夠長的使用壽命，滿足了“造斜段+ 水平段”一趟鉆需要，縮短了鉆井周期，降低了因鉆井周期過長而造成的風險。

工廠化模式伴隨技術的不斷創新，對經濟效益帶來了積極的影響。2012 年之后，雖然鉆機數量在減少，但是每部鉆機新井的產量卻在逐步攀升（圖3）。

Image title

2.2 Haynesville 頁巖氣區帶實例

Haynesville 頁巖氣區帶橫跨美國中南部的路易斯安那州西北部和德克薩斯州東部，面積2.3×104 km2，以平原為主，森林覆蓋率約為50%，技術可采資源量1.87×1012 m3（據美國EIA 2012）。

Haynesville 頁巖氣區帶開發始于2004 年，雖然起步相較其他頁巖氣區帶較晚，但因其優質的頁巖品質（含游離氣比例達到80%，地層壓力系數達到2.0），單井產量高，2012 年該區帶頁巖氣日產量已在各頁巖氣區帶中躍居第一，成為后起之秀。

隨著工廠化模式在美國頁巖氣開發中的推廣，在Haynesville 頁巖氣區帶進行頁巖氣開發的各家公司也紛紛應用這一模式，并且非常注重工廠化專用設備的研發和應用，收效顯著。例如采用新型 Schramm T250XD 表層鉆機，增加了頂部驅動，大鉤載荷達到110 t，配套實時文檔編制系統和全自動管柱裝卸系統，自動化程度更高，縮短了表層鉆井作業時間，從而降低鉆井成本。

采用工廠化模式后，鉆井周期持續縮短。據QEP 公司數據，單井鉆井時間由2009 年的66 d下降至2011 年的32 d，并在當年創下了20 d 的最短紀錄。單井14 級壓裂施工周期由2008 年的7 d 降至2011 年的3.25 d。

工廠化模式帶來了頁巖氣開發作業效率的提高（圖4），同時也帶來了成本的顯著變化，通過綜合Chesapeake、Petrohawk、Encana等11家公司2008— 2012年在Haynesville的平均單井鉆完井成本，其總體呈逐年下降趨勢，由2008 年的1090 萬美元下降到2012 年的880 萬美元。

Image title

3 工廠化模式下的作業流程

3.1 鉆井流程

工廠化模式下的鉆井流程可以說是一個批量作業流程，簡單地說，即同一平臺井依次第一次開鉆，依次固井，依次第二次開鉆，再依次固完井。鉆井、固井、測井設備連續作業。

一個平臺上單鉆機作業時主要包含4 項作業，即導管與表層作業、第二次開鉆鉆進與技術套管固井作業、第三次開鉆鉆進與生產套管固井作業和完井及試氣準備作業[9]。當一個平臺有多部鉆機的情況下，每部鉆機作業流程同單鉆機作業。

3.2 壓裂流程

工廠化壓裂方式就是在一個多井平臺上，幾口井同時或交錯進行連續不斷的泵注壓裂液和支撐劑作業，直至完成平臺上全部井的壓裂施工。工廠化壓裂可以大幅提高壓裂設備的利用率，減少設備動遷和安裝，減少壓裂罐拉運，降低工人勞動強度。該模式主要由連續泵注、連續供砂、連續配液、連續供水、工具下入和后勤保障系統組成。目前工廠化壓裂包括同步壓裂和拉鏈式壓裂兩種方式，其中工廠化拉鏈式壓裂應用較為廣泛，其施工流程為：壓裂泵車一次連接所需壓裂井（井數視設備及作業能力而定），每口井壓裂段之間采用橋塞封隔，分段進行射孔壓裂。壓完第一口井的第一級立刻切換到另一口井的第一級，直至所有水平井全部作業完成。

3.3 同步作業

隨著工廠化模式的出現，作業公司又在傳統作業方式上不斷改進，使各工序之間銜接得更加順暢，盡最大可能縮短非作業時間，同步作業由此形成。同步施工作業是指在同一平臺內一口井完鉆之后鉆機移動至另一個井位進行鉆井施工，而完鉆井開始完井作業。連續施工作業模式中在同一平臺同一時間內同時進行鉆井、完井、壓裂返排和生產措施。例如，當4 號井進行鉆井施工時、3 號井進行完井作業、2 號進行壓裂返排、1 號井以穩定工作制度進行生產。如圖5 所示，整個施工作業周期顯著下降、縮減了運營成本并縮減了開鉆至投產的時間間隔。

Image title