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

1  頁巖氣開發(fā)工廠化模式描述

所謂的頁巖氣開發(fā)工廠化模式，即將井場或平臺作為一個聯(lián)合作業(yè)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(yè)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(chǎn)施工，它是在多井平臺上鉆完井、壓裂等系列作業(yè)的集成。

2  美國工廠化模式案例

美國頁巖氣開發(fā)多井平臺模式的廣泛應(yīng)用始于2006 年[1]，經(jīng)過10 年的發(fā)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(qū)帶得到廣泛推廣和應(yīng)用（圖1），對美國頁巖氣開發(fā)帶來的積極影響不容忽視。下面列舉Marcellus 和Haynesville 兩個頁巖氣區(qū)帶進行說明。

2.1  Marcellus 頁巖氣區(qū)帶實例

Marcellus 頁巖氣區(qū)帶面積24.6×104 km2，是迄今北美已開發(fā)的最大頁巖氣區(qū)帶，技術(shù)可采資源量3.99×1012 m3（據(jù)美國EIA 2012 數(shù)據(jù)）。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。

Marcellus 的頁巖氣開采始于20 世紀80 年代末， 2005 年實現(xiàn)規(guī)模開發(fā)，至2015 年年初，頁巖氣日產(chǎn)量接近4 100×104 m3，開發(fā)以來的累積產(chǎn)量占到美國頁巖氣產(chǎn)量的36%、天然氣產(chǎn)量的18%，在美國的頁巖氣和天然氣生產(chǎn)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(chǎn)量遞減較快的特殊性，預(yù)示著要實現(xiàn)一個區(qū)塊的經(jīng)濟性開發(fā)， 必須通過滾動開發(fā)、鉆大量的井來彌補產(chǎn)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(qū)帶所處自然環(huán)境的特點，使其頁巖氣開發(fā)在環(huán)境影響（如占地、用水）方面受到的約束更多。在環(huán)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(fā)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(yīng)用了貝克休斯公司的AutoTrak­ Curve 系統(tǒng)，該系統(tǒng)是集地質(zhì)導(dǎo)向于一體的高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)后鉆造斜段和水平段，均實現(xiàn)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(yīng)用適合高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井和頁巖地層的個性化PDC 鉆頭，不僅具備很好的可導(dǎo)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(fēng)險。

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

2.2  Haynesville 頁巖氣區(qū)帶實例

Haynesville 頁巖氣區(qū)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(shù)可采資源量1.87×1012 m3（據(jù)美國EIA 2012）。

Haynesville 頁巖氣區(qū)帶開發(fā)始于2004 年，雖然起步相較其他頁巖氣區(qū)帶較晚，但因其優(yōu)質(zhì)的頁巖品質(zhì)（含游離氣比例達到80%，地層壓力系數(shù)達到2.0）， 單井產(chǎn)量高，2012 年該區(qū)帶頁巖氣日產(chǎn)量已在各頁巖氣區(qū)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(fā)中的推廣， 在Haynesville 頁巖氣區(qū)帶進行頁巖氣開發(fā)的各家公司也紛紛應(yīng)用這一模式，并且非常注重工廠化專用設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用，收效顯著。例如采用新型 Schramm T250XD 表層鉆機，增加了頂部驅(qū)動，大鉤載荷達到110 t，配套實時文檔編制系統(tǒng)和全自動管柱裝卸系統(tǒng)，自動化程度更高，縮短了表層鉆井作業(yè)時間，從而降低鉆井成本。

采用工廠化模式后，鉆井周期持續(xù)縮短。據(jù)QEP 公司數(shù)據(jù)，單井鉆井時間由2009 年的66 d下降至2011 年的32 d，并在當(dāng)年創(chuàng)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(fā)作業(yè)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。

3  工廠化模式下的作業(yè)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(yè)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(shè)備連續(xù)作業(yè)。

一個平臺上單鉆機作業(yè)時主要包含4 項作業(yè)， 即導(dǎo)管與表層作業(yè)、第二次開鉆鉆進與技術(shù)套管固井作業(yè)、第三次開鉆鉆進與生產(chǎn)套管固井作業(yè)和完井及試氣準(zhǔn)備作業(yè)[9]。當(dāng)一個平臺有多部鉆機的情況下，每部鉆機作業(yè)流程同單鉆機作業(yè)。

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(xù)不斷的泵注壓裂液和支撐劑作業(yè)，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(shè)備的利用率，減少設(shè)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(xù)泵注、連續(xù)供砂、連續(xù)配液、連續(xù)供水、工具下入和后勤保障系統(tǒng)組成。目前工廠化壓裂包括同步壓裂和拉鏈?zhǔn)綁毫褍煞N方式，其中工廠化拉鏈?zhǔn)綁毫褢?yīng)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?dāng)?shù)視設(shè)備及作業(yè)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(yè)完成。

3.3  同步作業(yè)

隨著工廠化模式的出現(xiàn)，作業(yè)公司又在傳統(tǒng)作業(yè)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(yè)時間，同步作業(yè)由此形成。同步施工作業(yè)是指在同一平臺內(nèi)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(yè)。連續(xù)施工作業(yè)模式中在同一平臺同一時間內(nèi)同時進行鉆井、完井、壓裂返排和生產(chǎn)措施。例如，當(dāng)4 號井進行鉆井施工時、3 號井進行完井作業(yè)、2 號進行壓裂返排、1 號井以穩(wěn)定工作制度進行生產(chǎn)。如圖5 所示，整個施工作業(yè)周期顯著下降、縮減了運營成本并縮減了開鉆至投產(chǎn)的時間間隔。

成功實施同步作業(yè)的公司同時在成本和周期方面均下降30% ～ 40%，并且只有當(dāng)一個平臺鉆井?dāng)?shù)達到一定數(shù)量后，規(guī)模效益得以體現(xiàn)。當(dāng)一個平臺井?dāng)?shù)由1 口增加至5 口時，單井成本下降25%以上（表1），單井供應(yīng)成本下降18% 以上（圖6）。

4  結(jié)論

1）頁巖氣開發(fā)工廠化模式是實現(xiàn)頁巖氣低成本商業(yè)化開采的有效途徑和必經(jīng)之路，通過工廠化模式實現(xiàn)高度集約化的高效生產(chǎn)，最大程度地利用人力、物力和財力。

2）真正的頁巖氣開發(fā)工廠化模式，要做到“神形兼?zhèn)?rdquo;，“形”是指多井平臺的布井、鉆完井及壓裂形式，“神”是指在特定的形式下必須具備的滿足工廠化作業(yè)的更為有效的專業(yè)化裝備和科學(xué)合理的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程。

3）管理是工廠化模式中的重要一環(huán)，要從細節(jié)問題抓起，比如一個平臺各項施工作業(yè)之間的協(xié)調(diào)組織和銜接，重要設(shè)備及零部件的維修及保障供應(yīng)等， 只有管理到位才能最大限度地縮短現(xiàn)場的非作業(yè)時間。

4）多井平臺上只有達到一定鉆井?dāng)?shù)量時，才能大幅度降低成本，體現(xiàn)出規(guī)模效益。（來源：《天然氣工業(yè)》，2017年8月）

作者：王莉1,2 王高成3 于榮澤1,2 郭為1,2 張曉偉1,2 雷丹鳳1,2 邵昭媛1,2

1、中國石油勘探開發(fā)研究院；2、國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心；3、中國石油浙江油田公司