0 引言

工厂化作业是西方工业革命的产物，是由大型机械设备构成的生产作业线，并结合先进的技术和科学的管理方法，使各工序与工序之间流程化、标准化，从而摆脱传统分散作业模式效率低、不易管理的限制，达到提高效率和降低成本的目的^[1-4]。“井工厂”作业模式顾名思义就是将工厂车间的生产流水线作业方式移植过来，用于石油和天然气开采的一种先进作业模式。随着“井工厂”作业模式在美国页岩气开发中的成功应用，国内外油气田开发者对其重视程度也在不断加深。

从钻井的角度来看，“井工厂”钻井模式是指在一个平台上集中、有序地进行钻井、固井和测井等作业。该钻井模式采用流水线式的施工方式，依次对平台上所有井各开次进行批量化施工，从而达到缩短施工周期和降低开发成本的目的。同时也为后期批量化完井作业施工奠定基础，使地面工程及生产管理得到简化。

由于“井工厂”钻井模式采用轨道钻机集中完成各井同一井段钻井施工任务，通过多次处理相同的复杂情况，不仅提高了施工的熟练度，而且减少了材料的消耗和处理事故所耗费的时间。其优势主要体现在以下几个方面：①模块化建设，移动轨道减少人力、物力消耗；②钻井液重复利用，避免钻井液倒换和材料浪费；③交叉作业，实现钻井、固井和测井等施工有序衔接。

延川南煤层气区块地处黄土高原，受复杂地形、地貌条件限制，密集型开发井网部署困难大，且煤层气普遍单井产量低，效益回收周期长。通过开展“井工厂”钻井模式的研究与应用，从钻前井场规划、钻井设计和施工工序等方面进行优化研究，使钻井成本降至最低，也是国内首次将“井工厂”钻井模式应用于煤层气开发当中，为今后类似气田的高效开发拓展了新思路。

1 前期常规钻井采用的钻井工艺^[5-7] 1.1 钻井井型

延川南区块前期的开发井型主要为直井和定向井。由于受区块复杂地形和地貌条件的限制，平台建设难度大，通常采用丛式井组的方式进行部署，1个平台的井数一般为3~6口。

1.2 井身结构

普通直井及定向井采用二级井身结构，即φ311.1 mm井眼×φ244.5 mm表层套管＋φ215.9 mm井眼×φ139.7 mm生产套管。

1.3 钻井液体系

一开采用预水化膨润土钻井液：生产水+5%～6%钠膨润土+0.1%Na₂CO₃+0.1%CMC-LV；二开采用低固相聚合物钻井液：生产水+4%钠膨润土+0.15%PHPA+0.2%～0.6%CMC-LV。

1.4 钻机选型

区块煤层气井深多在1 500 m以内，主要采用的钻机为20/30型石油钻机，且钻机底座不带移动轨道装置。

延川南区块前期丛式井的钻井工序为：每口井从一开到完钻持续进行，待该井完井后，再整体拖移至下一口井进行钻完井施工。通过对前期延川南煤层气钻井时效统计分析，普通定向井的时间利用率为48.3%，机械钻速为7.37 m/h，平均钻井周期为14.88 d，这个钻井周期对于煤层气的低成本高效开发来说还有一定距离。

2 煤层气“井工厂”钻井设计 2.1 井场规划布置

合理的井场布置对于保证“井工厂”钻机方案的顺利、快速实施具有决定性作用。通过优化钻机主体、钻井液罐、沉砂池以及辅助设施的安放位置和方向，使钻井实施过程中设备移动最少，井场空间利用最大。

平台规划布置需要满足以下要求：①钻机大门方向宜朝向钻机移动方向，钻机大门前方不应摆放妨碍钻机移动的固定设施；②设备布置遵循移动尽可能少的原则，循环系统、独立机泵组、井场发电机组、供热系统、油水罐及各类井场用房等一次性就位，不再移动；③循环罐和储备罐宜采用平行布置，摆放在对着中间那口井的位置，避免架空槽过长；④完井井口高度应不影响钻机的整体移动。

2.2 钻机移动轨道优选

“井工厂”钻井模式下要求钻机能够在较短的时间内沿着设计井口位置快速、整体移动，而不需要拆装过多的设备即可进行正常能力钻井施工。具备该能力最快捷的方式就是为钻机底座安装滑动轨道及移动装置。目前，国内外较先进的丛式井石油钻机移动装置包括棘轮棘爪式移动装置、摩擦式移动装置、有轨滚动式移动装置及无轨滚动式全方位移动装置4种模式^[8-13]。结合煤层气钻机型号特点以及煤层气低成本开发要求，优选了结构相对简单、造价较低的棘轮棘爪式移动装置，可直接安装在普通20/30/40型石油钻机底部。图1为棘轮棘爪式移动装置。

该装置主要由液压动力源、操作箱、棘轮式棘爪总成、导轨总成和管路总成组成。利用液压动力系统使移动液压油缸活塞杆推动钻机整体移动；同时，使用车载钻机也能满足“井工厂”钻井模式快速移动的要求。目前延川南工区使用的车载钻机为GD-75型(见图2)。

2.3 平台井数优化

“井工厂”钻井模式下钻机配置了移动轨道，对井场大小的要求较小，当受地形、地貌限制无法通过扩充井场面积来增加井位时，可通过使用带轨道钻机施工来满足布井要求。同时，平台井数的确定还须综合考虑井深、井距和井斜等方面的要求。对于延川南煤层气区块而言，井网间距为300 m，定向井最大井斜要求控制在35°以内。在井深变化的情况下，平台井数分类如表1所示。

延川南煤层气目的层垂深在1 200 m左右，采用移动钻机可在场地受限的情况下保证单平台井数在6口以上，为煤层气“井工厂”钻井模式的实施提供了保证。

2.4 井身结构设计

煤层气直井和定向井采用二级井深结构^[14-15]。一开采用 311.1 mm钻头钻进，下入 244.5 mm表层套管，固井水泥返至地表；平台相邻井间表层套管的下深需交替错开至少10 m；二开采用 215.9 mm钻头钻至设计井深，下入 139.7 mm生产套管完井，固井水泥返至含气层以上200 m。

2.5 钻井顺序优化

在井场规划布置完成后，需要对钻井工序进行优化，以达到高效的运作模式。由于煤层气“井工厂”钻井模式通过采用移动轨道钻机来实现，而实际上各个井队所配置的轨道长度并不能满足钻机一次性整拖完所有井位，而需不断循环轨道以满足整拖要求，每一次循环轨道时都可能动用吊车或绞车，从而花费较大的人力和物力。通过优化平台钻井施工顺序，在保持时间利用(固井候凝时间)效果不变的条件下最大限度地减少循环轨道次数。

平台作用可大致分为以下几类：①有效轨道长度满足钻机拖至任意井口的要求，平台所有井可采用依次一开，再依次二开的钻井顺序；②有效轨道长度满足钻机最多向前拖1口井的要求，可采用2N组合；③有效轨道长度满足钻机最多向前拖2个井口的要求时，可采用3N+2n组合(其中，N=0、1、2、3…，n=0、1、2、3…)。图3为平台作业示意图。

2.6 钻井液重复利用

由于煤层气“井工厂”钻井技术采用的是流水线式的施工方式，当批量施工同一井段时，钻井液不需要转换，可以重复利用，同时减少对环境的污染。钻井液重复利用过程中，首先要对使用过的钻井液进行回收，然后对回收的钻井液进行有害物质(即废钻井液)分离和去除，最后进行性能调整以实现重复利用^[16]。对于延川南煤层气气田而言，定向井采用二级井身结构，废钻井液主要是来自一开(φ311.1 mm井眼)井段的预水化膨润土钻井液和二开(φ215.9 mm井眼)井段的聚合物低固相钻井液。

钻井液重复利用过程如下。

(1) 一开钻进。第1步：开钻前用生产水配制60 m³膨润土浆，充分水化24 h后开钻；第2步：第1口井一开完钻后，维护调整好钻井液性能，准备下一口井的一开钻进，如此循环；第3步：待平台所有井一开都完钻后，用清水稀释加入0.6%CMC-LV，用PHPA调整钻井液黏度后准备二开钻进。

(2) 二开钻进。①根据配方调整好二开钻进所需的钻井液性能后方可二开开钻；②钻进过程中充分利用固控设备，采用选择性固相控制技术清除有害固相，保持合理的钻井液密度；③待第1口井二开钻完后，维护调整好钻井液性能，准备下一口井的二开钻进，如此循环；④待平台所有井二开完井后，再将钻井液集中处理，禁止未处理直接外排，造成环境污染。

2.7 测井和录井设计

采用“井工厂”钻井模式时，由于同一平台各井井型、目的层、完钻原则和井身结构等基本相同，所以可对测井和录井项目进行优化，由地质部门选取平台某一口井作为“基准井”，对其录井、测井项目按照规范要求进行，其他井只确定层位及完钻深度，以达到降低开发成本的目的。

二开固放磁测井采用无钻机测井方式，这样不仅可以减少钻机来回移动的次数，也能够节约固井候凝时间。在无钻机的情况下采用吊车来保证固井质量和测井作业的顺利进行。

3 现场应用

中石化延川南煤层气田位于晋陕交界处，隶属于渭北隆起和晋西挠褶带交汇处，目的层主要为山西组2号煤层，埋深在800~1 400 m之间，采用350 m×300 m直井+定向井的矩形井网开发方式。2013—2014年延川南煤层气开发中，通过“井工厂”钻井模式的成功推广，使钻井建井周期大大缩短，非生产时间大幅度减少，圆满完成了年度钻井任务。

3.1 “井工厂”模式实现资源共享，提高效率

延川南煤层气产建期间共部署808口井，其中采用“井工厂”模式实施的平台数为50余个，占总井数的40%左右。对比常规和“井工厂”2种钻井模式下的时效，“井工厂”模式下平均钻井周期由14.88 d缩短至10.37 d，同比缩短31%；平均机械钻速由9.57 m/h增至14.51 m/h，同比增加51.62%。表2列举了4个平台井数在9口以上采用“井工厂”模式实施的钻井时效。

3.2 轨道钻机实现交叉作业，缩短非生产时间

“井工厂”钻井模式下为钻机配置了底部滑轨装置，实现钻机整体的快速移动和搬迁，通常只需4~8 h便可完成整个钻机的井间整体移动。而对于未配置移动轨道的钻机，若要实现井间整体移动通常需要1 d。表3为“井工厂”钻井和常规钻井模式下钻机井间搬迁时间对比。

“井工厂”钻井模式下平均井间搬迁时间为0.26 d，仅需1台吊车即可完成，避免拆装循环系统及甩钻具所耗费的人力和物力等，极大地缩短了非生产时间。移动轨道的应用为“井工厂”钻井模式在延川南煤层气田的应用奠定了基础

4 认识与建议

(1) “井工厂”作业模式适合于采用丛式定向井开发的延川南煤层气田，通过在钻井施工中采用批量化的工作模式，进行流水线式作业，使资源利用最大化，大大提高了生产效率。

(2) 煤层气“井工厂”钻井模式的高效实施在于设备的配套以及周密的整体优化设计，两者缺一不可。

(3) 我国的很多非常规油气田存在交通不便、水资源缺乏和井场选择受限等问题，利用“井工厂”模式开发将是今后发展的主要趋势，建议各石油公司加强技术攻关，做好技术储备工作。