涪陵页岩气田位于川东南山地-丘陵地区，地表为典型的喀斯特地貌，钻前施工、井场建设和钻井材料运输等都面临极大挑战，钻井工程建设周期长、成本高。根据北美地区页岩气开发经验和国内相关学者的研究结果，“井工厂”钻井技术具有减少征地面积、提高钻机使用效率、降低作业成本和提高材料综合利用等诸多优势^{[1, 2, 3, 4, 5, 6]}，已在国内非常规油气藏开发中取得了较好的应用效果^{[7, 8, 9, 10]}。因此，为提高涪陵页岩气田钻井效率，降低钻井工程费用，围绕涪陵地区山地的地表特点及页岩气开发钻井工程技术要求，对山地“井工厂”钻井平台布井方案优化、“井工厂”水平井轨道优化设计、“井工厂”钻机设备的改造与配套以及“井工厂”钻井作业流程设计进行研究，形成了适用于涪陵山地特点的“井工厂”高效钻井技术，并在JY30和JY28平台进行了应用，取得了较好的效果。

涪陵地区页岩气田一期产建区动用面积229.4 km²，动用储量1 697.9×10⁸ m³。根据成像测井成果，该地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组下部最大水平主应力方向近东西向，水平段设计方位与最大水平主应力方向垂直，为南北向。气藏工程研究表明，合理的水平段长度为1 500 m，水平井间距为600 m，水平段端点间距为100 m。根据气藏工程研究成果，涪陵页岩气田一期产建区部署253口水平井，水平段平均埋深2 700 m，单井平均井深4 600 m，开发井网如图1所示。

图1 3.6 km×6.3 km开发井网 Fig.1 Development well Pattern of 3.6 km×6.3 km

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“井工厂”井场布置需要考虑工程和环境的影响，在满足工程施工的同时，占地面积应尽量小。需要考虑的具体因素有：1)满足产建开发方案和页岩气集输建设要求；2)充分利用自然环境和地形条件，尽量降低钻前工程难度；3)考虑钻井能力和井眼轨迹控制能力；4)最大程度地动用页岩气储量资源；5)考虑地形地貌、生态环境以及水文地质条件，满足安全环保规定^[11]。

为满足开发井网的要求，根据目前水平井钻井工艺技术水平、并结合山地条件下的钻井平台建造特点，提出了常规“米”字形布井与平台交叉布井2种模式，形成了3套平台布井方案(见图2)。方案1，“米”字形井网布井，垂直靶前距离400 m；方案2，相邻平台交叉布井，垂直靶前距离400 m；方案3，2套“米”字形井网叠合，形成交错井网布井，垂直靶前距离850 m。

图2 布井方案设计结果 Fig.2 Design of well deployment scheme

图选项

方案1为1平台6口井，南北方向各3口井，工程难度适中，平均单井占用井场面积小，但靶前距的存在造成较大一部分面积的储量没有动用。

方案2为1平台3口井，与相邻平台向南(或向北)方向3口井交叉，工程难度适中，靶前距不会造成储量损失，能够充分动用资源，但平台利用率低，平均单井占用井场面积较大。

方案3为1平台6口井，南北方向各3口井，相邻平台交叉钻探，靶前距较大，工程难度较大，平均单井占用井场面积小，靶前距不会造成储量损失，能够充分动用资源。

经综合分析对比，最终采用方案3，该方案既能充分动用资源，又能充分利用平台。考虑涪陵地区的地层特征及表层套管下深要求，对于气藏埋深2 500 m以浅的平台可以考虑部署4口井。

2013年,涪陵地区平均完井周期为94 d，钻井平台修建工期至少需要30 d。这样，一个4井平台在常规丛式水平井条件下很难达到当年建平台、当年建产能的目标。采用“井工厂”钻井模式，如果平均单井钻机占用平台时间能控制在70 d之内，则一个4井平台就可以达到当年建平台、当年建产能的目标。立足于当年建平台、当年建产能的目标，“井工厂”平台布局为：6井平台采用双钻机双排布局，井场规格与井口布局如图3(a)所示，井间距为10 m，排距为50 m；4井平台采用单钻机，井场规格与井口布局如图3(b)所示，井间距为10 m。

图3 “井工厂”平台布局 Fig.3 Layout of a“well factory” pad

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地面构筑物包括清水池2个，每个容积1 000 m³；放喷池2个，每个容积300 m³；清水池、放喷池整个平台共用；井均污水池(含岩屑池)容积为1 000 m³。

涪陵页岩气“井工厂”平台井眼轨道具有以下特点^[12]：1)偏移距大。为保证单井控制储量，各井水平段间距600 m，各水平段处于平行状态，6井平台的平均偏移距为600 m，4井平台的平均偏移距为300 m。2)靶前位移大。为实现地下井网全覆盖，不浪费储量资源，采用交错式井网开发页岩气，单井靶前位移要850 m以上。3)水平段长。水平段平均长度设计为1 500 m。为此，从井眼剖面选择、轨道参数等方面进行了优化设计^{[13, 14]}。

井眼剖面设计。选择双弧剖面，在两增斜段之间增加稳斜调整段，即采用“直—增—稳—增—水平段”剖面。这样设计的原因：一方面，是为了适应在实钻中目的层深度发生变化时，改变调整方案而不致于使井眼轨迹控制处于被动地位；另一方面，可通过调整段来补偿工具造斜率误差所造成的轨道偏差，使轨迹在最终着陆时进靶更准确、更顺利。

轨道参数设计。造斜点选在二叠系茅口组或栖霞组地层；定向造斜井段的造斜率设计为(15°～18°)/100m，水平段调整轨迹时设计造斜率为10°/100 m；二维水平井稳斜角控制在40°以内，三维水平井稳斜角控制在35°以内。

由于涪陵地区页岩气开发相邻平台采用交叉布井模式，防碰设计时既要考虑同平台上部井眼防碰，还有考虑相邻平台交叉井大斜度井眼的防碰。

同平台井防碰措施:1)地面井口距离选择井间距10 m，4井平台排间距12 m、6井平台(双钻机)排间距50 m；2)有条件的情况下，井场方向尽可能选择东西向；3)优选造斜点深度，以确保井间距离安全。

相邻平台防碰措施：相邻平台由于交叉钻探，为避免水平段着陆前相碰，设计时在开发井网的基础上，相邻2组井的水平段分别向西、向东统一偏移25 m，这样在着陆前相对应的水平段就有50 m的理论间距，可以有效避免相邻水平段在着陆前相碰。

为满足“井工厂”钻井作业对钻机快速移动的要求，对钻机运移方式进行了调研分析，并进行了对比(见表1)，优选了适用于涪陵山地条件的钻机快速运移方式。

从表1可以看出，滑轨式钻机运移装置结构简单，操作和维护方便，配套周期短，只需增加滑轨和液压运移装置，且液压运移装置可以多平台共用，在涪陵地区适用性较好。在此基础上，对该地区“井工厂”钻井设备移运方案进行了优化：1)钻机、井架和钻井平台(包括钻具)整体移动，循环系统、钻井泵、发电房不移动；2)防喷器组作为一个整体随钻机移动并安装；3)采用标准节流管汇及支架，解决钻井液高压管汇和防喷管汇的问题；4)采用转接泵，解决钻井液长距离输送的问题；5)采用电缆转接房，满足井间移运时电缆的收放；6)采用气动绞车吊移坡道与主梯。

根据井眼直径相同(开次相同)和钻井液体系相同或相近的基本原则，结合涪陵地区山地地表环境、地质特征以及页岩气开发需求，优化形成了该地区“井工厂”钻井作业流程(以4井式平台为例)。

1) 第1个作业流程：导管与表层作业。

第1口井：a.立井架，调试钻机设备；b.开孔钻进；c.下导管,固井,装防喷器,试压,准备一开钻进；d.一开钻进；e.下表层套管，固井；f.移井架(钻机)至下口井。第2口、第3口井：重复第1口井的步骤b—f，利用离线作业时间安装上口井的一级套管头。第4口井：完成步骤b—f后安装一级套管头，转入第2个作业流程。

2) 第2个作业流程：φ311.1 mm井眼钻进与技术套管固井作业。

第4口井：a.组装二开井口防喷器组,连接井控管汇；b.连接井控装置，试压；c.下钻探塞,钻塞；d.二开直井段钻进；e.定向造斜钻进；f.通井,电测；g.下入技术套管,固井；h.移钻机至下口井。在二开直井段钻进期间，利用离线作业时间配制KCl水基钻井液。第2口、第3口井重复步骤b—h，利用离线作业时间安装上口井的二级套管头。第1口井完成步骤b—g后安装二级套管头，转入第3个作业流程。

3) 第3个作业流程：φ215.9 mm井眼钻进与生产套管固井作业。

第1口井：a.配制油基钻井液；b.连接井控装置,试压；c.下钻探塞，钻塞；d.三开定向造斜钻进；e.水平段钻进；f.通井、电测；g.下生产套管、固井；h.移钻机至下口井。第2口、第3口井重复步骤b—h，利用离线作业时间，安装上一口井的油管头。第4口井完成步骤b—g后安装油管头，转入第4个作业流程。

4) 第4个作业流程：完井作业与试气准备。

第4口井：a.安装井控装置,试压；b.接小钻具；c.下钻探塞,扫塞；d.刮壁；e.通径,替射孔液；f.测固井质量,套管试压；g.移钻机至下口井。第2口、第3口井重复步骤a—g，利用离线作业时间安装上口井的盖板法兰。第1口井完成步骤a—g后，安装盖板法兰,甩钻具，放井架准备搬迁。

2014年，涪陵地区12个钻井平台应用了“井工厂”钻井技术，其中有2个平台(JY30、JY28)完成了全部钻井工作。JY30和JY28“井工厂”钻井技术指标及其邻平台JY21情况见表2。

由表2与涪陵地区其他钻井情况可知，应用山地“井工厂”钻井技术之后取得了较好的效果：

1) 实现了钻井提速，提高了钻机作业效率，加快了页岩气建产进程。与同期的常规丛式井4井平台相比，“井工厂”钻井平台平均机械钻速提高了1.36 m/h(约提高16％)，单井钻完井周期缩短了16.5 d(约缩短23％)，单井建井周期缩短了24 d(约缩短28％)；与2014年涪陵地区平均钻井指标相比，机械钻速提高了2.01 m/h(约提高25％)，单井钻完井周期缩短了19.5 d(约缩短26％)，单井建井周期缩短了24 d(约缩短28％)。首个“井工厂”钻井平台JY30，于2014年1月7日钻前施工，2月20日第1口井开钻，9月1日平台4口井全部完钻，10月1日完成全部钻井工作(含试气井筒前期准备)，10月16日开始试气工作，2014年12月30日投产，实现了当年建平台、当年建产能的目标。JY28平台于2014年2月16日钻前施工，4月10日第1口井开钻，12月16日交平台，2015年2月12日完成全部试气工作，达到投产条件，也实现了当年建平台、当年建产能的目标。

2) 降低了钻井成本，减少了废液的排放量。与同期的常规丛式井4井平台相比，“井工厂”钻井平台平均单井节约16.5 d的钻机录井作业费用；KCl水基钻井液用量由500 m³/井降至250 m³/井，节约50%；油基钻井液用量由300 m³/井降至215 m³/井，节约28%；因钻井液体系转换导致的废液排放也减少了1 200 m³。

1) 研究形成的涪陵地区页岩气山地“井工厂”钻井技术在JY30和JY28平台进行了应用，结果表明，该技术能提高钻机作业效率、缩短建井同期，实现钻井提速、增效和减排的目标。

2) 综合考虑涪陵地区山地地表环境、页岩气开发井距要求以及“当年建平台、当年建产能”的生产运行安排等因素，该地区“井工厂”钻井宜采用4井式单钻机和6井式双钻机平台模式。

3) 目前涪陵地区使用的钻机均为大型钻机，结构庞大，机动性差，占地面积大。建议钻机制造厂商加快开发结构型式新颖、模块尺寸小、井场占用面积小和自动化程度较高的新型钻机，以满足页岩气“井工厂”开发作业的要求。