近两年，“井工厂”技术在中国石化涪陵页岩气田推广应用100余口井，全面支撑了该页岩气田一期50×10⁸ m³产能建设，并成为涪陵国家级页岩气示范区的特色示范技术之一^[1-2]。该技术显著缩短了钻井与压裂施工周期，节约了工程费用，减少了井场建设征地面积，取得了显著的经济效益和社会效益^[3-4]。目前，国内外对“井工厂”技术研究的重点主要集中于“井工厂”优化设计、钻井与压裂装备配套以及流水线作业流程优化等方面^[5-6]，而对于“井工厂”技术经济性的研究刚刚起步：V.Ogoke等人^[7-8]从经济学的角度研究了“井工厂”平台数量与工程总成本以及油田净现值的关系，司光等人^[9]从工程造价的角度给出了“井工厂”作业模式下的钻井、压裂计价方法。但国内外尚未建立“井工厂”布井数量和施工模式对其经济性影响的定量评价方法，导致“井工厂”平台在布井数量和施工模式选择时缺乏理论指导，存在一定的盲目性。为此，笔者在分析“井工厂”作业对钻前、钻井以及压裂工程成本影响的基础上，建立了“井工厂”技术经济性评价模型，探索出一种以最大程度降低工程总成本为目标的“井工厂”平台布井数量优化方法，并用涪陵页岩气田实钻数据进行了算例分析，验证了方法的合理性，以期为“井工厂”合理确定布井数量和优选施工模式提供依据和参考。

1 “井工厂”技术经济性分析 1.1 “井工厂”技术对钻前费用的影响

“井工厂”平台采用集中布井，每个平台一般部署2~32口井，从而大大减少了平均单井的占地面积，并且每个平台只需要修建一条进厂公路，平均单井的钻前修路费用也随之降低。根据中国石化钻前工程定额，丛式井井场每增加一口井其钻前费用按增加10%测算。因此，“井工厂”钻井平台的单井平均钻前费用计算公式可表示为：

(1)

式中：Q_ZQ为“井工厂”单井平均钻前费用，万元；q_ZQ为单井井场钻前费用，万元；N为“井工厂”平台布井数。

1.2 “井工厂”技术对钻井成本的影响

“井工厂”技术通过整体移动钻机和工序的并行作业大幅缩短建井周期，减少钻机日费，但由于采用了集中布井方式，“井工厂”技术将引起套管和定向费用的增加，同时由于增加了快速移动导轨和快速连接管汇等设备，也将增加额外的钻井配套设备费用。

1.2.1 对钻机日费的影响

“井工厂”技术的精髓是采用标准化的施工，通过工序的优化实现工序并行作业，从而达到缩短建井周期的目标。目前国内外根据“井工厂”施工工序的差异将其分为3种模式：整拖式“井工厂”作业模式、批量化单钻机“井工厂”作业模式和流水线双钻机“井工厂”作业模式。这3种“井工厂”作业模式的特点及建井周期缩短情况为：

1) 整拖式“井工厂”作业模式。该模式为钻机钻完一口井全部开次后，整体拖运至下一口井进行钻井作业，从而节省搬迁和安装时间的一种“井工厂”作业模式。

2) 批量化单钻机“井工厂”作业模式。采用一部钻机按照依次一开、依次二开、依次三开、依次完井的顺序完成全部井的钻井、固井和完井作业的作业模式。在该模式下，固井后不候凝，钻机直接移动到下一口井，钻井、固井、测井设备无停待，钻机移动不需要进行甩钻具和组合钻具作业，从而缩短了中完时间。

3) 流水线双钻机“井工厂”作业模式。首先应用小钻机钻进一开井段，在完成一定井数一开井段后，应用大钻机开始进行第一口井二开、三开等后续钻井作业，即采用大小钻机配合的流水线作业，小钻机钻进浅部地层，大钻机钻进深部地层，缩短了大钻机的作业时间，从而减少了钻机日费。

以涪陵页岩气田水平井为例，根据工区搬迁、各开次钻进、中完测井、下套管、固井、候凝等作业的平均时间^[10]，计算得到了上述3种“井工厂”作业模式下建井周期缩短的情况，如图 1所示。

由图 1可知，与单井钻井相比，整拖式“井工厂”作业模式下，平均单井建井周期缩短5~8 d；批量化单钻机“井工厂”作业模式与流水线双钻机“井工厂”作业模式下，平均单井建井周期缩短23~28 d。

1.2.2 对套管费用的影响

在开发页岩气时，为保证单井控制储量，各井水平段之间要有一定间距(国外井间距一般为300~500 m，涪陵页岩气田井间距为600 m)，且为满足大型压裂要求，水平段钻井方位要垂直或近似垂直于最大水平主应力方向^[10]，而“井工厂”又要求地面井口集中布置，因此页岩气“井工厂”需要采用大偏移距三维井眼轨道设计，如图 2所示。

从图 2可以看出，随着平台布井数量增加，横向偏移距变大，单井的套管用量和费用也随之增加。

1.2.3 对定向费用的影响

随着“井工厂”平台布井数量的增加，横向偏移距变大(见图 2)，定向井段长度和费用也随之增加，且平台布井数量越多，平均单井增加的定向井段长度和费用越多。

1.2.4 对钻井液费用的影响

在“井工厂”作业模式下，同一开次的钻井液体系相同，全部循环利用，从而减少钻井液倒换造成的浪费，进而降低钻井液成本。以涪陵地区三开油基钻井液用量为例^[11]，采用“井工厂”作业模式后，平均单井油基钻井液费用随着平台布井数量的变化曲线如图 3所示。

从图 3可以看出：在平台布井少于6口时，随着平台布井数量的增加，平均单井钻井液费用显著降低；平台布井超过8口之后，平均单井油基钻井液费用趋于稳定，大约80万元/井。

1.2.5 对钻机移动装置及配套设备费用的影响

“井工厂”作业模式建立在钻机快速移动的基础之上，目前钻机要实现其快速移动需要配置滑轨、电缆转接房，并且需要添置放喷管线、延长高架槽等设备，从而增加了一定费用。上述费用为一次性投入费用，随着“井工厂”平台布井数量的增加，分摊到每口井上的费用会逐渐减少。

1.3 “井工厂”技术对压裂成本的影响

“井工厂”压裂技术主要是通过优化压裂生产组织模式，在一个固定场所，连续不断地向地层泵注压裂液和支撑剂，以加快施工速度、缩短投产周期、降低开采成本。一方面，大幅提高压裂设备的利用率，缩短设备动迁和管线安拆时间，减少压裂罐运输、清洗，降低工人劳动强度；另一方面，方便回收和集中处理压裂残液，减少污水排放，重复利用水资源。

1.3.1 对压裂车组费用的影响

国内页岩气水平井单井分级压裂施工一般需要3~5 d，其中辅助作业时间占60%左右，平均每天可压裂2~3段。“井工厂”压裂技术为页岩气有效开发提供了高效运行模式，采用交叉或同步压裂方式不仅节省了机械设备搬迁时间，同时大幅缩短了设备摆放、连接管线、压裂液罐清洗等辅助作业时间，施工效率可提高1倍以上^[2]。

1.3.2 对取水和废水处理费用的影响

页岩气水平井压裂用的压裂液主要是滑溜水，用水量极大。据美国国家环境保护局统计，2010年单口页岩气井平均用水量为(0.76~2.39)×10⁴ t，其中20%~85%的水在压裂后滞留地下。中国页岩气多分布在四川、贵州、新疆、松辽等地区的丘陵和山区地带，水资源匮乏，交通运输不便，剩余水资源和压裂后返排污水回收处理费用高^[12]。“井工厂”压裂可以重复利用水资源，大幅减少了污水排放，既保护了环境，也节约了污水处理费。

2 “井工厂”技术经济性评价模型

研究与应用“井工厂”技术的最终目标是降低工程费用，缩短工程周期，“井工厂”优化设计就是如何在地表和地下井距已知的条件下通过优化“井工厂”平台的布井数量、“井工厂”钻机选型、“井工厂”施工流程等参数，使页岩气开发工程成本达到最低。因此，建立“井工厂”技术经济评价模型的目的和经济评价模型的内容主要是：计算评价不同井距(300，600和900 m)、不同“井工厂”作业模式、不同平台布井数量(2，4，6，…，20)的平均单井费用增减量，优选出最优平台布井数量和最优“井工厂”作业模式。

为满足“井工厂”技术经济性评价的需要，建立了页岩气“井工厂”工程成本增减模型：

(2)

式中：Q为“井工厂”模式下工程费用增减量，万元；ΔQ_ZQ为钻前费用增减量，万元；ΔQ_DR为钻井费用增减量，万元；ΔQ_FR为压裂费用增减量，万元；ΔQ_RQ为设备升级改造费用增加量，万元；ΔQ_ZD为征地费用增减量，万元；ΔQ_L为井场道路修建费用增减量，万元；ΔQ_G为压裂供水管线建设费用增减量，万元；ΔQ_R为钻井日费增减量，万元；ΔQ_M钻井液费用增减量，万元；ΔQ_C为套管费用增减量，万元；ΔQ_D为定向费用增减量，万元；ΔQ_S为压裂施工费用增减量，万元；ΔQ_DF为压裂动复员费用增减量，万元；ΔQ_ZS为钻塞动复员费用增减量，万元。

式(2)中各分项的计算公式如下。

1) 钻前费用增减量计算公式为：

(3)

2) 钻井日费增减量与建井周期缩短量密切相关，其计算公式为：

(4)

式中：C_iR为第i开次所用钻机日费，万元/d；ΔT_i为第i开次建井周期的缩短量，d；i为开钻次序，一开、二开等；K为单井总开次。

3) 考虑钻井液循环利用后，“井工厂”平均单井钻井液费用增减量的计算公式为:

(5)

式中：C_iDM为第i开次的钻井液费用单价，万元/m³；Δq_i为第i开次重复利用的钻井液量，m³。

4) 套管费用增加量计算公式为：

(6)

式中：C_iC为第i开次套管的价格，万元/t；ΔL_i为第i开次增加的套管长度，m；q_i第i开次套管的线重，t/m。

5) 定向费用增加量与增加的定向作业时间成正比，其计算公式为：

(7)

式中：C_iD为第i开次的定向施工日费，万元/d；ΔT_i为第i开次增加的定向施工时间，d。

6) “井工厂”设备改造与升级费用，其计算公式为：

(8)

式中：Q_RQ为“井工厂”设备升级与改造总费用，万元/d。

7) “井工厂”压裂施工费用增减量计算公式为：

(9)

式中：C_iFR为第i口井的压裂施工费用，万元/d；ΔT_i为第i口井节约的压裂施工时间，d；i为“井工厂”平台井次序。

8) “井工厂”压裂和钻塞动复员费用增减量的计算公式分别为：

(10)

(11)

式中：Q_DF为单井的压裂动复员费用，万元；Q_ZF为单井的钻塞动复员费用，万元。

3 实例分析

为验证所建“井工厂”技术经济性评价模型的合理性，笔者用涪陵页岩气田矿场数据进行了计算与分析。算例所用的基础数据包括：地下井距600 m，水平段长度1 500 m；井身结构、井眼轨道、钻井液体系、钻井工艺参数以及压裂分段数量、液量、砂量、施工参数等工艺参数的选择均参考该工区成熟标准的技术方案^[11-12]。

3.1 基准井选择

以2013年完钻的焦页X井(未应用“井工厂”技术)作为经济性分析的基准井。该井钻井和压裂均采用工区标准设计和工艺，该井钻井周期75 d，分18段压裂单井工程费用78 000万元，其中钻前及征地费用500万元，钻机日费1 000万元(按照工期85 d测算)、钻井液费用400万元、定向井服务费120万元，套管费用400万元，钻机移动设备改造费用350万元，压裂施工费用1 000万元(包括压裂车辆费、配液费等)、压裂试气动复员费用100万元。

3.2 “井工厂”作业模式经济性评价

根据涪陵工区钻井日费、定向日费、套管费用等定额和涪陵页岩气田“井工厂”作业施工流程^[2-3]，利用式(2)对“井工厂”模式下的工程费用增减情况进行了计算，结果见表 1。

计算结果表明，4井式“井工厂”平台平均单井钻井和压裂工程成本为6 500万元，而基准井的工程总成本为7 800万元，同比降低1 300万元，模型计算值为1 189.89万，相对误差8.47%。计算结果与现场实际数据基本相符，说明笔者所建立的评价模型是合理的、可靠的。

由表 1可知：“井工厂”作业模式下，当平台布井少于4口时，工程总费用降低值随着平台布井数量的增加而大幅增加；当平台布井超过6口后，工程总费降低值的增加幅度减缓；当平台布井超过8口后，随着平台布井数量增加，工程总费用的降低值反而减少。因此，在目前井网条件和工艺参数下，涪陵页岩气田“井工厂”作业模式的最优平台布井数量为4~8口。

3.3 不同“井工厂”作业模式的经济性评价

涪陵页岩气田流水线双钻机“井工厂”作业模式有2种：1)30型小钻机+50型大钻机“井工厂”作业模式；2)30型小钻机+70型大钻机“井工厂”作业模式。采用式(2)对4种“井工厂”作业模式下工程总费用的节约情况进行了计算，结果见图 4。

由图 4可知，当平台布井少于6口时，批量化单钻机“井工厂”作业模式和流水线双钻机“井工厂”作业模式节约的工程费用相近，较整拖式“井工厂”作业模式节约工程费用的效果更为显著。当平台布井超过10口后，采用“30型钻机+70型钻机”的流水线双钻机“井工厂”作业模式在节约工程费用方面优势突出。因此，建议在涪陵页岩气田二期深层页岩气井中探索和试验“30型钻机+70型钻机”的流水线双钻机“井工厂”作业模式。

4 结论及建议

1) 以平均单井工程成本降低计算为目标，建立了页岩气“井工厂”技术经济性评价模型，并用涪陵页岩气田矿场数据进行了计算分析和验证，结果与现场数据相符，验证了模型的合理性和可靠性。

2) 计算结果表明，“井工厂”作业模式显著减少了钻前工程、钻井液、压裂施工等的费用及钻机日费，但增加了套管、定向施工以及钻机与压裂设备改造等费用。通过该方法，计算得到的涪陵页岩气田“井工厂”平台最优布井数量为4~8口，最优作业模式为“30型钻机+70型钻机”的流水线双钻机“井工厂”作业模式。

3) 建立的经济评价模型没有考虑投产周期不同而引起的经济效益变化，现场实际应用时可根据生产运行、投产周期等要求，综合确定“井工厂”最优平台布井数量。