临兴地区非常规气田井场尺寸设计研究

郑清华，郑 健，杨向前，周 超.

(1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2.中石油煤层气有限责任公司临汾分公司，山西临汾 042200)

近年来，随着常规油气资源的快速消耗及开发难度的增加，非常规油气资源的勘探开发呈现出快速上升的趋势[1]。临兴地区位于资源潜力较大的鄂尔多斯盆地东缘，勘探结果显示，该区块具有良好的非常规油气勘探前景[2-3]。临兴地区属于黄土塬地貌，地势起伏较大，给井场的选址带来了极大的挑战；同时，随着环保要求不断提高，征地难度越来越大，根据实际地理环境和作业要求，合理优化井场布置，尽量减小井场尺寸，降低井场建设成本变得十分重要。

决定井场尺寸的影响因素较多，如钻机型号、井槽数、井槽间距、井槽排列形式、施工作业要求等。其中井槽排列形式主要分单排井槽和双排井槽；施工作业要求主要基于作业效率的考虑，包括单钻机作业、双钻机作业、压裂作业时钻机是否需要撤离井场。本文将对两种井槽排列形式下不同作业要求的各种组合形式的井场设计进行研究，得出相应的最小所需井场尺寸。

1 井场尺寸设计影响因素研究

1.1 钻机型号选择

钻机的型号决定了钻机的设备配置，钻机的设备配置直接影响井场的布置及尺寸设计。钻机的型号需要根据所在井场所有作业中所需要的最大钩载要求确定。钻机的最大钩载应满足：

Q≥1.2×F+500

(1)

式中Q——钻机最大钩载，kN；

F——所有作业中需要钻机提升的最大管柱重量，kN。

根据临兴地区气藏靶点和井身结构设计，该地区的井在所有作业过程中需要钻机提升的最大管柱重量不超过900 kN。根据公式(1)得出所需钻机的最大钩载不小于1 580 kN即可满足作业要求。根据钩载要求及钻机型号序列，选择ZJ30钻机进行该区域的钻井作业[4]。

1.2 井槽间距及井排间距设计

井槽间距和井排间距是影响井场尺寸设计的重要因素，井槽间距是指单排井槽中相邻两井槽中心的距离；井排间距是指井场中有多排井槽时，相邻井排间最近的两个井槽中心的距离，如图1所示。根据测井数据分析，临兴地区的地层压力属于正常压力系统，气藏不含硫，因此井槽间距按5 m设计；单钻机作业时，井排间距按20 m设计[5]；双钻机同时作业时，井排间距按30 m设计[6]。

图1 井槽布置主要参数示意Fig.1 Schematic of main parameters of well slots arrangement

1.3 井槽布置及最小井场尺寸设计

井槽的布置除了需要考虑井槽间距和井排间距外，还需要满足与井场各边线的距离要求。对于ZJ30钻机对应的井场，第一口井与井场始边端线的距离不小于40 m，最后一口井与井场终边端线的距离不小于30 m，各井口与井场左边缘线的距离不小于30 m，各井口与井场右边缘线的距离不小于35 m[6]。井场边线的定义对应井场方向的定义，即以井口为中点沿井场边线方向作两条相互垂直的基准线，井架大门所在基准线一侧区域为前，站在井架大门前，面对大门，基准线左侧区域为左，基准线右侧区域为右[7]。

根据井槽在井场中的位置要求，以及井场中设计井槽的数量、井槽间距、井排间距即可计算出钻井施工作业所需要的最小有效井场尺寸。但在确定实际的最小井场尺寸时，还需要考虑不同型号钻机起放井架等作业对井场尺寸的要求。对于ZJ30钻机，考虑钻机起放井架等作业，要求井场长度不小于90 m，井场宽度不小于90 m[7]。

1.4 与井场尺寸设计相关的其他因素

与井场尺寸设计相关的其他因素主要有[8-17]：(1)井场的值班房、发电房、库房、化验室等井场工作房，以及油罐区、天然气储存处理装置，距井口应不小于30 m。(2)发电房与油罐区、天然气储存处理装置相距应不小于20 m。(3)锅炉房距井口应不小于50 m。(4)井控装置的远程控制台应安装在井架大门左侧前方、距井口不小于25 m的专用活动房内，并在周围保持2 m以上的行人通道，周围10 m内不得堆放易燃、易爆、腐蚀物品。(5)放喷管线出口距井口应不小于75 m。(6)在草原、苇塘、林区钻井时，井场周围应有防火墙或隔离带，宽度应不小于20 m。

2 不同作业组合形式下的井场尺寸设计

按照压裂作业时钻机是否撤离井场分两大类工

况对井场的设计尺寸进行研究，每一类工况又分为单排井槽单钻机作业、双排井槽单钻机作业和双排井槽双钻机作业3种情况进行分析。

2.1 压裂作业时钻机撤离井场

由于压裂设施比钻机设施占地面积小，压裂作业时，如果钻机撤离井场，在进行井场设计时就不需要再额外考虑压裂设施的布置。因此，可以根据上述井场尺寸设计的影响因素直接计算出井场的有效长度和有效宽度，具体可用如下公式：

L=L1+L2+(n-1)·δ1

(2)

式中L——井场长度，m；

L1——第一口井与井场始边端线的距离，m；

L2——最后一口井与井场终边端线的距离，m；

n——井场长度方向单排井的最大井槽数；

δ1——井槽间距，m。

W=W1+W2+δ2

(3)

式中W——井场宽度，m；

W1——井口与井场左边缘线的距离，m；

W2——井口与井场右边缘线的距离，m；

δ2——井排间距，m。

采用双钻机同时作业，钻机的排列方式不同将影响井场的尺寸。如果两钻机平行排列施工，在作业过程中，两部钻机将一直保持肩并肩状态；如果其中一部钻机出现井控事故，因钻机距离较近，很容易蔓延到另一部钻机。因此，为提高作业的安全性，推荐采用两部钻机相向排列施工的模式。

基于以上分析，根据公式(2)和公式(3)，可以计算出3种情况下采用ZJ30钻机的井场在不同井槽数时对应的最小有效井场尺寸，见表1。在表1计算结果的基础上，考虑ZJ30钻机起放井架等作业对井场尺寸的要求，得到不同井槽数对应的最小实际井场尺寸，见表2。

根据表1和表2绘制井槽数与井场尺寸的对应关系模版图，如图2所示。从图中容易得出：对于单排井槽单钻机作业的井场，井场最小宽度均为90 m，当井槽数小于5时，井场最小长度取90 m；反之，根据公式(2)计算。对于双排井槽单钻机作业的井场，井场最小宽度均为90 m，当井槽数小于9时，井场最小长度取90 m；反之，根据公式(2)计算。对于双排井槽双钻机作业的井场，井场最小宽度均为100 m，当井槽数小于4时，井场最小长度取90 m；反之，根据公式(2)计算。

表1 采用ZJ30钻机的井场不同井槽数对应的最小有效井场尺寸Table 1 Minimum effective dimension of well site drilled with ZJ30 drilling rig corresponding to different number of wells

表2 采用ZJ30钻机的井场不同井槽数对应的最小实际井场尺寸Table 2 Minimum actual dimension of well site drilled with ZJ30 drilling rig corresponding to different number of wells

根据上述分析，采用ZJ30钻机的井场在3种情况下不同井槽数对应的井场实际面积如图3所示。从图中可以看出，当井槽数大于5时，采用单排井槽的井场面积开始大于采用双排井槽的井场面积。因此，在井槽数大于5时，建议井场采用双排井槽布置。

图2 采用ZJ30钻机的井场在3种情况下不同井槽数对应的井场尺寸Fig.2 Minimum actual dimension of well site drilled with ZJ30 drilling rig corresponding to different number of wells in three cases

图3 采用ZJ30钻机的井场在3种情况下不同井槽数对应的井场实际面积Fig.3 Minimum actual area of well site drilled with ZJ30 drilling rig corresponding to different number of wells in three cases

2.2 压裂作业时钻机不撤离井场

压裂作业时钻机不撤离井场，压裂结束后可以直接恢复钻井作业，节省了钻机动复员的时间与成本，但需要研究对井场尺寸的影响。基于压裂作业时钻机撤离井场条件下的井场尺寸要求，根据压裂设施的组成及布置，可确定压裂作业时钻机不撤离井场工况下的井场尺寸要求。

2.2.1 井场可利用区域分析

常规井场布置中，井场后方一般为动力区域，右侧一般为泥浆循环区域，井场入口旁边和井场右前方一般为现场作业用房区域，这些区域之间存在大量线缆连接，一般在初次安装完成后，作业过程中推荐保持位置不变；因此，井场中可以利用的区域通常只有管堆场前方以及井场左侧区域，如图4所示。

图4 井场可利用区域分析Fig.4 Available area analysis in well site

2.2.2 压裂设施布置分析

图5 压裂设施布局Fig.5 Fracturing facilities layout

2.2.3 井场设计

根据井场可利用区域的分析结果以及压裂设施布局的优化方案，基于压裂作业时钻机撤离井场的井场尺寸要求，可分别通过只扩展井场长度或只扩展井场宽度的方式实现压裂作业时钻机不撤离井场的井场尺寸要求。具体的扩边方案见表3，其中ΔL表示只扩展井场长度，ΔW表示只扩展井场宽度。

表3 井场扩边方案Table 3 Well site expansion solutions

图6 不同扩边方案对应的井场实际面积与井槽数的关系Fig.6 Relationship between the actual area of the well site and the number of well slots corresponding to different expansion solutions

根据不同的扩边方案，并基于压裂作业时钻机撤离井场的井场尺寸要求，可以得出采用ZJ30钻机作业时，压裂设施和钻机同时在井场的条件下，不同井槽数对应的井场面积要求，如图6所示。从图中可以看出，为满足压裂时钻机不撤离井场，对于单排井槽单钻机作业的井场，可以通过利用实际井场宽度与有效井场宽度的差值，不需要扩边。对于双排井槽单钻机作业的井场，当井槽数小于10时，推荐扩展井场长度；反之，推荐扩展井场宽度。对于双排井槽双钻机作业的井场，当井槽数为3时，推荐扩展井场长度；当井槽数在4～10之间时，推荐扩展井场宽度；当井槽数大于10时，推荐扩展井场长度。另外，在压裂作业时要求钻机不撤离井场的条件下，当井槽数大于9时，推荐井场采用双排井槽布置。

3 结论

(1)临兴地区采用ZJ30钻机作业的非常规气田井场，压裂作业时钻机撤离井场条件下，单排井槽单钻机作业和双排井槽单钻机作业的井场最小宽度均为90 m，双排井槽双钻机作业的井场最小宽度为100 m；3种情况下的井场最小长度值需综合考虑公式(2)的计算结果和ZJ30钻机要求的最小井场长度，并取其中的较大值，具体可参考图2。

(2)临兴地区采用ZJ30钻机作业的非常规气田井场，压裂作业时钻机不撤离井场条件下的井场扩边方案：单排井槽单钻机作业的井场不需扩边。双排井槽单钻机作业的井场，井槽数小于10时，推荐扩展长边；反之，推荐扩展宽边。双排井槽双钻机作业的井场，井槽数为3时，推荐扩展长边；井槽数在4～10之间，推荐扩展宽边；井槽数大于10时，推荐扩展长边。

(3)对于采用ZJ30钻机作业的井场是否推荐双排井槽布置存在一个临界井槽数：当压裂作业时钻机撤离井场，临界井槽数为5；反之，临界井槽数为9。