油燃而声 第24期 | 井家族——各式各样的“井”

通过钻井形成井眼，然后在井眼中下入套管，并在套管与地层环空间注入水泥浆以加固井眼（固井），再通过完井（射孔或裸眼），配上地面井口装置，便形成了完美的油气采掘的通道——“井”。为了把地下油气藏中的油气更多地采掘到地面来，石油人发明了各式各样的“井”。例如，从地下产出原油的“井”称为采油井，产出天然气的“井”称为采气井，采油井、采气井也称为“生产井”。当然，在地面将水注入油气地层中的“井”称为“注水井”，将气注入油气地层中的“井”称为“注气井”，注水井、注气井也称为“注入井”。根据油气采掘过程所依赖的能量不同，生产井可分为两大类：自喷井和机械采油井。

Part 01

——自喷井

原油深埋地下，其上部覆盖着数千米厚的岩石和地表的泥土，给原油及其储集它的岩石集聚了大量的弹性能量。自喷，顾名思义，就是依靠自身的力量喷出来，这与大家常见的天然喷泉、火山喷发相似。一旦油层通过油井与地面连通后，就如同充满气的气球或轮胎被扎了一个眼，原油在上覆岩石的挤压下就不断从井内喷出。

▲陆上自喷井的井口

为了让原油顺利从油层流到地面，需要用特殊工具从地面至油层钻出一个井眼并下入长达数千米的油管作为原油流动通道。油管由井口装置悬挂并固定。井口装置的另一重要作用是控制油气的流动，就如同地面水龙头一样，可以根据用户的需要，提供适量的水流；在不需要自来水时，关闭水龙头，自来水停止流动。这种方式的采油井称之为自喷采油井。

天然气井自喷时，因天然气密度远小于液体密度，井筒消耗的压力较小，井口耐压等级较高，通常需要进行多级节流降压，才能满足外输压力条件。

Part 02

——机械采油井

随着原油不断喷出，地层压力下降，油层岩石及原油的体积逐渐膨胀，弹性能量也逐渐释放，油层中新的压力平衡慢慢建立起来，原油的喷势逐渐减弱。最终，当地层能量不足以将原油举升至地面时，油井就停喷，就如同上述放了气的气球或轮胎。当油层能量不足以举升液体至地面时，人为地利用机械设备给井内液体补充能量的方式（如用泵抽、注入气体举升原油等）将原油采出地面称之为机械采油，又称为人工举升工艺。其本质与用抽水泵把水从湖面抽到某一高度相同，只是机械采油是在钻井形成的井眼中完成举升的。根据提供能量不同，机械采油可分为气举和泵举两类。

气举，就是人为地将高压气体（例如，空气、天然气）从地面井口压入油井井底，压入的气体与油层流入井筒的流体（例如，原油或原油与水）混合，流体密度降低，井底压力减小，原油喷出地面的采油方法。该过程与碳酸饮料举液相同（大幅振荡碳酸饮料，从瓶底部至井口不断产生气泡，将液体举出瓶口），而气举时气体为外部注入。

 泵举，则需将选定的各类泵（有杆泵、电泵、射流泵等）安装在井中液面以下某个位置，利用抽油杆、电缆或高压液体等方式将能量传递给泵，由泵转换为油层产出流体的势能，将液体举升至地面。

▲泵举采油井井口

▲机械采油井井口

Part 03

——注入井

随着原油不断被采出至地面，油层内流体压力逐渐下降，原油从油层流到采油井的动力减小，产量下降。为了填补原油让出的空间，往往需要向油层注入水或气体，使油层保持一定的压力，驱动原油向采出井筒流动。

为了让流体注入油层， 需要新钻井眼或利用报废的油井，形成地面流体至油层通道。由于油层流体具有高压、高温、高矿化度等特征，注入流体需与油层流体进行一系列的配伍实验，确保注入流体与油层流体不发生沉淀、结垢等，既给油层流体增加压力，又不阻碍流体流动能力，从而提高油井产量。

▲注入井向油层注二氧化碳驱油示意图

▲注水井井口装置示意图

▲新疆风城油田立式抽油机场景

知识小讲堂

Part 04

——丛式井

丛式井是在定向井技术基础上发展起来的一项工艺，指的是在一个井场或平台上 , 钻出若干口井，各井井口相距数米，而各井的井底则伸向不同的方位和深度。美国 Gilda 油田丛式井钻井平台，最多可钻 96 口丛式井，是目前世界钻井数量最多的平台。

丛式井平台有很多优点：（1）较好地克服了因地面条件所造成的各种限制 , 节省了工业占地，简化了地面建设；（2）减少了热、电能损耗，节约了油田建设总投资，大大地加快了油田建设速度；（3）可以使整装油田的开采井网更加合理、优配，增加了油气层的裸露面积 , 提高采收率；（4）便于采油气集中建站、集中管理；（5）多应用于复杂山区、海上钻井平台、沙漠中钻井平台、人工岛等。

缺点：（1）随着单平台内井口数目越来越多，井与井易发生相碰；（2）作业难度大，作业中期由于地质要求的变化会导致后续钻井的难度增加；（3）发生钻井事故，恢复钻进比处理单个定向井复杂。

▲长庆油田某一丛式井钻井平台

Part 05

——井工厂

“井工厂”技术起源于北美，最早是美国人移植大机器生产的流水作业线方式，用于油气开采，特别是非常规油气资源的发现和开发，降低了成本，提高劳动生产效率，得到广泛应用。美国实现了“页岩气革命”，这就是其中的一项“革命性技术”。该技术通常是指地面有限的一个区域内集中布置大批相似的井，采用大量标准化技术装备与服务，以生产及装配流水线方式高效实施油气钻井、压裂、采油、采气等施工和生产作业的一种低成本工厂化开发模式，与工厂的生产方法或方式比较相似。与大餐厅做菜一样，洗菜、切菜、炒菜都是专人负责，可以同时进行，节约周期。如果不是采用井工厂模式，将是洗完菜，再进入切菜环节，最后进入炒菜环节，整个周期就比较长。

▲页岩气开发批量化钻井

简而言之，“井工厂”可以集中配置人力、物力、投资、组织等要素，充分协调统筹地理环境、材料供给、电力供应、人力物力财力，采用“群式布井、集中施工、流水作业、资源整合、统一管理、远程控制”方式，按工厂化组织管理模式把各工序有效地衔接起来，并按相应标准进行批量化施工与流水作业，从而降低工程成本、提高作业效率。 

例如，在同一平台钻井，先准备好钻开地层上部表层（一开）的钻井液后，可以用相同钻具组合把所有井表层钻完，批量化钻井，一次完成；再配制二开钻井液，再用二开钻具组合钻所有二开井眼，批量化完成表层以下的钻井，依次类推。这样既可以降低钻井液配制成本，也可以大幅度降低钻井周期。同时，也为下道工序压裂、试油、 试气批量化作业创造了条件。

 美国致密砂岩气、页岩气开发，英国北海油田、墨西哥湾和巴西深海油田，都采用工厂化作业的方式。陆上一个井场钻 50 多口井，海上一个钻井平台钻 100 多口井，高度集中的流水线施工和作业，使开采成本大大降低和投资者的效益最大化。

长庆苏里格南气田开发，采用工厂化作业的方式，油气井表层钻井批量化施工一次完成，钻井、压裂双机交叉联合作业，每钻完一口井，120~170t 钻井设施，包括钻井机房，整体通过轨道滑动式平移系统移动到下一口井，时间不超过 4h，大大缩短了施工周期，使石油施工作业方式发生了质的飞跃。

 四川盆地“长宁—威远”国家级页岩气示范区，采用“双钻机作业、批量化钻进、标准化运作”，钻前工程周期缩短 30%，设备安装时间减少 70%，钻机平移时间最快达到 0.5h；采用“整体化部署、分布式压裂、拉链式作业”的工厂化压裂模式，压裂作业效率提高 50%，时效达到 12h2~3 段，最高达到了4段/天，平台半支压裂周期平均 30 天；压裂作业系统不断配套完善，为多平台长期、连续、高强度施工作业提供了保障。

▲井工厂平台

▲页岩气开发批量化压裂

优点：（1）利用最小的丛式井井场使开发井网覆盖储层区域最大化，减少了井场的占地面积；（2）多口井集中钻完井和生产，减少了人力成本、钻完井施工车辆及钻机搬家时间，同时地面工程及生产管理也得到简化，大大降低了作业成本；（3）多口井依次一开、固井，二开、再依次固完井，钻井、固井、测井工序间无停顿，一气呵成，实现设备利用最大化，提高了作业效率；（4）多口井在相同开次钻井液体系相同，钻井液重复利用，大幅降低钻井液用量，减少钻井费用；（5）多口井进行同步压裂，改变井组间储层应力场的分布，有利于形成网状裂缝；（6）压裂液返排后回收利用，节约成本又有利于保护生态环境；（7）多适用于油气储层分布较稳定的页岩气藏、致密油藏及致密气藏等。

缺点：（1）增加了井眼轨迹控制难度，对设备和技术要求较高；（2）总体井组钻井周期较长，一般要在整个井组完钻后才可进行后续的作业；（3）加大了现场工程监督难度。

“工厂化”管理、“工厂化”作业、“工厂化”技术，它的意义不在于油气开采，而在于是一种全新的作业方式，它影响了人们的思维、观念和行为。“工厂化”特别适用于低品位非常规油气资源（例如，页岩气资源）的低成本开发作业，相对于传统的油气钻井、压裂、采油、采气、生产方式，无疑是一次进步，将助力我国非常规油气资源的持续规模效益开发。

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图文来源 | 《油气简史》

绘图 | 侯雪梅

编辑 | 张奉圩

责编 | 王雨婷

审核 | 刘仲铭