我们已经知道全球的油气资源大部分分布在低渗储层中，这些油气的分布特点是多储层和有厚隔层。若要有效开采出油气资源就需要对基质和裂缝进行改造。但由于这类储层在地质上和油藏上具有非均质性，这将为增产措施的有效实施带来巨大的挑战。
在过去的几年里，很多国家投入大量的资金和力量来研发针对致密气储层的钻完井新技术，而美国地下存在大量的致密气资源，且这一数量相当于除美国外的其他国家致密气资源量的总和。美国的致密气主要分布在美国西部，包括格林河、皮申斯、温德河和尤因塔盆地。
埃克森美孚公司致力于开发一种新的多层改造技术，包括硬件设备和工艺流程，努力提高厚储层中增产措施的有效性。多层改造技术允许压穿隔层（通常情况下是不压穿），这样可以增加单井产量和全区的采收率。除此之外，其他一些只有通过增产改造措施才能取得经济产量的资源通过多层改造技术变成可采资源。皮申斯盆地将近300 000英亩的面积上潜在的天然气储量约为45万亿立方英尺，埃克森美孚公司已在该气田应用了多层改造技术，以达到采收率和单井产量的最大化，同时不仅降低了开发成本，也减少对环境的污染。目前，针对致密气资源，需要对其实施的压裂增产技术仍然有很多困难。皮申斯盆地的地理位置，砂体的露头以及一个典型的截面层理如图8—104所示。图8—105为多层改造技术的示意图。
图8—104 皮申斯盆地的地理位置，砂体的露头及一个典型的截面层理示意图
多层改造技术主要包括：“即时射孔”（JITP）和“连续油管环空压裂”（ACT—Frac）这两种方法。这两种方法可以实现单井一次快速运送多个（40个以上）压裂井下工具至储层层段；井下多个层段各级工具的有效放置；达到很高的泵注排量以确保压裂作业的有效性和高效性。
图8—105 多层改造技术的示意图
为了深化协同作用，埃克森美孚公司还开发了一项可以在相同井组和不同井组操作的多口井同步压裂技术，且同步压裂可以在钻机运行的同时进行操作。该技术可以使地面设备的移动范围最小化，既节约了时间也节约了成本，并能更早投入生产。该技术已经在一些油田现场得到成功运用，当然，保证这一技术成功运行的要素还包括：高水平的培训、严格的完井和操作规程、健全的执行流程、完善的安全健康环保管理体系。
1.即时射孔（JITP）技术原理
JITP技术已在一口井上成功实现各小层顺序压裂，通过封堵球实现选择性单层射孔和各层间的有效封隔。连续的泵注工序可以实现不间断作业，如作用在封堵球上的正压保证了液流的方向。
随着JITP技术的不断发展以及在油田的推广应用，配套设施和相关技术也需要不断的完善，如：在泵注过程中封堵球必须安全可靠的通过井底部管柱结构；井底部管柱结构不能堵塞泵注的压裂设备；封堵球必须牢固的封堵住射孔孔眼以减轻漏失和延缓封堵球的腐蚀；如果泵注程序出现中断，封堵球应该有重启泵时重新坐封的性能；射孔程序必须准时完成以确保在下一段射孔枪点火前封堵球已通过底部管柱结构。另外，如果压裂液是分级注入的（如不同的液体和支撑剂浓度分级注入），那么封堵球适时到位也是十分关键的。
图8—106为JITP的井内结构示意图，偏心设计时需要考虑封堵球顺利通过井身结构，偏心设计可以保证井眼截面的最大化，从而使封堵球畅通无阻的通过。枪管直径也应考虑截面的最大化设计，需要有充分的射孔空间来保证孔眼的有效连通。
图8—106 JITP井内结构示意图
支座（stand-off）是JITP井内结构的一部分，其主要作用是减轻零相位射孔枪的差压卡钻问题，这一问题有可能发生在过平衡射孔点火时和连续的泵注过程中。零相位射孔无需偏心环（皮申斯盆地实践表明），这是由于支座留出的径向间隙可以防止射孔枪遮盖射孔孔眼，并且为液体进入孔眼提供流动通道，从而防止射孔枪发生卡堵，并保证射孔枪能顺利地从井口提出。当然，这一支座以及相关的井筒液流通道处的限流装置，必须在保证封堵球通过的前提下取得合适的尺寸。
JITP的工艺流程如图8—107所示，射孔枪连同桥塞和坐封工具一起放入井内，桥塞被安放在储层下部，在桥塞完成坐封后，射孔枪定位到第一段储层，然后点火发射。完成第一段射孔后，射孔枪上提到下一层位，之后泵送液体，在泵送的末期向液体内加封堵球，封堵球的数量不能少于射孔孔眼数。当井口压力急剧上升时，则说明封堵球到达井底且堵住孔眼，此时射孔枪再次点火发射，然后无须关泵直接泵送第二段液体。依次重复上述步骤到完成所有层段的作业，之后取出射孔枪装置。
图8—107 JITP工艺流程示意图
为保证有效的液体导流并防止出现异常情况，在JITP工艺流程中需用由橡胶涂层复合塑料制成的封堵球，并且经特殊处理使其在高温高压下保持浮力。保持浮力是为了保证封堵球在泵出现异常时能够沿井筒上移，待泵修好重启后再重新密封孔眼。
一般情况下一次完成5个层段的作业，也有一些一次完成12个层段作业的例子。桥塞放置在每两段之间，当所有层段作业完成后，钻穿所有桥塞并开始多层合采。
埃克森美孚公司通过高效的JITP同步作业取得了很好的经济效益。关于皮申斯盆地的井平台及单个平台井型分布如图8—108、图8—109所示。以皮申斯盆地为例，地面井位间距15 ft的9口井从一个平台钻出，其优点是钻机和压裂设备井间移动方便，无须长距离运移和调整。更重要的是该技术可以保证多口井的连续泵注作业，无须因等待除泵注作业外的其他作业（如钢丝或电缆起下作业、放置桥塞等）而中断压裂作业。这样可以大幅减少完井作业时间，还可以减少地面设备的占地面积，以及因设备多次运移而对环境产生的影响。
图8—108 皮申斯盆地的井平台示意图
图8—109 单个平台井型分布示意图
这种同步作业的重要组成部分是液体储存设备、压裂液泵送系统和管汇系统，从而保证流体能够直接进入同一平台的多口井，上述系统包括：流程管汇、两台吊车、两台钢丝绞车、JITP工具和一个连续油管作业机。一个典型的同步作业井口装置和地面管道布置如图8—110所示。多口井的井口相互连通，并通过单一管汇与高压泵连接，在泵前安装阀门用来控制压裂液进入哪口井，从而防止发生事故。同步作业的流程要求包括：每口井配备钢丝绞车和相关配套设备以完成压裂作业（下桥塞、射孔等），每口井安装油嘴来控制液体返排。(www.xing528.com)
图8—110 典型的同步作业井口装置和地面管道布置示意图
该技术从最初开始应用至今，已经证明了其在压裂领域中的优势，如节约成本、节省时间。例如最初使用交联冻胶压裂液，随着经验的积累逐渐过渡到使用滑溜水。对于井深12 000 ft的5级JITP水力压裂作业，平均泵注排量为30 bpm，总的泵送时间约为2 h。电缆下入速度为150 ft/min，把JITP工具下入到井内指定位置并完成桥塞坐封需要的时间也约为2 h。
一套同步作业的次序见表8—47，假设在作业开始前各井已钻完，且已下套管测井为完井做好准备，JITP机组包括连接电缆的JITP射孔枪和桥塞坐封系统。从表8—47我们可以清楚地看到3口井的连续压裂可以在一天内完成，这样作业队停泵等待的时间将很少，可以保持高效的工作。压完的井不仅可以进行返排作业，而且排出的液体可以循环利用。最后一口井压完后，用一个连续油管钻机钻穿桥塞，然后用完井钻机下入油管便可开始生产。另外，同步作业还可以快速完成从一口井到另一口井的作业，如一口井的返排液可以很快地应用在另一口井的压裂作业中。
表8—47 JITP同步作业次序
从表8—47还可以看出在1井进行压裂作业的同时，可在2井进行JITP设备作业，这样一种连续的工作方式已得到成功应用。如果1井的泵注作业中出现任何故障，2井的泵可以在15 min内启动，并为1井所用。1井在进行上提电缆作业的同时2井可以进行泵注作业，电缆从1井中取出后就可以连接其他设备再用于1井，也可以用于3井的作业，具体作业顺序取决于现场施工顺序设计。
采用同步压裂技术后的成本减少情况如图8—111所示，成本的减少主要是由于同步作业技术的实施，此外压裂液也由原来的交联冻胶改进成现在的滑溜水，支撑剂方面也有所改进，原来一般用浓度为（5～6）×0.119 8 kg/m3的陶粒支撑剂，现在改用成本更低的石英砂，且一般在滑溜水中的浓度为（2～3）×0.119 8 kg/m3，因此采用同步压裂技术后的压裂成本相比最初下降了50%。
图8—111 同步压裂技术成本减少图
2.钻井作业
现在的钻机一般都有可以在x、y方向移动的机架装置，这就使得一台钻机可以连续钻一个平台上的22口井，而无须移动支撑设备（如信号发生器、泥浆罐和搅拌装置等）。在钻下一口井的同时，前一口井可以进行完井作业，这样可以通过节省时间来节约成本，又可以减少固定资产的投入。
我们通过下套管井测井作业获得的储层信息，还可以得到水泥返高数据，为下步的完井作业提供依据。在同一平台多口井实施钻完井作业之前，可以通过以上信息评估从排水设计到固井设计的所有工艺。另外，还可以通过实时的数据反馈，把实际数据与理论值进行比对以便于管理。
3.一体化作业
众所周知，多井同时作业比单井作业的风险和事故率都要高，因此要有严密的组织管理结构。特别是在多井同时进行完井作业时需要建立安全领导小组，该小组负责、健康、安全、环保、工艺和技术。各作业间需要建立通畅的联络系统，要求责任到人并保证各作业间的协调运行。安全领导小组的职责还包括早晨安全例会上与承包商人员协调需要做的工作，需要在一天工作结束后检查作业执行情况，并总结进展情况及改进措施。
确保一体化作业顺利进行的关键因素是“同步作业事故识别”和“控制矩阵”。这种矩阵可以识别潜在的事故，以及防止多种事故同时发生，例如一口井出现异常高压或JITP封堵球密封压力问题，立即控制管汇阀组和另一口井的采油树阀门以停止联动。当一口井的泵压过高时，要求第二口作业井上的作业，如为射孔枪装弹、下入或取出射孔工具等具有灯光和声音的提示信号。
保证作业的安全、质量和作业流程的正常进行需要对压裂液进行隔离，为了保证充分的隔离需要至少关闭两个阀门从而切断与其他井的连通。目前应用最多的三个阀门，包括一个地面阀门和两个注入端的闸阀，作业进行中的阀门一般显示为打开状态，上游井口的阀门一般默认为关闭状态。
在同步作业中，多井间作业人员的实时联络是保证作业安全的必要条件，一般压裂作业时作业人员通常都配有无线耳机，当射孔枪装药完毕并放置在井口或从井口提出时，所有的无线电信号都存储在远离绳索作业的井场中心位置，且必须确认处于关闭状态。绳索装置上提或下放过程中，泵为持续工作状态，这时就需要用到有线传输设备，并将无线电传输设备作为备用。当已装入弹药的射孔枪下放到至少1 000 ft以下时，才可以使用无线电设备，并在吊车顶端设有带频闪警示信号的灯。具体使用何种方式由现场负责人和承包商进行协调。
严格检查每口井的地面返排管道及所有液体混合的节点，因为在压裂作业和钻桥塞的作业中，上述管道中始终有作业流体，需要返排作业监督人员、相关责任人和施工队长各一名，来共同协商地面流程的可行性。返排测试人员必须配备移动式爆炸下限检测仪，在返排作业过程中，作业监督人员需一直监督排出液是否含有有害气体，一旦监测到有害气体，立即暂停返排作业并做适当处理，同时要在不同地点及不同高度安装风向标来监测风向。
4.皮申斯盆地应用JITP技术的经验
美国西部的皮申斯盆地应用JITP技术已超过八年，埃克森美孚公司在一个约为6 acre大的平台上钻9口水平井，这些气井的控制面积大约是20 acre，井深为12 000～15 000 ft，水平投影1 400～2 000 ft。每口井都穿过40个以上的小层，应用同步作业和JITP技术，每个工作日可以至少完成20段的泵注作业，压裂40段总共需要2～3个工作日。另外，每口井都可以节省出1～2天的停泵等待时间，这样对于9口井而言，所能节省出来的总时间便相当令人满意。
埃克森美孚公司已在70口直井和S井上一共完成2 500次压裂作业，生产套管直径
大部分的完井作业由于应用了同步作业，故取得了很好的经济效益。压裂层段深度为14 700 ft，地层温度高达320°F，3口井同时作业的最大作业压力为9 500 psi。
另外，应用此项技术还可以快速地完成多口井的压裂作业，优于其他常规的工艺方法，有关皮申斯盆地应用JITP技术所取得的累计产量，以及与应用其他常规工艺方法的累计产量的对比情况如图8—112所示。从图8—112可知，皮申斯盆地Mesa Verde区块应用多层改造技术（MZST）改造的55口井，在快速产生多条高质量裂缝方面有着明显的优势。
5.小结
若将MZST技术与埃克森美孚的同步作业技术相结合，可以大幅提高设备和人员的利用率，从而制定出最优化的投资方案，而且采用此项技术可以保证油田的安全生产，以及加强组织结构方面的一体化管理。
图8—112 皮申斯盆地应用JITP技术的累计产量与应用常规工艺的累计产量对比
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