非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)中壓裂裝備的研制

吳漢川 （江漢石油管理局第四石油機(jī)械廠，湖北 荊州434024）

劉伯修 （中石油渤海鉆探井下公司，河北 任丘062550）

非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)中壓裂裝備的研制

吳漢川 （江漢石油管理局第四石油機(jī)械廠，湖北 荊州434024）

劉伯修 （中石油渤海鉆探井下公司，河北 任丘062550）

隨著勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，非常規(guī)天然氣將成為未來(lái)我國(guó)重要的低碳資源。壓裂裝備是非常規(guī)天然氣開采中的重要裝備，由于施工工藝和作業(yè)規(guī)模較常規(guī)油氣的開發(fā)有所變化，對(duì)壓裂裝備的研制提出了新的要求。結(jié)合煤層氣和煤層氣開發(fā)特點(diǎn)以及國(guó)外裝備的發(fā)展趨勢(shì)，闡述了研制適用于煤層氣和頁(yè)巖氣開發(fā)需求的成套壓裂裝備整體配置方案；圍繞壓裂裝備的提出了關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)內(nèi)容。

壓裂裝備；煤層氣；煤層氣；配置方案

非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)需要大量技術(shù)和裝備，但我國(guó)在配套裝備的研發(fā)上存在經(jīng)驗(yàn)匱乏、技術(shù)不成熟等一系列問(wèn)題，這些因素嚴(yán)重制約著煤層氣和頁(yè)巖氣的發(fā)展。因此，針對(duì)非常規(guī)天然氣開采特點(diǎn)，研制適應(yīng)不同施工工藝要求的成套壓裂裝備具有十分重要的意義。

1 非常規(guī)天然氣開發(fā)特點(diǎn)

1.1 煤層氣壓裂施工特點(diǎn)

壓裂是目前煤儲(chǔ)層改造應(yīng)用最為廣泛的措施，由常規(guī)油氣儲(chǔ)層壓裂技術(shù)演化來(lái)的煤層氣增產(chǎn)改造技術(shù)，在我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)活動(dòng)中已經(jīng)得到應(yīng)用［1］。目前我國(guó)煤層氣壓裂施工作業(yè)特點(diǎn)是：

1）我國(guó)煤層氣田埋藏深度在300m左右，其道路狀況和井場(chǎng)條件較油田道路更差，相同區(qū)塊井位分布密集，可連續(xù)實(shí)施壓裂作業(yè)幾天。使用目前油氣田常規(guī)壓裂裝備進(jìn)行施工作業(yè)，單機(jī)的排量較小。由于井場(chǎng)位置狹小，希望采用最少的設(shè)備進(jìn)行施工。所以功率儲(chǔ)備系數(shù)不足，施工作業(yè)的安全系數(shù)較低。

2）煤層氣水力壓裂一般以大排量為主，施工排量在6～8m3/min左右。目前使用最大3in的高壓管匯系統(tǒng)，由于流速增大和清水加砂的影響，加劇了砂泵、混砂管匯以及高壓管匯的沖刷磨損，相關(guān)零部件的更換頻率增大，快速維護(hù)和保養(yǎng)顯得重要。由于壓裂工藝相對(duì)簡(jiǎn)化，對(duì)輸砂和添加劑系統(tǒng)的配置要求應(yīng)該較常規(guī)壓裂裝備簡(jiǎn)化。

3）隨著我國(guó)水平鉆井技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)頁(yè)巖氣的開發(fā)技術(shù)將延伸到煤層氣的勘探開發(fā)中，更大排量和多階段連續(xù)壓裂技術(shù)將成為煤層氣開采發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 頁(yè)巖氣壓裂施工特點(diǎn)

頁(yè)巖氣相對(duì)于常規(guī)油氣開發(fā)對(duì)技術(shù)的要求更高，這主要是由頁(yè)巖氣成藏特點(diǎn)決定的。水平井同步壓裂和分段壓裂技術(shù)的廣泛運(yùn)用，使原本低產(chǎn)或無(wú)氣流的頁(yè)巖氣井獲得工業(yè)價(jià)值成為可能，近年來(lái)水平井在北美地區(qū)新井中所占比例逐年上升，水平部分長(zhǎng)度也在不斷增加。與傳統(tǒng)垂直井不同，頁(yè)巖氣水平井需要8～20臺(tái)壓裂車同時(shí)作業(yè)，隨著單階段長(zhǎng)度的增加，單井所需的壓裂階段不斷增加。2010年已開始試驗(yàn)30階段甚至更高的階段壓裂，相應(yīng)的單井壓裂所需的工作時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。頁(yè)巖氣壓裂施工的主要包括：

1）施工規(guī)模大，采用水平井同步壓裂技術(shù)，在2口或2口以上相鄰的水平井同時(shí)進(jìn)行水力壓裂。目前北美地區(qū)的頁(yè)巖氣井深度在1200m左右，施工壓力通常在70MPa以下［2］。水平井多階段分段連續(xù)壓裂，單階段的連續(xù)工作時(shí)間在4h左右。考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)使用工況的限制、易損件更換以及突發(fā)事件等因素，要求壓裂裝備的儲(chǔ)備系數(shù)增大到1.4倍以上。

2）施工排量大、加砂總量多，需要壓裂的總液量在萬(wàn)方級(jí)別，加砂總量在千方級(jí)別。隨著勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，作業(yè)深度不斷向下延伸，我國(guó)四川盆地的頁(yè)巖氣深度也達(dá)到3000m以上，所以更大功率和更高壓力的大型壓裂裝備將成為未來(lái)施工作業(yè)主力機(jī)型。

3）大型壓裂施工要求供酸、配液、連續(xù)輸砂、供水管線、混砂、壓裂、管匯及控制系統(tǒng)配套。由于裝備的增多，對(duì)施工作業(yè)的協(xié)調(diào)性和安全性提出更高的要求。

2 非常規(guī)壓裂裝備研制

2.1 壓裂裝備整體配置方案

1）煤層氣壓裂裝備 采用2000型組成煤層氣壓裂機(jī)組。由于施工工藝相對(duì)常規(guī)油氣層壓裂簡(jiǎn)單，工作壓力也相對(duì)較低，所以簡(jiǎn)化配置以及設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性比較重要。具體配置方案如下：①車載裝備盡量縮小整體尺寸以提高整車的機(jī)動(dòng)性能，滿足我國(guó)煤田的道路和井場(chǎng)條件的要求。結(jié)合煤層氣井場(chǎng)密集的特點(diǎn)，除車載裝備外，可以將壓裂裝備集成為多模塊的橇裝結(jié)構(gòu)，采用少量的轉(zhuǎn)運(yùn)車 （配置快速裝卸裝置）將壓裂裝備和液罐等輔助裝置布置到井場(chǎng)。②車載結(jié)構(gòu)的壓裂裝備盡量采用底盤和臺(tái)上同時(shí)取力的方式，通過(guò)底盤發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)輔助系統(tǒng)的工作，使壓裂泵得到更大的功率輸出。采用國(guó)產(chǎn)化動(dòng)力配置方案，降低設(shè)備的購(gòu)置價(jià)格和后期維護(hù)費(fèi)用。③增大壓裂泵的柱塞直徑，以適應(yīng)大排量的輸出要求；結(jié)合活性水?dāng)y砂工藝研制相應(yīng)的泵閥密封件；優(yōu)化混砂車管路系統(tǒng)、減小流體對(duì)管路的沖刷；結(jié)合煤層氣壓裂工藝配置合適的螺旋輸砂系統(tǒng)和添加劑系統(tǒng)以簡(jiǎn)化整機(jī)結(jié)構(gòu)；采用雙管路4in高壓管匯系統(tǒng)，降低液體流速，減小清水?dāng)y砂液對(duì)管匯的沖刷。

2）頁(yè)巖氣壓裂裝備 國(guó)外最新展示的新產(chǎn)品已經(jīng)顯現(xiàn)出未來(lái)大型壓裂裝備的發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)自主研制的國(guó)際上最大型號(hào)車載2500型壓裂機(jī)組，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)重點(diǎn)油氣井開發(fā)中發(fā)揮出巨大的功效。對(duì)于未來(lái)頁(yè)巖氣開發(fā)所面臨的大型和巨型壓裂施工，提出大型壓裂裝備整體配置方案：①借鑒2500型壓裂機(jī)組研制的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)更大功率的壓裂泵并集成3000型壓裂裝備。采用10臺(tái)SYL3000型壓裂泵車、1臺(tái)SHS20型混砂車、1臺(tái)SGH105型管匯車、1臺(tái)壓裂儀器車、1臺(tái)連續(xù)輸砂裝置和1臺(tái)連續(xù)配液裝置組成整套3000型壓裂機(jī)組。②增大泵的沖程長(zhǎng)度，降低泵的工作沖次，以適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)施工作業(yè)的要求；加大柱塞直徑，滿足大排量輸出；提高柱塞泵的連桿負(fù)荷，擴(kuò)展柱塞泵的工作范圍，提高壓裂泵在大排量條件下的工作壓力。③提高混砂車的混配能力和控制精度，滿足大排量低粘度介質(zhì)加砂和多介質(zhì)添加劑的工藝要求。擴(kuò)展壓裂機(jī)組的控制功能，在主體裝備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)施工作業(yè)裝備的整體集中控制，提高大型施工作業(yè)自動(dòng)化控制水平的安全性能。④制定大型壓裂施工作業(yè)裝備配置方案。從井場(chǎng)布置、裝備種類、設(shè)備數(shù)量、管線連接、安全配置、液體返排、環(huán)境保護(hù)以及輔助配套等方面為工程服務(wù)商提供全面的技術(shù)支持。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及攻關(guān)內(nèi)容

由于非常規(guī)天然氣開發(fā)存在其特殊性，圍繞壓裂裝備的研制將面臨許多關(guān)鍵技術(shù)，其主要攻關(guān)內(nèi)容包括：

1）柱塞泵技術(shù) 對(duì)柱塞泵參數(shù)進(jìn)行合理選擇及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；采用較小連桿比設(shè)計(jì)，使柱塞泵長(zhǎng)度縮短；采用外置式行星齒輪機(jī)構(gòu)，在減小柱塞泵寬度尺寸的基礎(chǔ)上，保證柱塞泵性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，以相對(duì)較小柱塞泵體積和更輕重量實(shí)現(xiàn)大功率壓裂泵的車載要求。

2）動(dòng)力配置及整機(jī)集成技術(shù) 解決壓裂工況下傳動(dòng)鏈動(dòng)力特性匹配技術(shù)，解決大負(fù)荷、長(zhǎng)時(shí)間壓裂工況下動(dòng)力儲(chǔ)備和系統(tǒng)多點(diǎn)振動(dòng)抑制難題，保證壓裂泵裝置大功率輸出的穩(wěn)定性。優(yōu)化零部件配置、冷卻系統(tǒng)以及整機(jī)布置，解決3000型車載式壓裂泵車性能提升與尺寸、重量之間的矛盾；開展底盤改制技術(shù)的研究，以適應(yīng)我國(guó)道路和井場(chǎng)條件的要求。

3）輸砂混配技術(shù) 建立混砂車螺旋輸砂系統(tǒng)和混合攪拌系統(tǒng)理論分析平臺(tái)并通過(guò)相應(yīng)試驗(yàn)裝置進(jìn)行修正；以理論指導(dǎo)新型輸砂裝置和混合攪拌裝置的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)支撐劑輸送的寬幅精確調(diào)整以及高砂比壓裂液的快速均勻攪拌。

4）多機(jī)組集群控制技術(shù) 建立適用于壓裂成套設(shè)備控制特點(diǎn)的異型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，滿足成套壓裂設(shè)備作業(yè)時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸和控制方面的需求；根據(jù)壓裂現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)和實(shí)時(shí)變化的壓裂工藝需求對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行自適應(yīng)控制；通過(guò)對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究，解決網(wǎng)絡(luò)通訊堵塞、控制及時(shí)性和可靠性等問(wèn)題。

5）高壓管匯及輔助裝置配套技術(shù) 結(jié)合非常規(guī)天然氣壓裂施工工藝特點(diǎn)，研制大直徑高壓流體控制元件；通過(guò)材料的研究和優(yōu)選提高管匯系統(tǒng)的抗沖刷能力；建立高壓流體控制元件檢測(cè)和安全評(píng)價(jià)體系；結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)施工特點(diǎn)研制連續(xù)輸砂裝置、大排量連續(xù)配液裝置和液氮泵裝置，實(shí)現(xiàn)大型施工作業(yè)裝備的系統(tǒng)配套。

3 結(jié) 語(yǔ)

非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)對(duì)于我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展具有十分重要的意義，壓裂機(jī)組是實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)的配套裝備，尤其是大型壓裂施工將成為未來(lái)頁(yè)巖氣開采過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。針對(duì)我國(guó)非常規(guī)天然氣開采特點(diǎn)，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的壓裂裝備，將全面提升我國(guó)石油鉆采重大裝備國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化能力。

［1］汪懷友.煤層氣：世界能源的焦點(diǎn) ［J］.石油與裝備，2009，11（4）：58～60.

［2］何家歡.北美非常規(guī)天然氣開發(fā)的繁榮是否在中國(guó)再現(xiàn) ［J］.能源科學(xué)進(jìn)展，2007，14（2）：33～36.

TE934.2

A

1000－9752（2011）06－0372－03

2011－05－12

吳漢川 （1960－），男，1983年大學(xué)畢業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事壓裂裝備研制工作。

［編輯］ 蘇開科