頁巖氣水平井大型壓裂設(shè)備配套及應(yīng)用

曾雨辰楊保軍

（1.中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司，河南濮陽 457164；2.深圳市百勤石油技術(shù)有限公司，廣東深圳 518054）

頁巖氣水平井大型壓裂設(shè)備配套及應(yīng)用

曾雨辰1，2楊保軍1

（1.中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司，河南濮陽 457164；2.深圳市百勤石油技術(shù)有限公司，廣東深圳 518054）

為滿足頁巖氣水平井分段大型壓裂施工的需要，根據(jù)施工井的具體情況對(duì)主要壓裂設(shè)備（壓裂機(jī)組）進(jìn)行了優(yōu)化配置，并配套了壓裂液混配設(shè)備、低壓供液系統(tǒng)、立式砂罐等輔助壓裂設(shè)備，滿足了勘探階段頁巖氣水平井大型壓裂大排量、大液量、大砂量、使用多種液體和多種粒徑支撐劑、施工時(shí)間長(zhǎng)的工藝要求。涪頁HF-1井、彭頁HF-1井、延頁平1井等3口頁巖氣水平井的成功壓裂作業(yè)，為頁巖氣水平井大型壓裂施工設(shè)備配套及應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)了頁巖氣水平井大型壓裂施工服務(wù)的能力。對(duì)今后頁巖氣 “井工廠”模式的開發(fā)，目前的壓裂設(shè)備配套與壓裂工藝對(duì)設(shè)備的需求還有一定的距離，需要加以完善。

頁巖氣；大型壓裂；壓裂設(shè)備；水平井；分段壓裂

頁巖氣儲(chǔ)層具有典型的低孔低滲物性特征，所有的井都需要實(shí)施壓裂改造才能使天然氣被開采出來。北美頁巖氣開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)表明，水平井加分段大型壓裂技術(shù)是頁巖氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。與常規(guī)低滲透油氣藏水平井分段壓裂施工不同，頁巖氣水平井分段壓裂具有大排量、大液量、大砂量、低砂比、使用多種液體和多種粒徑支撐劑、施工時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。壓裂施工所配套的設(shè)備及地面流程要適應(yīng)頁巖氣壓裂的這種特點(diǎn)才能滿足頁巖氣水平井儲(chǔ)層壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

“中原井下”現(xiàn)有的7套壓裂機(jī)組，泵車總數(shù)達(dá)到50臺(tái)，主力機(jī)型為2500HHP和2000HHP壓裂車，總施工水馬力達(dá)到105600HHP。由于壓裂設(shè)備分布在不同的施工區(qū)域，在具體井施工時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)參與施工的設(shè)備配置進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)配。2010年起“中原井下”就涉足到中石化第一批頁巖氣直井方深1井、黃頁1井的大型壓裂工程服務(wù)中，對(duì)頁巖氣井大型壓裂所需設(shè)備及地面流程進(jìn)行了初步配套。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)頁巖氣水平井分段大型壓裂的需要，對(duì)壓裂設(shè)備及地面流程做了進(jìn)一步的配套完善，完成了涪頁HF-1井、彭頁HF-1井、延頁平1井3口頁巖氣水平井的分段大型壓裂施工。

1 主要壓裂設(shè)備

1.1 壓裂泵車

目前壓裂泵車主力機(jī)型為2500HHP和2000HHP壓裂車。頁巖氣水平井的壓裂特點(diǎn)使壓裂設(shè)備的工作狀況發(fā)生了較大的變化，壓裂泵車持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，需要更多的泵車進(jìn)行儲(chǔ)備。壓裂泵車配置除考慮壓裂設(shè)計(jì)總功率外，還需根據(jù)泵車的連續(xù)工作時(shí)間選擇泵車功率儲(chǔ)備系數(shù)（見表1），由此確定壓裂泵車的型號(hào)和數(shù)量。

表1 壓裂泵車功率系數(shù)確定原則

在使用泵車時(shí)可以參考SPM壓裂泵（QWS2500 CLASSIC）工作周期曲線（見圖1）來確定單臺(tái)泵車的壓力、排量和工作時(shí)間。圖中藍(lán)色區(qū)域?qū)Υ蟊玫氖褂米顬橛欣蟊每梢蚤L(zhǎng)時(shí)間工作。泵車施工壓力在最大工作壓力80%以下，并且泵車排量在允許的最大排量80%以下，有利于保證大泵的使用壽命。但通常這個(gè)條件難以滿足，特別是壓力方面，這就需要從大泵的工作時(shí)間進(jìn)行有效安排，盡量減小高功率下的工作時(shí)間。

圖1 QWS2500 CLASSIC泵工作周期曲線

2500HHP壓裂車使用?101.6 mm柱塞時(shí)最大排量2.47 m3/min，對(duì)應(yīng)工作壓力45.3 MPa；最高工作壓力123 MPa，對(duì)應(yīng)工作排量0.867 m3/min。使用?95.25 mm柱塞時(shí)最大排量2.17 m3/min，對(duì)應(yīng)工作壓力51.5 MPa；最高工作壓力140 MPa，對(duì)應(yīng)工作排量0.76 m3/min。2000HHP壓裂車最大排量2.48 m3/min，對(duì)應(yīng)工作壓力36 MPa；最高工作壓力103 MPa，對(duì)應(yīng)工作排量0.48 m3/min。依據(jù)上述原則，選用2500HHP壓裂車作為頁巖氣水平井分段大型壓裂用車，在2500HHP壓裂車數(shù)量不足的情況下用2000HHP壓裂車進(jìn)行補(bǔ)充。

1.2 混砂車

目前尚未配套額定排量20 m3/min的混砂車，額定排量16 m3/min的混砂車為主力機(jī)型，按85%的能力進(jìn)行考慮，單臺(tái)混砂車可以進(jìn)行施工排量≤13 m3/min的壓裂施工，頁巖氣壓裂注液量大、施工時(shí)間長(zhǎng)，需要備用1臺(tái)混砂車。如果施工排量在13～26 m3/min之間，則需要2臺(tái)混砂車同時(shí)工作，同樣需要備用另外的混砂車。

1.3 儀表車

儀表車用于遠(yuǎn)距離采集和顯示施工參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、施工監(jiān)測(cè)及裂縫模擬并對(duì)施工的全過程進(jìn)行分析。由于不同的壓裂設(shè)備配套不同的儀表車操控、采集系統(tǒng)，不能互聯(lián)、互換使用，因而需要根據(jù)泵車、混砂車的型號(hào)配置相應(yīng)的儀表車。當(dāng)不只一臺(tái)儀表車用于施工時(shí)，將操控混砂車的儀表車作為主儀表車，通過對(duì)講機(jī)通話方式下達(dá)指令給其他儀表車實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂泵車的操控。

1.4 管匯車

管匯車主要用于運(yùn)載和吊裝高壓管匯、管件。目前配套用于頁巖氣井壓裂的高壓管匯、管件額定工作壓力為103 MPa。對(duì)于大排量、大液量的頁巖氣井壓裂，為減少含砂液體高速度、長(zhǎng)時(shí)間對(duì)高壓管件的沖刷磨蝕，采用雙管匯系統(tǒng)，通過4根?76 mm高壓管線連接至壓裂井口。

2 輔助壓裂設(shè)備

2.1 壓裂液混配設(shè)備

頁巖氣井大型壓裂需要大排量、大液量連續(xù)作業(yè)，傳統(tǒng)的液體配制及使用方式不能滿足施工需要。國(guó)外通常采用連續(xù)混配車與化學(xué)添加劑比例泵車與混砂車相連，井場(chǎng)液罐只需存儲(chǔ)清水，化學(xué)添加劑通過混配車與比例泵車在施工過程中精確在線加入，實(shí)現(xiàn)了壓裂液的即配即注，而連續(xù)混配車的最大配液排量與混砂車的額定排量必須匹配。目前配套的CSGT-480壓裂液混配車，設(shè)計(jì)額定排量為8.0 m3/ min，實(shí)際使用排量不超過6 m3/min，盡管是當(dāng)前國(guó)內(nèi)最大排量的壓裂液混配車，還是與混砂車的額定排量不匹配。在頁巖氣井壓裂施工中主要用于線性膠或凝膠基液的配制，配液速度比傳統(tǒng)配液工藝快3～5倍。使用一定量的膠液儲(chǔ)罐預(yù)先配滿，施工時(shí)隨時(shí)配液補(bǔ)充至罐內(nèi)，不會(huì)影響施工。

另外就是使用額定排量16 m3/min的撬裝酸泵來配制滑溜水。用粉劑PAM作為降阻劑的滑溜水則使用壓裂液混配車進(jìn)行配制。

2.2 低壓供液系統(tǒng)

為滿足施工排量10～15 m3/min的需要，定制加工了一批?254 mm低壓匯管及配套?254 mm膠皮管線。通過低壓匯管的串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)供液罐之間及與混砂車的合理有效連接。2臺(tái)額定排量為864 m3/ h的離心泵用于儲(chǔ)水池向液罐供水。這些配套設(shè)施確保了頁巖氣井大排量、大液量施工的連續(xù)供液。

2.3 立式砂罐

頁巖氣井壓裂通常采用2種或3種粒徑的支撐劑，采用砂罐車給混砂車供砂，往往需較多砂罐車數(shù)量及加砂臺(tái)次，在倒換砂罐車時(shí)還會(huì)造成加砂不均勻現(xiàn)象出現(xiàn)，加上山區(qū)井場(chǎng)條件也使砂罐車使用受限。定制加工了2具100 m3立式砂罐，可以對(duì)2種支撐劑進(jìn)行分裝，依靠重力自流，單罐的供砂速度可達(dá)3 m3/min。當(dāng)需要加3種粒徑的支撐劑時(shí)，其中用量最少的1種采取吊裝加入混砂車砂斗的方法，初步滿足了現(xiàn)場(chǎng)壓裂加砂的需要。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工

3.1 工藝方案

3口頁巖氣水平井均選用了泵送快鉆橋塞分段壓裂工藝、?139.7 mm套管注入方式對(duì)水平段頁巖層進(jìn)行逐段大型壓裂改造。涪頁HF-1井和彭頁HF-1井第1段采用連續(xù)油管傳輸射孔，延頁平1井第1段采用爬行器拖動(dòng)射孔槍電纜傳輸射孔，射后進(jìn)行第1段壓裂。從第2段起至后續(xù)各段均采用水力泵送式快鉆橋塞隔離+電纜射孔聯(lián)作后進(jìn)行壓裂的工藝，逐段進(jìn)行封堵、射孔、壓裂作業(yè)。每口井第1段主壓裂前均進(jìn)行小型壓裂試驗(yàn)，每個(gè)壓裂段先注入酸液進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)行主壓裂施工。待所有段都?jí)毫淹瓿珊?，最后再進(jìn)行鉆塞、排液、試氣作業(yè)。3口井的主要壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 3口頁巖氣井主要壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)

各井施工由多支專業(yè)技術(shù)隊(duì)伍協(xié)同完成，其中“中原井下”負(fù)責(zé)壓裂作業(yè)，國(guó)際知名服務(wù)公司負(fù)責(zé)橋塞+射孔聯(lián)作作業(yè)，試氣作業(yè)以及連續(xù)油管施工由其他國(guó)內(nèi)專業(yè)隊(duì)伍負(fù)責(zé)。

涪頁HF-1井采用了每段一致的壓裂泵注程序，滑溜水階段段塞式加砂，凍膠階段連續(xù)加砂，貝克休斯公司提供橋塞+射孔聯(lián)作和壓裂液服務(wù)。

彭頁HF-1井每段壓裂泵注程序各不相同，滑溜水階段段塞式加砂，線性膠階段連續(xù)加砂，哈里伯頓公司提供橋塞+射孔聯(lián)作和壓裂液服務(wù)。

延頁平1井每段壓裂泵注程序各不相同，加砂階段均為段塞式加砂，斯倫貝謝公司提供橋塞+射

孔聯(lián)作服務(wù)，使用延長(zhǎng)石油集團(tuán)研究院研制的壓裂液。

3.2 壓裂施工準(zhǔn)備

3.2.1 壓裂井口 為保證橋塞的順利入井，選擇了大通徑、抗壓高的壓裂井口，各井壓裂井口級(jí)別及主通徑見表3。

表3 各井壓裂井口參數(shù)

3.2.2 壓裂液 涪頁HF-1井和延頁平1井現(xiàn)場(chǎng)預(yù)先配制一定量的滑溜水濃縮液，施工時(shí)按比例與清水混合注入井內(nèi)。可根據(jù)需要隨時(shí)配液補(bǔ)充或在每段壓裂結(jié)束后下橋塞、射孔期間，進(jìn)行配制補(bǔ)充。彭頁HF-1井從水池往儲(chǔ)罐內(nèi)打水時(shí)加入殺菌劑和防水鎖劑，施工中降阻劑和破膠劑為混砂車在線加入。各井滑溜水準(zhǔn)備情況見表4。

表4 各井滑溜水配制統(tǒng)計(jì)

涪頁HF-1井的凝膠基液和彭頁HF-1井的線性膠預(yù)先配出1～2段的用量，隨后根據(jù)需要進(jìn)行配制補(bǔ)充或在每段壓裂結(jié)束后下橋塞、射孔期間，進(jìn)行配制補(bǔ)充。延頁平1井使用的清潔壓裂液為預(yù)先生產(chǎn)的成品，使用時(shí)按比例在線加入。各井壓裂液準(zhǔn)備情況見表5。

表5 各井壓裂液配制統(tǒng)計(jì)

涪頁HF-1井配制了15%的鹽酸80 m3，彭頁HF-1井配制了15%的鹽酸160 m3，延頁平1井將配制好的15%的鹽酸70 m3運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)。

3.2.3 支撐劑 涪頁HF-1井用2具100 m3立式砂罐分別裝入40/70目和30/50目陶粒，一邊施工一邊往罐內(nèi)補(bǔ)充，采用吊車將噸包吊至混砂車砂斗上方將100目陶粒加入；彭頁HF-1井用2具100 m3立式砂罐分別裝入100目和40/70目石英砂，一邊施工一邊往罐內(nèi)補(bǔ)充；延頁平1井使用7臺(tái)10 m3砂罐車輪流倒換進(jìn)行壓裂加砂；各井支撐劑準(zhǔn)備情況見表6。

表6 各井支撐劑準(zhǔn)備情況統(tǒng)計(jì)

3.2.4 壓裂設(shè)備 各井壓裂施工實(shí)際動(dòng)用的主要設(shè)備見表7。其中延頁平1井考慮了設(shè)備就近方便動(dòng)遷的因素，動(dòng)用的壓裂車為2000型和1800型，使用的16臺(tái)離心泵為小排量離心泵，為業(yè)主自行準(zhǔn)備。

表7 壓裂施工主要設(shè)備統(tǒng)計(jì) 臺(tái)

3.3 壓裂施工

涪頁HF-1井完成了10段大型壓裂施工，彭頁HF-1井完成了12段大型壓裂施工，延頁平1井完成了7段大型壓裂施工，各井施工數(shù)據(jù)見表8?？傄毫恐邪诵⌒蛪毫选⒏鞫吻爸盟嵋?、加砂壓裂用液以及泵送橋塞所用液體。施工曲線見圖2～4，圖中曲線不包含小型壓裂和泵送橋塞的部分。其中涪頁HF-1井進(jìn)行了10段12次壓裂；彭頁HF-1井根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況對(duì)泵注程序及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，注入的總液量和總砂量比設(shè)計(jì)均有較大幅度的提高；延頁平1井射孔簇?cái)?shù)調(diào)整后比設(shè)計(jì)多壓了1段。

表8 壓裂施工統(tǒng)計(jì)

圖2 涪頁HF-1井加砂壓裂施工曲線

圖3 彭頁HF-1井加砂壓裂施工曲線

圖4 延頁平1井加砂壓裂施工曲線

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）針對(duì)頁巖氣水平井分段大型壓裂改造的特點(diǎn)，對(duì)壓裂設(shè)備及地面流程進(jìn)行了配套，滿足了當(dāng)前頁巖氣勘探階段壓裂施工的需要，完成了3口頁巖氣水平井的大型壓裂作業(yè)，獲得了可供今后借鑒的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

（2）當(dāng)前的壓裂設(shè)備及地面流程配套與當(dāng)今頁巖氣開發(fā)模式對(duì)壓裂改造的需求存在差距，主要是缺乏大排量的連續(xù)混配設(shè)備，不能實(shí)現(xiàn)大排量、大液量即配即注壓裂施工，也缺乏返排液處理及重復(fù)利用的設(shè)備。

（3）按照頁巖氣“井工廠”開發(fā)模式，今后還需要對(duì)壓裂設(shè)備進(jìn)行配套、升級(jí)和完善，以達(dá)到加快施工速度、減少作業(yè)環(huán)節(jié)、防止壓裂液浪費(fèi)、實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的目的。

［1］ 吳奇，胥云，劉玉章，等.美國(guó)頁巖氣體積改造技術(shù)現(xiàn)狀及對(duì)我國(guó)的啟示［J］.石油鉆采工藝，2011，33（2）：1-7.

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Equipment outfitting and application for large-scale fracturing in shale gas horizontal wells

ZENG Yuchen1, 2, YANG Baojun1

（1. Downhole Service Company of Zhongyuan Petroleum Engineering Co., Ltd., Puyang 457164, China; 2. Petro-king Oilfield Technology Ltd., Shenzhen 518054, China）

To fulfill the necessary of large scale staged fracturing operation in the shale gas horizontal wells, the main fracturing equipment (fracturing units) was optimized according to the concrete requirements of construction well. And then a series of accessorial equipment were matched such as fracturing fluids blending system, low pressure fluids supplying system, vertical sand tanks. The optimized equipment and technology meet the requirements of large scale staged fracturing operation in the shale gas horizontal wells, which is characterized by high pumping rate, large fluids volume, huge proppants volume, various fluids and various proppants involved and long operational time. The new technique was successfully applied in wells Fuye HF-1, Pengye HF-1, and Yanyeping-1. So experiences have been accumulated on the large scale shale gas horizontal wells fracturing equipments outfitting and application, and services capability on the large scale shale horizontal wells stimulation have been enhanced. For ‘well factory’ model of shale gas development in the future, fracturing equipments outfitting and technologies at present are fallen behind the requirement, which need to be improved.

shale gas; large-scale fracturing; fracturing equipment; horizontal well; staged-fracturing

曾雨辰，楊保軍. 頁巖氣水平井大型壓裂設(shè)備配套及應(yīng)用［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（6）：78-82.

TE934.2

A

2013-10-11）

〔編輯 景 暖〕

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0078 – 05

中原油田科技攻關(guān)項(xiàng)目“非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂地面施工配套技術(shù)研究”（編號(hào)：2012220）部分內(nèi)容。

曾雨辰，1963年生。1982年畢業(yè)于西南石油學(xué)院采油工程專業(yè)。原在中原石油工程公司井下特種作業(yè)公司工作，現(xiàn)在深圳市百勤石油技術(shù)有限公司從事油氣增產(chǎn)技術(shù)研究和管理工作，教授級(jí)高級(jí)工程師。電話：13333935733。E-mail：zeng_ yc@126.com。