西南地區(qū)大型頁巖氣壓裂輸砂系統(tǒng)研制

張樹立，張日奎，張德愛

（1.煙臺杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司，山東煙臺 264003；2.山東東潤儀表科技股份有限公司，山東煙臺 264003）

0 引言

我國頁巖氣儲量豐富，根據(jù)全國第四次油氣資源評價，我國頁巖氣資源量為80.4 萬億立方米，技術(shù)可采資源量為12.9 萬億立方米[1]。國土資源部組織開展的全國首次頁巖氣資源潛力調(diào)查評價結(jié)果顯示，我國頁巖氣地質(zhì)資源量為134.42 萬億立方米，可采資源量為25.08 萬億立方米[2]。根據(jù)美國能源信息署（EIA）2013 年的評價結(jié)果顯示，我國頁巖氣可采資源量達31.6 萬億立方米，EIA2019年的評價數(shù)據(jù)為36 萬億立方米，居世界第一[3-4]。

中國頁巖氣資源主要分布在四川、重慶、新疆、貴州、湖南、湖北、陜西等省份，占比近全國頁巖氣總量的70%[5]，勘探開發(fā)潛力巨大，已經(jīng)成為我國主要的油氣資源。作為我國的主要氣藏類型之一，頁巖氣產(chǎn)量2019年為153.8 億立方米，2020 年達到200.4 億立方米，2021 年達到230 億立方米，已經(jīng)成為我國天然氣增產(chǎn)的主力軍。預(yù)計到2030 年產(chǎn)量將突破800～1000 億立方米[6]。因為頁巖氣藏具有超低滲透率和低孔隙度，所以開發(fā)井需要進行多層或者多段大規(guī)模水力壓裂處理，才能保證頁巖氣藏經(jīng)濟性生產(chǎn)。壓裂增產(chǎn)技術(shù)是頁巖氣成功開發(fā)的核心技術(shù)之一。經(jīng)過近10 年的發(fā)展，不論是水力壓裂還是泡沫壓裂都得到了快速發(fā)展，直井多層壓裂、水平井多段壓裂、同步壓裂技術(shù)都逐漸成熟。

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，鉆井的深度越來越深，由開始的水平段1000 多米發(fā)展到現(xiàn)在的3000 多米。壓裂的單井段數(shù)也越來越多，由開始的10 多段發(fā)展到現(xiàn)在的30 段以上，注液量和加砂強度也越來越大。2020年5 月7 日四川瀘縣的陽101H2-7 井完成2030 m 的水平段33 段壓裂施工，注入砂量7000 多噸，該井單段最高加砂強度達到每米5.56 t，創(chuàng)下國內(nèi)埋藏3500 m深頁巖氣井單段加砂強度最高紀錄（湖北日報報道）。2021 年4 月17 日，位于重慶市南川區(qū)境內(nèi)的頁巖氣井勝頁9-2HF 井在6455 m 位置順利完鉆，水平段長3583 m，壓裂段數(shù)50 段，創(chuàng)國內(nèi)頁巖氣井水平段長和壓裂段數(shù)的新紀錄（新華社報道）。

隨著壓裂技術(shù)水平的提高，壓裂作業(yè)的速度也在不斷加快，已經(jīng)由最初的平均2～3 段/d 提升到現(xiàn)在平均6～8 段/d。2021 年3 月25 日，重慶市南川區(qū)境內(nèi)勝頁2-11HF 井完成12 段壓裂施工，創(chuàng)國內(nèi)頁巖氣水平井單日單井單機組壓裂段數(shù)最高紀錄。隨著工廠化頁巖氣井平臺和同步壓裂的開展，大規(guī)模的壓裂井場和壓裂作業(yè)逐漸成為常態(tài)的開發(fā)方式。2022 年3 月22日，重慶市涪陵頁巖氣田焦頁12 擴平臺完成壓裂作業(yè)，此次施工用時50 d，完成12 口氣井共計303 段的壓裂施工任務(wù)，累計加砂2.61 萬立方米、加液47.2 萬立方米，試氣水平段總長度超2 萬米，創(chuàng)下國內(nèi)頁巖氣開發(fā)單平臺壓裂井數(shù)最多、段數(shù)最多、加液量最多、加砂量最多、單機組效率最高等5 項施工紀錄。

隨著工廠化頁巖氣井平臺和同步壓裂的發(fā)展，大規(guī)模的壓裂井場和壓裂作業(yè)逐漸成為常態(tài)的開發(fā)方式?，F(xiàn)階段，大規(guī)模的水力壓裂給供砂系統(tǒng)帶來了前所未有的巨大挑戰(zhàn)，以往我國的常規(guī)壓裂采用運砂車給混砂車供砂[7]。但頁巖氣壓裂作業(yè)所需砂量巨大，每層/段的用砂量達70～100 m3，常規(guī)的運砂車無法滿足壓裂作業(yè)需求，因此必須針對大規(guī)模壓裂工況設(shè)計新的輸砂系統(tǒng)來滿足作業(yè)要求。

北美的致密油氣和頁巖氣大型壓裂技術(shù)較為成熟，其輸砂系統(tǒng)基本上可分為兩種形式。一種是Sandking——儲砂輸砂半掛車，其容積60～80 m3，內(nèi)部分割成5～6 個料倉用于儲存不同目數(shù)的壓裂砂。設(shè)備下部和尾部是皮帶輸送機，通過開啟不同料倉下部的閥門控制皮帶輸送機為混砂車供砂，如圖1a）所示。另一種是兩排立式砂罐組，不同的罐內(nèi)裝載不同目數(shù)的壓裂砂，在兩排砂罐中間配置雙皮帶輸送機，通過開啟不同砂罐下部的閥門控制皮帶輸送機為混砂車的供砂量，如圖1b）所示。這兩種輸砂系統(tǒng)的輸砂方式均為運砂車經(jīng)氣力輸送壓裂砂至倉內(nèi)或罐中。我國西南地區(qū)頁巖氣儲藏主要以山地為主，常規(guī)的壓裂供砂系統(tǒng)主要以立式砂罐為主，但我國的壓裂砂運輸和北美不同，不是通過氣力輸送運砂車運輸，而是使用卡車袋裝運輸?shù)阶鳂I(yè)現(xiàn)場，然后通過吊車吊起、人工破袋的方式加入罐內(nèi)（圖2）?，F(xiàn)場勞動強度大，安全隱患多，需要新的作業(yè)模式來改變現(xiàn)狀[7-8]。煙臺杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司通過對北美的輸砂模式的研究，并結(jié)合國內(nèi)的運輸模式，研制了新型的壓裂輸砂系統(tǒng)以適應(yīng)中國西南地區(qū)大型頁巖氣壓裂的需要。

圖1 北美大型頁巖氣壓裂供砂系統(tǒng)

圖2 西南地區(qū)大型頁巖氣壓裂供砂系統(tǒng)

1 總體介紹

1.1 方案設(shè)計

我國西南地區(qū)頁巖氣開發(fā)通常采用工廠化壓裂的方式，即設(shè)備在施工現(xiàn)場布置好后，會保持一個相對固定的位置持續(xù)作業(yè)3～4 個月。因此該產(chǎn)品可以采用現(xiàn)場組裝的方式，即設(shè)備可以拆解成不同的組成部分，分開運輸，抵達井場后再進行組裝。

如圖3 所示，新型頁巖氣壓裂輸砂系統(tǒng)主要由基座、儲砂罐、皮帶輸送機、皮帶輸送機喂料斗、吊架、操控室等結(jié)構(gòu)組成，與其相連作業(yè)的組成包括：砂袋、運砂車和混砂設(shè)備。圖示方案采用2 套皮帶運輸機和2 套吊裝機構(gòu)。其中，基座作為整個設(shè)備的底座，安裝在相對平坦的地面上。儲砂罐集儲砂、卸砂功能于一體，儲砂罐的最上層用于接收來自皮帶輸送機從地面輸送到罐頂?shù)膲毫焉?，罐頂有加砂口，壓裂砂通過加砂口加入到儲砂罐內(nèi)。儲砂罐的最下層有1 個總卸料口，儲砂罐內(nèi)的壓裂砂通過該卸料口給混砂設(shè)備加砂。吊架設(shè)置2 套吊裝機構(gòu)，可以分別獨立運行或者同時運行，將運輸?shù)浆F(xiàn)場的袋裝壓裂砂從運砂車的車廂內(nèi)吊起后自動運行定位到皮帶輸送機的喂料斗的正上方，然后自動下落，采用破袋或者免破袋的形式，將砂袋內(nèi)的壓裂砂加入皮帶輸送機的加砂斗內(nèi)。設(shè)備的動力由外接電源驅(qū)動各個系統(tǒng)的電機實現(xiàn)。該方案的主要規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備主要規(guī)格參數(shù)

圖3 頁巖氣壓裂輸砂系統(tǒng)

結(jié)合作業(yè)現(xiàn)場需求，該產(chǎn)品配套的2 套皮帶運輸機與2 套吊裝機構(gòu)大大提高了供砂效率，且通過現(xiàn)場組裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足山區(qū)井場的道路運輸條件。

1.2 作業(yè)流程（圖4）

圖4 儲砂、輸砂作業(yè)流程

（1）運砂車行駛到皮帶輸送機加砂斗的旁邊。

（2）操作人員在運砂車的車廂里將砂袋的吊帶掛在吊裝機構(gòu)的吊鉤上。

（3）操控室內(nèi)的操作人員通過遙控器控制吊裝機構(gòu)將砂袋手動運行或通過“一鍵定位”自動運行定位到皮帶輸送機加砂斗的正上方。

（4）手動控制或者自動控制砂袋下落，砂袋底部被加砂斗內(nèi)的破袋器刺破，壓裂砂流到加砂斗內(nèi)。

（5）加砂斗內(nèi)的壓裂砂經(jīng)過皮帶輸送機輸送到砂罐的頂部，然后經(jīng)卸料口加入到儲砂罐的料倉內(nèi)。

（6）加砂結(jié)束后，將吊裝機構(gòu)的吊鉤手動控制或者通過“一鍵定位”自動控制定位到運砂車輛車廂的合適位置，繼續(xù)下一個循環(huán)作業(yè)。

（7）砂罐內(nèi)安裝有高位和低位物位傳感器，一旦檢測到高位，遙控器及設(shè)備會發(fā)出聲光報警，操作人員停止給輸送帶供砂。

（8）砂罐底部的卸料口閘板通過電動缸實現(xiàn)開關(guān)，可由操作人員站在混砂車上通過遙控器操控給混砂設(shè)備的砂斗供砂。

2 結(jié)構(gòu)特點

頁巖氣壓裂輸砂系統(tǒng)主要由儲砂罐、皮帶輸送機、砂袋自動吊裝系統(tǒng)、電氣與操控系統(tǒng)等組成。

2.1 儲砂罐

儲砂罐共分為3 層，按順序上下疊放并安裝在基座上（圖5）。儲砂罐的儲砂量最大可達120 m3。其內(nèi)部分為4 個砂倉，最上層有4 個加砂口，壓裂砂可通過這4個加砂口加入至儲砂罐不同的砂倉內(nèi)，罐頂同時配置4個應(yīng)急加砂口和2 個應(yīng)急加砂斗，可在輸送機出現(xiàn)故障時應(yīng)急加砂。一層罐下方有1 個總卸料口，儲砂罐中的壓裂砂經(jīng)該卸料口卸料至混砂設(shè)備，卸料口的開閉通過電動閘板控制。在一層罐的橇架內(nèi)配置電控柜、電纜卷盤、線纜工具箱等結(jié)構(gòu)。

圖5 儲砂罐總成

2.2 皮帶輸送機

皮帶輸送機用于將自動吊裝系統(tǒng)卸到皮帶輸送機加砂斗內(nèi)的壓裂砂輸送至儲砂罐的砂倉內(nèi)，由外接380 V 電源的電機驅(qū)動，單個皮帶輸送機的最大輸砂能力為1.5 m3/min。該設(shè)備總成主要包括輸砂皮帶、拖輥、驅(qū)動滾筒、從動滾筒、機架等（圖6）。皮帶輸送機頂部加砂口設(shè)置分料閥，通過分料閥將壓裂砂分加至儲砂罐不同的砂倉內(nèi)，單條皮帶輸送機對應(yīng)儲砂罐的2 個加砂口，可以將壓裂砂分別投到2 個不同的砂倉內(nèi)。

圖6 皮帶輸送機

2.3 砂袋自動吊裝系統(tǒng)

吊架系統(tǒng)包括底座、操控室、左立架、右立架、吊機框架、防雷裝置、組合吊等（圖7）。該吊架系統(tǒng)含2 套吊裝機構(gòu)，吊機的吊鉤可在豎直方向以及水平面內(nèi)的橫向和縱向移動以滿足不同吊裝位置的需求，作業(yè)時2 臺吊機可同時工作或互為備用。設(shè)備上設(shè)置2 個操控室，每個操控室內(nèi)都可以由1 個操作手分別對各自的皮帶輸送機以及吊機的動作進行控制，控制皮帶輸送機的運轉(zhuǎn)和砂袋的吊運及投放。

圖7 吊裝系統(tǒng)

2.4 電氣與操控系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)的主要作用是為儲砂輸砂系統(tǒng)電機、儀表、控制器、照明等供電并進行控制。系統(tǒng)所有的運行狀態(tài)通過面板指示燈和顯示屏顯示，包括砂罐高/低料位報警以及皮帶實際作業(yè)的料口位置、下砂閘板開度等。

操控系統(tǒng)以安裝在設(shè)備上的正壓防爆控制室操控為主，以遠程遙控器操作為輔，1 臺設(shè)備上可以安裝2個操控室。操控系統(tǒng)的主要功能包括吊裝系統(tǒng)的吊鉤在水平面內(nèi)的橫向和縱向移動，吊鉤在豎直方向的移動，吊鉤的自動定位和自動下落，吊裝系統(tǒng)的急停，皮帶輸送機的運行和停止，砂罐底部閘板的開度調(diào)節(jié)，砂罐頂部皮帶輸送機卸料閥的自動開關(guān)和切換，儲砂罐內(nèi)料位信息監(jiān)測，設(shè)備的緊急停止，電源開關(guān)等。

設(shè)備的控制分為手動控制和自動控制。手動控制時每個操控室內(nèi)都可以有1 位操作人員，2 個操作人員可以各自對1 套皮帶輸送機和吊裝系統(tǒng)進行控制，也可以使用遠程遙控器在控制室外進行操作控制。自動控制時吊鉤能夠根據(jù)程序設(shè)定自動定位和循跡進行吊裝作業(yè)，砂罐底部的閘板根據(jù)下游混砂設(shè)備輸砂絞龍料斗內(nèi)的砂位自動開關(guān)和開度調(diào)節(jié)。

3 性能測試與應(yīng)用

產(chǎn)品制造完成后，依據(jù)Q/0613YJR004—2020《儲砂輸砂設(shè)備》和產(chǎn)品測試大綱在廠內(nèi)進行了全面的性能測試。包括整個設(shè)備的組裝用時測試、吊裝系統(tǒng)吊裝用時、吊裝系統(tǒng)的自動定位功能測試、皮帶輸送機的輸砂能力測試以及本地操控和遙控系統(tǒng)等各系統(tǒng)的測試。各項測試數(shù)據(jù)和性能指標達到設(shè)計要求，運行穩(wěn)定可靠。

設(shè)備完成廠內(nèi)測試后在川渝地區(qū)進行了油田現(xiàn)場試用（圖8），現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求，設(shè)備運行穩(wěn)定，可靠性高，滿足油田現(xiàn)場的使用要求。

圖8 設(shè)備試用現(xiàn)場

4 結(jié)束語

西南地區(qū)大型頁巖氣壓裂輸砂系統(tǒng)是針對于非常規(guī)油氣田大規(guī)模壓裂施工而研究開發(fā)的，特別適用于西南地區(qū)頁巖氣“工廠化”壓裂的儲供砂作業(yè)。具有安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)保的特點，彌補了常規(guī)吊砂作業(yè)模式的不足。該輸砂系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）先進性：解決了同行業(yè)同類產(chǎn)品在“安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)?！? 個方面存在的不足。向“無人化、智能化”井場邁了一大步，加快了“四化井場”的建設(shè)步伐。

（2）突破性：該產(chǎn)品沒有任何原型，屬于世界首創(chuàng)。打破了頁巖氣壓裂現(xiàn)場的傳統(tǒng)儲供砂作業(yè)模式。設(shè)備功能和性能的突破帶來了施工工藝的突破。

（3）實用性：樣機在川渝地區(qū)頁巖氣壓裂現(xiàn)場成功應(yīng)用，獲得中石油客戶的高度認可。

（4）推廣性：中國石油天然氣集團公司要求各鉆探公司推廣使用。該產(chǎn)品在成都舉行的中石油“壓裂裝備標準化和規(guī)范化技術(shù)研討會”上被列為中石油采購的“標準”型產(chǎn)品。