頁巖油全電動壓裂裝備配置與作業(yè)技術(shù)研究

張國友

(中石化四機石油機械有限公司)

0 引 言

我國頁巖油資源勘探潛力巨大，大規(guī)模水力壓裂技術(shù)是實現(xiàn)其增產(chǎn)作業(yè)的主要手段。但由于我國頁巖油埋藏深、流動性差，開采難度較大，開發(fā)所配套的全電動壓裂裝備還處于探索中。本文以勝利油田頁巖油壓裂開發(fā)為研究對象，從電動裝備施工現(xiàn)狀、壓裂作業(yè)模式、裝備配置、施工參數(shù)及管線連接等方面，提出了適用于頁巖油開發(fā)的電動壓裂裝備整體配套方法，解決了頁巖油壓裂裝備配套方法缺乏、自動化水平低的問題，對國內(nèi)頁巖油開發(fā)壓裂裝備配套具有借鑒意義。

1 電動壓裂作業(yè)現(xiàn)狀

1.1 裝備分布現(xiàn)狀

電動壓裂作業(yè)在頁巖油和頁巖氣的開發(fā)上已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用[1-3]。電動壓裂裝備以其超大功率、低成本、綠色高效和零排放的優(yōu)點得到廣泛認可。國內(nèi)電動壓裂工作量增長迅速，目前全電動壓裂機組的保有量為28套(單套44 700 kW)，合計約125×104kW。2022年，電動壓裂在川渝地區(qū)頁巖氣壓裂市場的占比為70%以上。但在頁巖油開發(fā)作業(yè)中，電動壓裂裝備的應(yīng)用還較少，還處于起步階段。表1展示了電動壓裂裝備分布現(xiàn)狀。

表1 電動壓裂裝備分布

1.2 頁巖油氣壓裂規(guī)模對比

隨著國內(nèi)頁巖油氣的持續(xù)開發(fā)，平臺井組規(guī)模擴大，持續(xù)作業(yè)更長、施工壓力逐步增大大排量(≥18 m3/min)、強加砂(>2.2 t/m)、新液體體系，使壓裂參數(shù)發(fā)生變化，從單井向平臺井組延伸。具體頁巖油施工規(guī)模對比見表2。勝利頁巖油顯著的特點為井組規(guī)模大(8～20口井/平臺)、排量大。

表2 國內(nèi)頁巖油壓裂規(guī)模對比

勝利頁巖油產(chǎn)區(qū)是我國頁巖油氣重要的產(chǎn)區(qū)之一。勝利頁巖油區(qū)塊地形平坦，交通發(fā)達，供電方便。結(jié)合頁巖氣的施工經(jīng)驗，對該區(qū)塊的大井組和叢式井組，電動壓裂相對傳統(tǒng)的柴驅(qū)壓裂具有明顯的成本優(yōu)勢[4-10]。

2 壓裂裝備作業(yè)模式

2.1 “井工廠”壓裂作業(yè)模式

為提高改造效率和降低作業(yè)成本，頁巖油開發(fā)通常采取“井工廠”壓裂作業(yè)模式。為加強縫間應(yīng)力干擾，提高裂縫復(fù)雜程度，將單口井的壓裂次序由順序壓裂改變成跳躍式壓裂。隨著“井工廠”模式的推廣，優(yōu)化壓裂次序和布井方式，發(fā)展出常規(guī)拉鏈式、改進拉鏈式壓裂技術(shù)，進一步促進形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

樊頁1試驗井組8口井采用“井工廠”作業(yè)模式，優(yōu)選“三三二”壓裂作業(yè)方案，采用多井口同步壓裂技術(shù)，同時創(chuàng)新實施“三同步”循環(huán)交替壓裂施工，促進復(fù)雜縫網(wǎng)形成，增強壓裂施工效果?！叭眽毫咽┕し桨讣磳⒈揪M的8口井分為3個施工單元，分單元分階段進行壓裂施工?！叭健毖h(huán)交替壓裂即同步運行壓裂、泵送橋塞射孔、泵注二氧化碳3道施工工序，降低工序停等，提高施工效率。

2.2 集中供水與返排液處理模式

樊頁1試驗井組地區(qū)水資源豐富，“井工廠”壓裂需要動用液量大(單井用液量3 000 m3)，采用儲液罐儲液所需液罐數(shù)量大，耗費大量準備時間。為保障水源的連續(xù)性，井場周圍通過水渠供水，水源通過周圍河流直接送到井場的水罐中，所需設(shè)備由供水泵、輸水管線、水分配器、水管線過橋等輔助設(shè)備構(gòu)成。

“井工廠”壓裂后返排液液量大。為減少污水排放，提高水資源利用率，需要對壓裂返排液進行處理[8]，主要針對液體返排和混氣液體排放。根據(jù)壓裂返排液返排成分，確定返排液處理工藝，研制出壓裂返排液處理裝置。主要處理工藝為“混凝沉淀+污泥脫水+過濾殺菌”。對于黏度和酸堿性達不到要求的廢水，可采用配套預(yù)處理工藝，即預(yù)氧化+調(diào)節(jié)pH值。處理后的液體可通過加入離子屏蔽劑達到壓裂配液水質(zhì)標準，實現(xiàn)電動壓裂的零排放、零污染。

3 電動壓裂裝備配置

頁巖油開發(fā)壓裂施工具有壓裂作業(yè)功率大、排量大、砂量多、壓力高、連續(xù)作業(yè)時間長、配套裝備多等特點[3-4]，要結(jié)合井?dāng)?shù)、時效、壓力、排量和裝備特性配置機組裝備[11]。

主壓裝備配置12臺5000型電動壓裂橇、5臺2500型壓裂車(2臺主壓備用、3臺泵送)；輔助裝備方面，配置1臺HS26型電動混砂、1套180 m3電動輸砂裝置、1套雙擴式儀表控制裝置以及全自動供液裝置、高壓管匯遠程控制裝置；二氧化碳泵注設(shè)備方面，配置4臺2000型壓裂車、1臺排量8 m3/min二氧化碳增壓裝置、1臺儀表控制車。

3.1 大功率壓裂裝備

勝利頁巖油壓裂為典型的7～24 h連續(xù)作業(yè)工況，在進行功率配置時需要預(yù)留更多的功率儲備，使裝備能夠長時間連續(xù)作業(yè)并配合易損件的更換。壓裂機組的功率儲備根據(jù)工作時間的長短逐步增大，機組應(yīng)用依據(jù)SY/T 5211《壓裂成套裝備設(shè)備功率儲備系數(shù)》標準不低于1.5，其具體原則可參照表3。

表3 壓裂裝備功率儲備系數(shù)參照表

在配置壓裂裝備時，根據(jù)工作壓力來選擇泵柱塞直徑，不同柱塞對應(yīng)不同壓力等級，高沖次會降低效率、產(chǎn)生沖擊并加速磨損，通常希望壓裂裝備以低沖次來完成施工。要滿足施工排量要求，可以通過更換大柱塞直徑、增加裝備數(shù)量的方式實現(xiàn)。更換大柱塞直徑，可增大同沖次下的排量，但壓裂裝備的最高工作壓力又相應(yīng)降低，現(xiàn)場應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合具體情況分析。

壓裂平均施工壓力不超過所選擇裝備壓力等級的80%，否則需配置更高壓力等級的裝備。在樊頁1試驗井組作業(yè)的壓裂裝備為中石化四機石油機械有限公司2500型/5000型壓裂裝備，其中5000型壓裂裝備為主力裝備，配置?127.0 mm柱塞；2500型壓裂車為補充車型，配置?101.6 mm柱塞。根據(jù)5000型電動壓裂裝備的設(shè)計說明書，繪制流量、壓力隨大泵沖次變化圖，如圖1所示。

圖1 5000型電動壓裂裝備不同柱塞流量、壓力變化圖

3.2 連續(xù)輸砂裝置

頁巖油開發(fā)壓裂作業(yè)的加砂強度大幅提升，現(xiàn)場吊砂工作量和效率成為工程瓶頸，采用常規(guī)運砂車供砂方式已經(jīng)不能滿足頁巖油開發(fā)的大型壓裂作業(yè)需求。樊頁1試驗井組使用的連續(xù)輸砂裝置采用雙倉砂罐+連續(xù)輸砂的方式，砂罐理論容積180 m3，最多可同時儲存6種砂子。實測連續(xù)輸砂，裝置最大輸砂量可達210 m3/h。

加砂時，砂袋首先被吊運至位于砂罐下部的破袋器破袋，隨后砂子進入底部的斗式提升機，再由斗式提升機提升至砂罐頂部加砂，有效解決了高空吊砂風(fēng)險大、加砂效率低等問題；適用大砂量連續(xù)加砂需求，完全滿足頁巖油壓裂作業(yè)供砂需求。

3.3 大排量混砂裝置

現(xiàn)場混砂裝置配備了1臺額定排量為26 m3/min的HS26電動混砂橇和1臺額定排量為20 m3/min的柴驅(qū)混砂車。HS26電動混砂裝置采用負壓進砂+高速混合+保壓輸送一體化混排系統(tǒng)，具有攪拌精準混合功能，最大砂比可達40%。采用砂泵與清水泵雙系統(tǒng)協(xié)同運行，清水供液可切換流程實現(xiàn)不進罐增壓排出，滿足“一半清水，一半砂液”的工藝流程。

3.4 自動供液系統(tǒng)

現(xiàn)場供液系統(tǒng)采用雙層水罐結(jié)構(gòu)，儲罐容積2 000 m3，滿足施工要求。供液系統(tǒng)配備了液位自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了一鍵式供液(見圖2)。壓裂液儲罐供水裝置、液位、管匯、閥門等組件全面采用集群化遠程檢測與控制系統(tǒng)，供液流程模擬可視化，實現(xiàn)液位隨施工自動供液計量控制，提升了壓裂供液的精度與施工效果。

圖2 自動供液系統(tǒng)

3.5 供配電及變頻房

現(xiàn)場變頻房整合了高壓變電系統(tǒng)、變頻傳動控制系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)。井場所有供電由35 kV專線提供，所供電網(wǎng)容量不少于40 000 kW，可提供不少于9路10 kV出線柜。

壓裂變頻房的高壓變電系統(tǒng)可接入10 kV電網(wǎng)，輸出AC 3.3 kV、400 V/50 Hz電源。變頻傳動及控制系統(tǒng)采用先進的全數(shù)字變頻控制，利用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和程序控制技術(shù)的結(jié)合，將電動壓裂橇的高壓變電系統(tǒng)、變頻傳動部分、PLC控制系統(tǒng)、遠程操作部分有機聯(lián)系在一起，實現(xiàn)電動壓裂橇的智能化控制。遠程可以監(jiān)控單獨電橇的用電量、功率、電壓、電流等參數(shù)。低壓配電系統(tǒng)配置1套380 V開關(guān)柜，包含380 V總開關(guān)和電動壓裂裝備的用電負荷開關(guān)，滿足AC 400 V/220 V 50 Hz用電設(shè)備的要求?，F(xiàn)場配置的變頻房采用“一拖二”結(jié)構(gòu)，1臺變頻房可控制2臺壓裂裝置的運行，有效減少占地面積。

3.6 智能化儀表控制中心

智能化儀表控制中心用于遠距離控制、顯示和采集施工參數(shù)，是壓裂設(shè)備的控制中心[5]?，F(xiàn)場雙擴式儀表橇采用雙擴展結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空間擴大1倍，集成了供配電、主力裝備、閥門控制、儲液供砂、CO2增壓、供酸供液、數(shù)據(jù)采集等控制和顯示系統(tǒng)，結(jié)合大平臺壓裂工程，實現(xiàn)壓裂作業(yè)裝備的整體控制和數(shù)字化呈現(xiàn)。

儀表控制中心采用集群控制算法，結(jié)合井場電驅(qū)+柴驅(qū)同時配置的情況，構(gòu)建電驅(qū)與柴驅(qū)裝備“一個網(wǎng)絡(luò)，兩種終端”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。壓裂機組設(shè)備可實現(xiàn)自由組網(wǎng)，機組遠程智能PC操作，所有設(shè)備信息組網(wǎng)共享，可實現(xiàn)40臺油電混合壓裂主輔裝備的集中控制；技術(shù)人員可在電腦和手機客戶端實時監(jiān)視裝備在線情況，各項數(shù)據(jù)可及時傳到儀表控制中心。

3.7 高壓管匯系統(tǒng)

高壓管線的作用是將壓裂泵車泵出的高壓流體輸送至井口，因為流體壓力大、輸液量大，高壓管線是壓裂施工中最易出問題的部位[6]。在安裝高壓管線時，要確保管線緊貼地面并做固定處理，受力部位不架空，用井架游動滑車懸吊井口彎頭，從而減少管線在高壓下的震動；并且高壓管線周邊要留足空間，以防止意外斷脫造成的高壓甩動。因高壓管線易出故障，為保證順利施工，應(yīng)儲備一些諸如高壓彎頭、旋塞閥、短節(jié)等易損設(shè)備，每種高壓件的儲備量應(yīng)不低于使用量的10%。

(1)高壓壓裂管匯。高壓管匯橇由3個高壓管匯模塊單元組成。管匯為大通徑結(jié)構(gòu)，內(nèi)通徑180 mm，工作壓力等級140 MPa；具備20個高壓管匯接口，管匯接口與壓裂撬排出口相連，配置16個液控平板閥+4個液控旋塞閥，可實現(xiàn)遠程開關(guān)。

(2)分流管匯。分流管匯一次連接3口井(1井、3井、7井)，每路分流管匯安裝手動、液控平板閥及6口壓裂頭1個，通過液控平板閥實現(xiàn)遠控，如圖3所示。

圖3 分流管匯流程及管匯圖

(3)放噴管匯。放噴管匯由試氣隊連接，接測試流程(補屑器、除砂器、分離器等)。放噴通過井口4個手動閘板閥分兩路，與測試流程管匯連通，要實現(xiàn)放噴管匯遠控，需采用液控閘板閥替代手動閘板閥。

現(xiàn)場配置的140 MPa遠程控制高壓管匯系統(tǒng)采用可視化模擬壓裂液流道界面，控制壓裂大通徑高壓管匯的閥門。在局部施工出現(xiàn)故障時，可通過遠程帶壓操控關(guān)閉閥門，及時隔離故障設(shè)備，增強連續(xù)作業(yè)能力，避免人工進入高壓區(qū)關(guān)閥作業(yè)，提升安全系數(shù)。

4 結(jié)論與認識

(1)建立了適用于頁巖油開發(fā)壓裂工況的裝備配置方案，采用油電混合作業(yè)模式，以電動壓裂裝備為主、柴驅(qū)壓裂泵車為輔，配套各類輔助裝備，完成頁巖油開發(fā)壓裂作業(yè)，為頁巖油開發(fā)電驅(qū)壓裂裝備的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

(2)采用“井工廠”壓裂施工模式，實行多口井交替同步壓裂，在促進復(fù)雜縫網(wǎng)形成、增強壓裂施工效果的同時可有效提高壓裂施工效率。

(3)國產(chǎn)電動壓裂裝備可充分滿足頁巖油開發(fā)壓裂作業(yè)需求，與傳統(tǒng)的柴驅(qū)壓裂設(shè)備相比，電動壓裂裝備具有作業(yè)成本低、效率高、零污染、零排放的特點。電動壓裂是未來頁巖油儲層改造實現(xiàn)低成本綠色開發(fā)的發(fā)展趨勢。