工廠化壓裂關(guān)鍵地面裝備技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用研究

關(guān)曉輝

（大慶油田裝備制造集團(tuán)吉林分公司，黑龍江 大慶 163000）

工廠化壓裂最早起源于美國(guó)，最開(kāi)始采用的是水力壓裂實(shí)驗(yàn)方式，通過(guò)水的壓力提升油氣井的開(kāi)采效率。在生產(chǎn)技術(shù)不斷提升的情況下，對(duì)壓裂設(shè)備提出了新的要求，包括壓裂液的壓力以及壓液量等。壓裂裝備中包含的設(shè)備主要有混砂、泵注等設(shè)備類(lèi)型。工廠化壓裂施工中包含的設(shè)備數(shù)量多，施工時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)大，因此壓裂設(shè)備要達(dá)到一定的施工要求，工廠化壓裂地面裝備作為重要的設(shè)施，在技術(shù)和工藝方面也獲得巨大的發(fā)展，為后續(xù)工廠化壓裂工程開(kāi)展提供有效的參考。

1 工廠化壓裂關(guān)鍵地面裝備技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 連續(xù)供水裝備

工廠化壓裂技術(shù)施工中需要應(yīng)用大量的水，同時(shí)要控制儲(chǔ)液罐的數(shù)量，有利于對(duì)運(yùn)輸成本和面積的節(jié)約。我國(guó)工廠化壓裂作業(yè)中需要結(jié)合施工場(chǎng)地的水源以及地形等結(jié)構(gòu)，建設(shè)儲(chǔ)液罐和蓄水池，形成多元化的供水方式。并形成配套的移動(dòng)蓄水池和大容量的蓄水罐，并設(shè)置供水泵和分水器，保證供水的效果。移動(dòng)蓄水池在施工中可以重復(fù)利用，而且因?yàn)樾钏乜梢砸苿?dòng)，不需要在現(xiàn)場(chǎng)挖掘，避免造成對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的破壞。對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及不宜實(shí)施挖掘作業(yè)的地區(qū)具有重要作用。

1.2 連續(xù)混配設(shè)備

我國(guó)工廠化壓裂技術(shù)與國(guó)外壓裂作業(yè)技術(shù)間存在一定的差別，我國(guó)壓裂液主要采用濃縮壓裂液、胍膠壓裂液以及滑溜水壓裂液等不同的形式，結(jié)合不同的施工裝備和工藝采用不同的壓裂液，其中我國(guó)當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的壓裂液為混合配制的胍膠壓裂液體系。采用混合罐和射流混合器結(jié)合的混配方式，同時(shí)也包括靜態(tài)混合等多種混合模式。為了更好地滿(mǎn)足工廠化壓裂排放模式，需要滿(mǎn)足連續(xù)施工要求。結(jié)合我國(guó)的壓裂液工藝和配置等需求進(jìn)行配置?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)原有混配車(chē)的改進(jìn)，提升混配排量，同時(shí)還可以形成混配撬以及連續(xù)混配車(chē)等，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的混配車(chē)作業(yè)方式，保證作業(yè)施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)效果和安全性。并構(gòu)建1+N的現(xiàn)場(chǎng)管理模式，做好干料與液體介質(zhì)的添加，在施工中邊施工邊添加，精確調(diào)整注入精度，防止采用傳統(tǒng)的配液方式，影響配液速度，加大勞動(dòng)強(qiáng)度和施工面積，也可以有效避免環(huán)境污染。

1.3 連續(xù)供砂設(shè)備

工廠化壓裂施工中對(duì)砂的需求量多，同時(shí)需要保證比較快的加砂速度。在加砂的過(guò)程中，還需要多次倒砂罐。這種加工方式容易導(dǎo)致間斷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)鋪砂，使施工效果受到影響。因此，為了工廠化壓裂施工的順利開(kāi)展，要做好加砂工藝的改良，將運(yùn)砂、輸砂以及混砂結(jié)合，形成連續(xù)的供砂裝備，保證供砂的效率。提升裝備的研發(fā)質(zhì)量，滿(mǎn)足工廠化壓裂加砂需求。首先，要采用大容量的儲(chǔ)砂罐，當(dāng)前，工廠化壓裂作業(yè)中常用的儲(chǔ)砂罐具有多種形式，包括臥式、立式以及螺旋輸砂蛟龍式等，不同罐的容積也存在一定的差異性，最大的可以達(dá)到200m3，輸砂的速度可以達(dá)到每分鐘5m3，滿(mǎn)足不同粒徑砂礫的輸送和存儲(chǔ)效果。其次，采用連續(xù)輸砂車(chē)。工廠化壓裂輸砂裝備要符合工廠化壓裂的輸送速度，并配置連續(xù)的輸送裝置。當(dāng)前我國(guó)在連續(xù)輸砂裝置中已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種不同的裝備。其一，為輸砂半掛車(chē)，可以將輸砂速度控制在每分鐘5.8m3左右。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)既表現(xiàn)在輸砂的速度方面，又表現(xiàn)在設(shè)備的填料方面，可以在兩側(cè)進(jìn)行同時(shí)喂料，提升運(yùn)輸速度。同時(shí)，還可以對(duì)輸砂量以及儲(chǔ)藏量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。改進(jìn)后，該設(shè)備的作業(yè)高度進(jìn)一步提升，可以滿(mǎn)足7m的運(yùn)輸要求，并完成不同角度的作業(yè)。其二，為連續(xù)輸砂撬，該設(shè)備的運(yùn)輸速度相對(duì)于連輸砂車(chē)效率更大，速度可以達(dá)到每分鐘8m3的運(yùn)輸效果。同時(shí)，還可以自動(dòng)調(diào)節(jié)連續(xù)供砂量。最后，全自動(dòng)連續(xù)輸砂撬。該設(shè)備的輸送速度最快，最高可以達(dá)到每分鐘15m3，而且連續(xù)工作時(shí)間可以延長(zhǎng)到9h以上，產(chǎn)生的誤差比較小。

1.4 連續(xù)泵入設(shè)備

工廠化壓裂施工中對(duì)排放量的需求比較大，一般都可以達(dá)到每分鐘7m3以上，部分壓裂施工的排放量甚至可以超過(guò)每分鐘20m3。從我國(guó)當(dāng)前的工廠化壓裂作業(yè)情況來(lái)看，應(yīng)用混砂車(chē)規(guī)格主要為100～130桶，煤炭混砂車(chē)的施工排放量難以達(dá)到每分鐘17m3的規(guī)格。如果施工中一旦排放量超過(guò)每分鐘17m3，必須同時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)設(shè)備，造成成本的提升和場(chǎng)地占地面積的擴(kuò)展。當(dāng)前針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)研發(fā)出大排量的混合車(chē)，可以達(dá)到240桶的規(guī)格。該設(shè)備的流量速度大大提升，可以達(dá)到每分鐘38m3。此外，該設(shè)備不需要采用傳統(tǒng)的拖車(chē)形式，設(shè)置了更靈活的車(chē)載結(jié)構(gòu)，可以滿(mǎn)足我國(guó)的道路運(yùn)行要求。我國(guó)工廠化壓裂施工中，采用的設(shè)備主要為2000型和2500型壓裂車(chē)的形式，為了有效節(jié)約場(chǎng)區(qū)占地，一般不會(huì)使用多種設(shè)備，較少的設(shè)備便可以完成工廠化壓裂施工要求。同時(shí)，當(dāng)前我國(guó)中石油、中石化等又開(kāi)發(fā)了部分大功率微型的壓裂車(chē)，盡可能縮小體積，提升作業(yè)效率，保證作業(yè)穩(wěn)定性。高低壓管匯總連接方式比較復(fù)雜，而且高壓管長(zhǎng)期受到水的沖擊壓力，容易造成嚴(yán)重的震動(dòng)受損，同時(shí)也可能會(huì)因?yàn)檎嫉孛娣e過(guò)大，影響現(xiàn)場(chǎng)管理。工廠化壓裂施工中一般高低壓管匯總采用6頭或者8頭的形式。其中一個(gè)匯總成的管道可以與2000型以上壓裂車(chē)高壓注入連接，1臺(tái)混砂車(chē)可以同時(shí)對(duì)應(yīng)6～8臺(tái)，保證良好的供液效果。壓排量可以達(dá)到每分鐘5～8立方米。總成高壓管匯的壓力一般會(huì)超過(guò)140MPa。如果工廠化壓裂的排量超過(guò)每分鐘10～16m3，采用兩套設(shè)備便可以達(dá)到要求。此外，為了有效降低工廠化壓裂排量的管線連接以及占地問(wèn)題，還可以采用法蘭式高低壓管的匯總成方式，滿(mǎn)足壓裂施工要求。

1.5 壓裂返排液回收裝置

工廠化壓裂的用水量比較大，同時(shí)，要保證用水量的連續(xù)性，因此，在施工過(guò)程中壓裂形成的返排量也會(huì)增加，導(dǎo)致返排液的速度快，造成資源浪費(fèi)。因此，當(dāng)前已經(jīng)研發(fā)出高效的返排液回收裝置，可以將返排液集中收集，避免造成水資源浪費(fèi)，保證施工效率，同時(shí)滿(mǎn)足環(huán)保理念。針對(duì)這種情況，我國(guó)當(dāng)前已經(jīng)有多個(gè)油田研發(fā)了工廠化壓裂回收壓裂液配套裝置。比如，可以在油田的致密油以及致密氣工廠化壓裂施工中采用該技術(shù)手段，并研發(fā)了精細(xì)過(guò)濾與液體回收罐裝置，可以對(duì)返排液進(jìn)行更全面收集，而且經(jīng)過(guò)處理后這些水可以循環(huán)10次以上。有效減少單井施工用水的50%左右，為致密油氣資源的有效開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供有力的條件。

2 工廠化壓裂關(guān)鍵地面裝備技術(shù)應(yīng)用策略

工廠化壓裂關(guān)鍵地面裝備技術(shù)在壓裂施工中的應(yīng)用，需要針對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)備模式，進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，形成一體化的設(shè)備形式，保證施工效率。

2.1 進(jìn)一步優(yōu)化儲(chǔ)供液設(shè)備

工廠化壓裂關(guān)鍵地面裝備技術(shù)的應(yīng)用中，可以嘗試對(duì)儲(chǔ)液系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，形成過(guò)渡性存儲(chǔ)的方式，保證施工中可以持續(xù)供給，同時(shí)不需要設(shè)置大體積罐體，達(dá)到更好的供應(yīng)效果。傳統(tǒng)液罐方式大部分體積比較大，設(shè)有吸入和排出兩個(gè)不同的端口。設(shè)備的單個(gè)容積一般為50m3，在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，可以采用一罐一車(chē)的運(yùn)輸方式，施工中需要30以上個(gè)罐體聯(lián)合工作，難以準(zhǔn)確控制儲(chǔ)量。改良后的水罐為SHQ210柔性水管，采用折疊骨架、集底座管網(wǎng)以及柔性水囊等結(jié)構(gòu)組成，設(shè)備的容積可以達(dá)到210m3。同時(shí)軟囊可以隨時(shí)更換，采用的材質(zhì)韌性強(qiáng)，使用壽命一般可以達(dá)到8年左右。在安裝中，可以采用吊車(chē)進(jìn)行安裝，并利用拉桿鎖固定，簡(jiǎn)單、快速。并配置可視化液位計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控，自動(dòng)監(jiān)控運(yùn)營(yíng)問(wèn)題并報(bào)警，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理模式，此外，相對(duì)于傳統(tǒng)的罐體，可以有效節(jié)約占地面積75%左右。

2.2 采用電動(dòng)混砂設(shè)備

工廠化壓裂關(guān)鍵地面裝備技術(shù)的應(yīng)用中混砂設(shè)備也是其中一項(xiàng)重要的設(shè)備。通過(guò)電驅(qū)輸砂設(shè)備的采用可以實(shí)現(xiàn)在輸砂過(guò)程中的密閉操作，并構(gòu)建自動(dòng)化的控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)的運(yùn)行中，包括地面上的砂袋破碎、砂的舉升與運(yùn)輸、砂罐存儲(chǔ)以及開(kāi)閘放砂4個(gè)階段。這種電動(dòng)混砂方式相對(duì)傳統(tǒng)的砂塔作業(yè)，操作的方式更簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程操控，提升輸砂的效率。同時(shí)，設(shè)備中采用密閉式的壓裂支撐劑管理手段，可以有效預(yù)防雨水等進(jìn)入污染或者造成施工中的粉塵外泄等。在施工操作中，不需要多個(gè)工位人員的操作和管理，減少吊裝作業(yè)內(nèi)容，消除高空作業(yè)安全隱患。此外，機(jī)械設(shè)計(jì)是模塊化形式，將出砂裝置設(shè)置在裝置底部，并與混砂組合應(yīng)用，利用電動(dòng)裝置進(jìn)行控制，提升支撐劑的切換效果，每分鐘的加砂量可達(dá)到2m3的左右。

2.3 高壓泵注直連技術(shù)

從我國(guó)當(dāng)前的工廠化壓裂技術(shù)施工情況來(lái)看，高壓管匯接井口可以采用6根同徑高壓管。壓裂施工中，如果停泵或者加砂比增大的情況下，如果仍然采用小通徑的管線運(yùn)行容易造成堵塞的問(wèn)題，而且采用的管線數(shù)量多，也會(huì)造成多個(gè)節(jié)點(diǎn)。管線的節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)非節(jié)點(diǎn)位置，更容易損壞。因此，當(dāng)前的技術(shù)改進(jìn)中已經(jīng)形成一體化的大同徑萬(wàn)向直通管匯的方式，一般內(nèi)通徑可以達(dá)到130mm，能夠滿(mǎn)足壓裂施工的排放需求。同時(shí)，降低壓裂施工管線間的摩擦，縮短管件連接流程，提升壓裂的施工效率。大通經(jīng)管匯一般利用萬(wàn)向法蘭組合連接，將各模塊拼接到一起，縮短安裝施工時(shí)間。水力壓裂處理中的設(shè)備包括遠(yuǎn)程監(jiān)控管理技術(shù)、攪拌機(jī)、高壓泵等設(shè)備以及閥門(mén)、軟管等結(jié)構(gòu)。壓裂施工主要是通過(guò)壓裂液體實(shí)現(xiàn)壓力的傳導(dǎo)。高壓會(huì)影響儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)層中形成裂紋，提升滲透效果。水力壓裂施工中，高壓泵是最核心的設(shè)備，直接影響壓裂效果，壓裂泵的工作原理為，通過(guò)攪拌機(jī)將低壓流體抽出，吸入后通過(guò)壓力泵的加壓，將流體從壓裂鉆孔噴出，進(jìn)入到施工位置。

2.4 壓裂裝備技術(shù)發(fā)展方向

工廠化壓裂關(guān)鍵地面裝備技術(shù)應(yīng)用中需要向一體化發(fā)展方向轉(zhuǎn)化，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型的設(shè)計(jì)提升裝備的整體質(zhì)量，降低人工操作的工作量，同時(shí)，激勵(lì)更多設(shè)計(jì)人員加入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)中。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型設(shè)計(jì)一般可以結(jié)合國(guó)內(nèi)外的設(shè)備優(yōu)勢(shì)，提取先進(jìn)點(diǎn)，加強(qiáng)技術(shù)總結(jié)和匯總。并從控制系統(tǒng)方面，提升技術(shù)水平?？茖W(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展下，當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家在壓裂設(shè)備關(guān)鍵地面裝備技術(shù)的控制中，基本上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)化和數(shù)字化的控制模式。同時(shí)，對(duì)作業(yè)提出了較高的標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的手動(dòng)和半自動(dòng)管理模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前的需求。我國(guó)壓裂設(shè)備關(guān)鍵地面裝備技術(shù)也需要向數(shù)字化的方向發(fā)展，形成可視化的操作模式。壓裂裝置控制技術(shù)可以將關(guān)鍵地面裝備技術(shù)的機(jī)械管理控制與作業(yè)系統(tǒng)融合在一起，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目開(kāi)展的合作。控制技術(shù)是壓裂裝置以及整體施工的關(guān)鍵性衡量標(biāo)準(zhǔn)。因此，我國(guó)在工廠化壓裂關(guān)鍵地面裝備技術(shù)的應(yīng)用中，也需要制定科學(xué)的發(fā)展計(jì)劃，保證壓裂裝備技術(shù)的有效應(yīng)用，提升施工水平。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)工廠化壓裂關(guān)鍵地面裝備技術(shù)是當(dāng)前壓裂技術(shù)應(yīng)用中的重要組成部分。從當(dāng)前的技術(shù)應(yīng)用情況來(lái)看，相對(duì)最傳統(tǒng)的技術(shù)，各方面都有所進(jìn)步，可以提升施工的運(yùn)行速度，減小施工設(shè)備的占地面積，提升運(yùn)行效果。但是，相對(duì)西方發(fā)達(dá)國(guó)家的設(shè)備技術(shù)應(yīng)用情況來(lái)看，其中仍然存在諸多的問(wèn)題，影響最終施工效率。因此，還需要結(jié)合當(dāng)前國(guó)際上的領(lǐng)先技術(shù)水平，數(shù)字化發(fā)展模式等，進(jìn)一步探究更科學(xué)的技術(shù)方式。在節(jié)約成本的情況下，保證設(shè)備運(yùn)行的安全性。