頁巖氣水平井大型壓裂設備配套及應用

曾雨辰楊保軍

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

頁巖氣水平井大型壓裂設備配套及應用

曾雨辰1，2楊保軍1

（1.中原石油工程公司井下特種作業公司，河南濮陽 457164；2.深圳市百勤石油技術有限公司，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，根據施工井的具體情況對主要壓裂設備（壓裂機組）進行了優化配置，并配套了壓裂液混配設備、低壓供液系統、立式砂罐等輔助壓裂設備，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、施工時間長的工藝要求。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，為頁巖氣水平井大型壓裂施工設備配套及應用積累了經驗，增強了頁巖氣水平井大型壓裂施工服務的能力。對今后頁巖氣 “井工廠”模式的開發，目前的壓裂設備配套與壓裂工藝對設備的需求還有一定的距離，需要加以完善。

頁巖氣；大型壓裂；壓裂設備；水平井；分段壓裂

頁巖氣儲層具有典型的低孔低滲物性特征，所有的井都需要實施壓裂改造才能使天然氣被開采出來。北美頁巖氣開發的成功經驗表明，水平井加分段大型壓裂技術是頁巖氣勘探開發的關鍵技術。與常規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、施工時間長等特點。壓裂施工所配套的設備及地面流程要適應頁巖氣壓裂的這種特點才能滿足頁巖氣水平井儲層壓裂現場施工需要。

“中原井下”現有的7套壓裂機組，泵車總數達到50臺，主力機型為2500HHP和2000HHP壓裂車，總施工水馬力達到105600HHP。由于壓裂設備分布在不同的施工區域，在具體井施工時，需要根據現場實際對參與施工的設備配置進行優化、調配。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中，對頁巖氣井大型壓裂所需設備及地面流程進行了初步配套。在此基礎上，針對頁巖氣水平井分段大型壓裂的需要，對壓裂設備及地面流程做了進一步的配套完善，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 主要壓裂設備

1.1 壓裂泵車

目前壓裂泵車主力機型為2500HHP和2000HHP壓裂車。頁巖氣水平井的壓裂特點使壓裂設備的工作狀況發生了較大的變化，壓裂泵車持續工作時間長，需要更多的泵車進行儲備。壓裂泵車配置除考慮壓裂設計總功率外，還需根據泵車的連續工作時間選擇泵車功率儲備系數（見表1），由此確定壓裂泵車的型號和數量。

表1 壓裂泵車功率系數確定原則

在使用泵車時可以參考SPM壓裂泵（QWS2500 CLASSIC）工作周期曲線（見圖1）來確定單臺泵車的壓力、排量和工作時間。圖中藍色區域對大泵的使用最為有利，大泵可以長時間工作。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。但通常這個條件難以滿足，特別是壓力方面，這就需要從大泵的工作時間進行有效安排，盡量減小高功率下的工作時間。

圖1 QWS2500 CLASSIC泵工作周期曲線

2500HHP壓裂車使用?101.6 mm柱塞時最大排量2.47 m3/min，對應工作壓力45.3 MPa；最高工作壓力123 MPa，對應工作排量0.867 m3/min。使用?95.25 mm柱塞時最大排量2.17 m3/min，對應工作壓力51.5 MPa；最高工作壓力140 MPa，對應工作排量0.76 m3/min。2000HHP壓裂車最大排量2.48 m3/min，對應工作壓力36 MPa；最高工作壓力103 MPa，對應工作排量0.48 m3/min。依據上述原則，選用2500HHP壓裂車作為頁巖氣水平井分段大型壓裂用車，在2500HHP壓裂車數量不足的情況下用2000HHP壓裂車進行補充。

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的混砂車為主力機型，按85%的能力進行考慮，單臺混砂車可以進行施工排量≤13 m3/min的壓裂施工，頁巖氣壓裂注液量大、施工時間長，需要備用1臺混砂車。如果施工排量在13～26 m3/min之間，則需要2臺混砂車同時工作，同樣需要備用另外的混砂車。

1.3 儀表車

儀表車用于遠距離采集和顯示施工參數，進行實時數據采集、施工監測及裂縫模擬并對施工的全過程進行分析。由于不同的壓裂設備配套不同的儀表車操控、采集系統，不能互聯、互換使用，因而需要根據泵車、混砂車的型號配置相應的儀表車。當不只一臺儀表車用于施工時，將操控混砂車的儀表車作為主儀表車，通過對講機通話方式下達指令給其他儀表車實現對壓裂泵車的操控。

1.4 管匯車

管匯車主要用于運載和吊裝高壓管匯、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、長時間對高壓管件的沖刷磨蝕，采用雙管匯系統，通過4根?76 mm高壓管線連接至壓裂井口。

2 輔助壓裂設備

2.1 壓裂液混配設備

頁巖氣井大型壓裂需要大排量、大液量連續作業，傳統的液體配制及使用方式不能滿足施工需要。國外通常采用連續混配車與化學添加劑比例泵車與混砂車相連，井場液罐只需存儲清水，化學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，實現了壓裂液的即配即注，而連續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，設計額定排量為8.0 m3/ min，實際使用排量不超過6 m3/min，盡管是當前國內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，配液速度比傳統配液工藝快3～5倍。使用一定量的膠液儲罐預先配滿，施工時隨時配液補充至罐內，不會影響施工。

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行配制。

2.2 低壓供液系統

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，可實現供液罐之間及與混砂車的合理有效連接。2臺額定排量為864 m3/ h的離心泵用于儲水池向液罐供水。這些配套設施確保了頁巖氣井大排量、大液量施工的連續供液。

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量及加砂臺次，在倒換砂罐車時還會造成加砂不均勻現象出現，加上山區井場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2種支撐劑進行分裝，依靠重力自流，單罐的供砂速度可達3 m3/min。當需要加3種粒徑的支撐劑時，其中用量最少的1種采取吊裝加入混砂車砂斗的方法，初步滿足了現場壓裂加砂的需要。

3 現場施工

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套管注入方式對水平段頁巖層進行逐段大型壓裂改造。涪頁HF-1井和彭頁HF-1井第1段采用連續油管傳輸射孔，延頁平1井第1段采用爬行器拖動射孔槍電纜傳輸射孔，射后進行第1段壓裂。從第2段起至后續各段均采用水力泵送式快鉆橋塞隔離+電纜射孔聯作后進行壓裂的工藝，逐段進行封堵、射孔、壓裂作業。每口井第1段主壓裂前均進行小型壓裂試驗，每個壓裂段先注入酸液進行預處理，再進行主壓裂施工。待所有段都壓裂完成后，最后再進行鉆塞、排液、試氣作業。3口井的主要壓裂設計參數見表2。

表2 3口頁巖氣井主要壓裂設計參數

各井施工由多支專業技術隊伍協同完成，其中“中原井下”負責壓裂作業，國際知名服務公司負責橋塞+射孔聯作作業，試氣作業以及連續油管施工由其他國內專業隊伍負責。

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，凍膠階段連續加砂，貝克休斯公司提供橋塞+射孔聯作和壓裂液服務。

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，線性膠階段連續加砂，哈里伯頓公司提供橋塞+射孔聯作和壓裂液服務。

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

孔聯作服務，使用延長石油集團研究院研制的壓裂液。

3.2 壓裂施工準備

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，各井壓裂井口級別及主通徑見表3。

表3 各井壓裂井口參數

3.2.2 壓裂液 涪頁HF-1井和延頁平1井現場預先配制一定量的滑溜水濃縮液，施工時按比例與清水混合注入井內。可根據需要隨時配液補充或在每段壓裂結束后下橋塞、射孔期間，進行配制補充。彭頁HF-1井從水池往儲罐內打水時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。各井滑溜水準備情況見表4。

表4 各井滑溜水配制統計

涪頁HF-1井的凝膠基液和彭頁HF-1井的線性膠預先配出1～2段的用量，隨后根據需要進行配制補充或在每段壓裂結束后下橋塞、射孔期間，進行配制補充。延頁平1井使用的清潔壓裂液為預先生產的成品，使用時按比例在線加入。各井壓裂液準備情況見表5。

表5 各井壓裂液配制統計

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運送到現場。

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補充，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補充；延頁平1井使用7臺10 m3砂罐車輪流倒換進行壓裂加砂；各井支撐劑準備情況見表6。

表6 各井支撐劑準備情況統計

3.2.4 壓裂設備 各井壓裂施工實際動用的主要設備見表7。其中延頁平1井考慮了設備就近方便動遷的因素，動用的壓裂車為2000型和1800型，使用的16臺離心泵為小排量離心泵，為業主自行準備。

表7 壓裂施工主要設備統計 臺

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，各井施工數據見表8。總液量中包含了小型壓裂、各段前置酸液、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井進行了10段12次壓裂；彭頁HF-1井根據現場施工情況對泵注程序及時進行調整，注入的總液量和總砂量比設計均有較大幅度的提高；延頁平1井射孔簇數調整后比設計多壓了1段。

表8 壓裂施工統計

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 結論與認識

（1）針對頁巖氣水平井分段大型壓裂改造的特點，對壓裂設備及地面流程進行了配套，滿足了當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，獲得了可供今后借鑒的實踐經驗。

（2）當前的壓裂設備及地面流程配套與當今頁巖氣開發模式對壓裂改造的需求存在差距，主要是缺乏大排量的連續混配設備，不能實現大排量、大液量即配即注壓裂施工，也缺乏返排液處理及重復利用的設備。

（3）按照頁巖氣“井工廠”開發模式，今后還需要對壓裂設備進行配套、升級和完善，以達到加快施工速度、減少作業環節、防止壓裂液浪費、實現環境保護的目的。

［1］ 吳奇，胥云，劉玉章，等.美國頁巖氣體積改造技術現狀及對我國的啟示［J］.石油鉆采工藝，2011，33（2）：1-7.

［2］ 鄧世彪，邱杰，張宏，等.大型壓裂施工裝備優化配套［J］.石油機械，2011，39（9）：89-91.

［3］ 吳漢川，劉伯修.非常規天然氣勘探開發中壓裂裝備的研制［J］.石油天然氣學報，2011，33（6）：372-374.

［4］ 葉登勝，尹叢彬，蔣海，等．四川盆地南部頁巖氣藏大型水力壓裂作業先導性試驗［J］.天然氣工業，2011，31（4）：48-50.

［5］ 曾雨辰，楊保軍，王凌冰.涪頁HF-1井泵送易鉆橋塞分段大型壓裂技術［J］.石油鉆采工藝，2012，34（5）： 75-80.

［6］ 薛承瑾.頁巖氣壓裂技術現狀及發展建議［J］.石油鉆探工藝，2011，39（3）：24-29.

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備配套及應用［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

中原油田科技攻關項目“非常規儲層壓裂地面施工配套技術研究”（編號：2012220）部分內容。

曾雨辰，1963年生。1982年畢業于西南石油學院采油工程專業。原在中原石油工程公司井下特種作業公司工作，現在深圳市百勤石油技術有限公司從事油氣增產技術研究和管理工作，教授級高級工程師。電話：13333935733。E-mail：zeng_ yc@126.com。