工廠化壓裂提速提效關鍵裝備分析

李雙鵬， 朱孟偉， 賀殷凱， 李茂林， 陳陽， 杜海波

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721000；2. 川慶鉆探井下作業公司，成都610051；3. 四川寶石機械專用車有限公司，四川 廣漢618000；4. 四川寶石機械石油鉆頭有限責任公司，成都610052）

0 引 言

近年來，國家持續加大非常規油氣資源的勘探開發力度，四川頁巖氣、長慶致密油氣、新疆瑪湖致密油等重點開發區域建產規模逐年增大，壓裂作業大幅增加，為提高作業效率，降低作業成本，工廠化壓裂逐漸成為現今主流的作業模式，為壓裂業務帶來了新的機遇和挑戰。國內鉆探公司也不斷探索對現有壓裂及配套設備的高效利用，保證壓裂作業的提速提效，由于沒有統一的規范指導，各家裝備配置沒有一個統一的標準規范。

1 國外工廠化壓裂現狀

圖1 北美地區頁巖氣壓裂現場

圖2 我國頁巖氣壓裂現場

在二十一世紀以后，美國的水平井施工成功應用在頁巖氣作業方式上，特別是近幾年美國加大了對頁巖氣的開采力度，工廠化壓裂逐漸被國內外各大油服公司所接受。目前北美通過優化壓裂工藝參數設計，降低壓裂液注入量；增加壓裂段數量，縮短段間距長度，增大加砂量，從而提高壓裂效率；并不斷試驗和應用新工藝，如滑套壓裂和可溶式橋塞等，增效顯著。

2 國內工廠化壓裂現狀

目前，我國先后設立了延安、長寧-威遠、昭通和涪陵4個頁巖氣國家級示范區[1]，開發進程逐年加快，近年來“工廠化”作業模式被廣泛應用到頁巖氣開發中。而目前致密油氣區地形地貌以山地、丘陵為主，大面積井場布置困難；非常規油氣資源普遍具有埋藏深、滲透率低及儲層敏感性強的特性，對壓裂設備性能提出了更高的要求[2]。目前我國工廠化壓裂技術的發展還處在探索和試驗階段，還沒有針對工廠化壓裂作業模式制定裝備配套方案與標準，各工程作業公司一般根據自身條件進行個性化配置，無法滿足高效經濟的工廠化作業模式要求。

3 工廠化壓裂提速提效建議

為加快工廠化壓裂施工效率，以降本增效為目的，推進頁巖氣產業快速發展。針對目前國內工廠化壓裂施工的特點，從壓裂施工流程、設備配置等方面提出參考建議，實現資源集約化，以促進工廠化壓裂技術在國內的推廣應用。

3.1 優化壓裂工藝

目前工廠化壓裂分為拉鏈式和同步壓裂，針對目前壓裂設備緊缺、為減少井場面積和降低現場設備占地面積，目前工廠化壓裂作業多采用拉鏈式方式，實現壓裂和連續油管的同步作業。設備利用率較高，尤其適應于川渝地區頁巖氣開發。

3.2 壓裂施工設備

穩定可靠的壓裂設備及其配套裝備是工廠化壓裂成功施工的有力保障。目前工廠化壓裂設備一般配置為20臺壓裂車，2臺混砂車，2臺儀表車，1～2臺混配車，1臺連續油管車，測井車，以及酸罐、砂罐、液罐等輔助設備。為提高壓裂施工的效率，需要從以下幾個方面加大投入和研究：

1）壓裂井場標準化配置。從目前大規模工廠化壓裂施工情況分析，存在規模大、成本高、效率低的缺點，所需要的壓裂車數量較多，工廠化壓裂平臺壓裂車臺數通常為20臺，還有其他輔助設備，由于各大作業公司的設備參差不齊，導致工廠化壓裂作業井場的壓裂工藝、效率及勞動強度各不相同，從集約資源、提高效率的目標考慮，應完善大型工廠化壓裂設備的標準化配置規范，統籌管理，降低管理成本和提高壓裂設備的使用率。

2）大功率電驅壓裂裝備?，F階段工廠化壓裂作業的時間越來越長，且作業所需水功率大，導致設備多，而頁巖氣作業平臺的井廠一般位于丘陵、山區，井場占地面積小，進而要求壓裂裝備的功率密度越大越好。而柴油機驅動的大型壓裂車的研制受到發動機功率和裝車難度的限制，無法實現突破。研制大功率電驅壓裂裝備成為一種發展的方向，電驅壓裂裝備能實現完全國產化，能突破常規壓裂車車載發動機和變速箱技術的“卡脖子”現狀。 且電驅作業成本更低，對環境更友好。其中四川宏華開發的6000型電驅壓裂橇，中石化四機廠開發的4500型電驅壓裂橇，煙臺杰瑞開發的5000型電驅壓裂橇，均在現場應用，提效明顯，且寶石機械正在研制功率更大的7000型電驅壓裂橇。電驅將成為未來壓裂裝備的主流發展方向。

3）連續輸砂裝置。目前大部分工廠化壓裂所用的儲砂裝置為固定式砂罐，通過吊車起吊砂袋，存在吊裝效率低、勞動強度大、吊砂過程存在安全風險等諸多缺點，為提高自動化程度水平，逐漸采用連續輸砂進行砂粒的供給，通過皮帶輸送的方式輸送砂粒子，且采用自動破帶的方式來減輕現場作業工人的勞動強度，提高作業效率。且連續輸砂裝置有良好的運輸性，井廠占地面積和常規的固定式輸砂裝置相當，目前煙臺杰瑞設計的自動化輸砂裝置現場應用效果明顯。

圖3 電驅壓裂裝備壓裂現場

4）管匯快速連接裝置。壓裂井場高低壓管匯需要連接于壓裂裝備的高低壓管匯，現場連接勞動強度大，效率低，開發一種管匯快速連接裝置成為一種可能，現場所需的人工對正高壓管匯工作能通過液壓缸隨動臂實現輕松對正，同時通過多組可調彎頭實現管匯的多自由度調節，方便現場連接，現場一個操作手就能實現高低壓管匯的快速連接，有助于提高現場管匯連接效率，降低工作強度，同時提高了設備機械化水平，目前寶雞石油機械研制的快速連接裝置正在現場試驗，效果明顯，大大降低了現場人工勞動強度和節省了連接時間。

5）集中供油裝置。隨著新國標GB1589的實施，由于壓裂車整車質量受到限制，大型壓裂車的油箱大小被制約。而目前頁巖氣平臺壓裂過程中需要長時間連續作業，作業過程中不允許停機加油，且大油箱存在一定的安全風險，為了適應現階段的作業工況，連續集中供油裝置能實現作業過程中的連續加油問題，提高壓裂施工效率。采用的方式是通過供油裝置連接于每臺壓裂裝備，通過控制供油壓力和進回油開關閥實現對每臺壓裂車的啟停控制，滿足集中供油的精準控制，目前寶雞石油機械正加大對集中供油的研究和制造，有望年底實現現場應用。

6）柔性水罐。工廠化壓裂作業過程中需要大量的水，一般來說，現場布置了大量層疊堆放的鋼制水罐，占地面積大，搬運不方便。目前四川宏華研制了一種柔性水罐，是一種可折疊式的方形容器，通過液缸的伸縮實現框架的整體拉升和折疊，采用的柔性水囊由高強度尼龍線和PVC材料復合而成，能實現對大容量壓裂液的盛裝。與同樣體積的常規水罐相比，占地面積卻僅有常規水罐的三分之一，極大地節約了井場面積。通過折疊運輸的方式，還可以有效減少運輸車次，大幅降低作業成本。此外，柔性水罐還有快捷安裝、液面遠程監控等優點，現場使用效果非常好，降低了勞動強度和和縮短了施工時間。

7）不銹鋼閥箱和電動盤泵裝置。工廠化壓裂作業工作強度大，壓裂泵閥箱使用壽命短，平均150 h左右即需要更換，為提高閥箱壽命，研制不銹鋼長壽命閥箱成為提速提效的重要手段。目前寶石機械研制的不銹鋼閥箱壽命能提高到1200 h左右，大大降低了檢修和更換泵閥箱的工作量。同時目前人工檢修閥箱和更換凡爾體座，勞動強度大，工作效率低，開發了一種電動盤泵裝置，提高了壓裂泵閥箱檢修的工作效率和降低了勞動強度，極大地提高了壓裂泵檢修的機械化水平。

8）返排液回收重復利用。工廠化壓裂作業過程中返排率高，返排液量大，而目前大規模工廠化壓裂作業中需要的混配液量大，作業區域普遍存在缺水少水的情況，需要單獨的蓄水池或者儲水罐。應加大對返排液的重復利用，節省井場補水時間，實現減少污染和提高水資源的利用率，提高作業效率。

4 結 論

綜合來說，“工廠化”壓裂施工作業單位多，人員數量多，保證壓裂施工的高效、連續和安全應從壓裂井場總體規劃、壓裂施工工藝、設備配置、人員管理等多個方面去協調統籌來實現，同時也應對新裝備的應用加大推廣力度。