壓裂輔助配套設備主要技術及特點的探討

高春宏，邵宏宇，劉彥濤

（大慶油田裝備制造集團，黑龍江 大慶 163000）

壓裂輔助配套設備是當前工廠化壓裂作業的必不可少的組成部分，工廠化壓裂的概念，是指以單個平臺多井次作為基礎形成類似壓裂作業的工廠，將井場變為壓裂作業的工廠，集中配置人員、設備、物資、組織等要素，通過規模化、一體化的施工模式以及以先進的科技管理方法，來提升壓裂作業的效率，進而減少單井平均開采成本，這是一種提高油氣產能效益的重要模式。由于受到壓裂井場現場條件、作業時間等一些客觀原因的制約，規模化的壓裂作業必須配備相應的壓裂輔助配套設備才可以完成整個壓裂作業的施工過程。通過應用壓裂輔助配套設備能夠實現供液、配液、輸砂等工作流程在井場內閉環作業，這種工作模式可以滿足高壓力、大排量、大砂量、長時間連續工作的大型壓裂施工作業的要求，進一步減少液罐車和砂罐車的運輸車次、提高設備使用率，降低施工人員勞動強度，提升壓裂作業效率。隨著工廠化壓裂技術在國內的研究應用，我國工廠化壓裂輔助配套設備發展迅速，并取得了良好的應用效果，但是整體技術水平與國外還有相應的差距。

1 國外壓裂設備技術現狀

國外壓裂設備的研發起步相對較早，隨著致密油、頁巖氣等一些非常規油氣資源的大批量開發以及水平井的大規模應用，壓裂施工段數不斷增多，壓裂規模不斷增加。近些年以來，國外的大型壓裂現場作業經過不斷的發展，目前已擁有非常完善的壓裂輔助設備及工藝流程。以北美地區來講，隨著頁巖氣的開發，水平井以及大型壓裂技術被關注，研發了多種高性能的壓裂設備，工廠化壓裂技術被廣泛應用，作業效率及作業精度提高，加快了壓裂作業的施工速度，降低了施工作業的成本。由于國外大部分地區當地壓裂井場及道路的條件相對較好，井場面積較大，能夠應用大型的壓裂裝備，壓裂輔助設備的安裝及布局也比較容易，同時國外使用的壓裂成套裝備中輔助設備種類雖然很多，但是壓裂配套設備價格偏高，體積大，并不適合我國各大油田壓裂井場的作業條件。因此，當前我們迫切需要研發外觀體積小、布局方便、性能穩定的壓裂輔助配套設備來滿足國內油田井場的作業需求。

2 國內壓裂輔助配套設備技術現狀及特點

伴隨著當前壓裂施工技術在各大油田油氣開采過程中的作用逐漸加大，壓裂輔助配套設備也受到更多的重視及關注。通過分析目前國內各地規模化壓裂施工的現狀能夠得出，因為不同區域壓裂作業的規模、地理位置、施工工藝以及裝備配置等方面不盡相同，導致各地壓裂輔助配套設備的配置有所不同。我們根據國內各地頁巖氣開發的需要及地形的特點，結合壓裂現場工況對配套設備相關工藝進行研究，研制開發了適合國內大多數油田的壓裂輔助配套設備的解決方案。壓裂輔助配套設備主要由水力提升動力機組、大型壓裂蓄水裝置、遠程供水供液裝置、高效配液設備、大型壓裂連續加砂設備等共同組成。

2.1 水力提升動力機組

水利提升動力機組是主要由發動機、離心泵、進出水管匯、儲油箱、柴油發電機、電控系統等部件組成，整體采用撬裝結構。主要用于二級水源向大型壓裂蓄水裝置內供水的水力提升作業。水力提升動力機組采用一備一用的撬裝式結構。兩個撬裝結構通過管匯進行連接，該設備具有結構簡單，使用可靠，操作維護方便等特點，能夠實現遠程自動控制、發動機起停、實時監控機組的運行參數。該設備操作相對簡單，運行穩定可靠，操作者可以通過手機控制軟件遠程監控該機組的運行情況，從而實現無人值守作業。

2.2 大型壓裂蓄水裝置

大型壓裂蓄水裝置主要由儲池單片、進出水管匯、防護欄、觀察臺、內膽等部分構成，該裝置是一種大型的室外容器，大型壓裂蓄水設備主要功能是保證壓裂施工過程所需清水的臨時存儲。該裝置通過改變儲池單片的數量，讓蓄水裝置的連接角度發生改變，從而實現蓄水裝置的可變容功能。通過應用不同數量的儲池單片可以使大型壓裂蓄水裝置容積在600～2000m3范圍內可變。同時該裝置的液位、溫度等相關參數能夠通過控制系統實現實時監控、遠程傳輸。

2.3 遠程供水供液裝置

遠程供水供液裝置主要由撬裝底架、主供液系統、副供液系統、液添系統、電控系統等部分組成。主要用于壓裂作業時為混砂車配制滑溜水，為儲酸配酸裝置和配液撬提供清水。供液系統的總排量可以滿足混砂車所需的排量，該設備采用橇裝結構以便于壓裂現場的運輸和布局。根據現場頁巖氣壓裂工藝的特點，將遠程供水供液裝置設計為主、副兩套供液系統。可分兩路同時為下游設備供水配液，減少壓裂施工的作業時間。主供液系統通過液位計的信號傳輸識別緩沖罐的液位高低，自動控制主供液管匯的排量，使緩沖罐的液位始終保持在合理范圍內，保證供液的持續性和聯動性。

2.4 高效配液設備

高效配液設備主要由動力系統、混合系統、快速增粘裝置、供排液泵送管匯、粉料計量系統、電氣控制系統、液壓傳動系統、撬架及附件等部分組成。高效配液設備通過高能混合器將多種液體和粉類添加劑混合，實現水、聚合物、胍膠、堿、固體物質等多種物質的均勻混配、快速增粘。目前壓裂施工作業需要大排量、自動化、混配效果好、性能穩定的高效配液設備，這種配液設備能夠提升壓裂現場的作業效率及施工水平，出口粘度短時間能夠達到作業粘度要求的80%以上。該配液設備排量大、采用負壓上料技術，可以有效避免揚塵現象，給料精確安全環保。同時混合系統混配普通瓜膠效果良好，攪拌效率高，通過充分溶漲,能夠達到快速增粘的效果，進一步提升混配液的實時配比粘度。高效配液設備底部采用撬裝結構，非常便于運輸、拆裝和維修，通過液壓系統驅動各執行元件，整體結構緊湊、運行平穩，安全性能高，具備過載保護的功能（圖1）。

圖1

2.5 大型壓裂連續加砂設備

大型壓裂連續加砂設備主要由全密封式儲砂箱、自動落料系統、懸臂吊系統、控制系統、液壓系統等部分組成。大型壓裂連續加砂設備主要為非常規油氣田大型壓裂施工提供儲砂、輸砂作業設備，具有吊裝、上砂、儲砂、輸砂等相關功能，作業安全環保、能夠實現長時間連續輸砂作業。該設備儲砂容積約為100m3，最大輸砂速度可以達到2m3/min。通過采用雙提升輸砂結構，提升了砂料的輸送效率，內部擁有六個儲料倉，能夠滿足多種支撐劑儲存的要求，同時該設備底部采用液壓支撐系統，能夠自動調節平衡，提高設備對各類油田井場的適應性。

3 存在的問題及一些建議

首先部分新研發的設備，例如大型壓裂連續加砂設備現場試驗還比較少，設備的性能還有待進一步驗證及完善。其次國內各油田由于作業規模、地形特點、施工工藝的不同，工廠化壓裂輔助配套及壓裂工藝流程也不完全一樣，希望進一步優化壓裂工藝的相關流程，淘汰過時的流程及設備，以實現效益與技術的最優匹配。另外當前我國工廠化壓裂技術整體上還處在研究及發展階段，還沒有針對井場壓裂施工制定輔助設備配置與連接的規范，各油田及單位大部分都根據自身條件進行壓裂輔助設備的配套，還不能完全滿足大型工廠化壓裂施工作業的需求。

我們可以借鑒及參考國內外在壓裂施工方面的先進經驗，不斷完善壓裂輔助配套設備的制造和工藝流程，共同促進壓裂配套設備將來在各大油田的推廣及應用。

4 結語

壓裂輔助配套設備對工廠化壓裂的施工效果有著積極的影響，結合我國油田的地形特點、儲層特征、現場條件以及壓裂工藝特點研發的系列工廠化壓裂輔助配套設備近些年來得到了快速的發展，部分壓裂配套的設備目前已處于世界水平，極大的推動了工廠化壓裂設備在國內各大油田資源開發方面的現場應用。壓裂輔助配套設備是大型壓裂施工作業前提和保障，通過應用壓裂輔助配套設備，保證了大型壓裂施工現場配套設備之間的系統性、聯動性以及通用性，有效的解決了目前部分壓裂輔助配套設備存在的聯動性差、控制不統一等相關問題，提升了壓裂輔助配套設備的自動化和信息化水平，對推動致密油、頁巖氣等非常規油氣資源的高效開發具有十分重要的作用。