大慶油田工廠化壓裂配套規范研究及應用

寧宏杰 （大慶油田有限責任公司第五采油廠）

隨著油田勘探開發的深入，除長垣老區喇、薩、杏等主力產油層外，油田外圍致密油、頁巖油區塊逐漸發揮保產穩產的重要補充作用。目前體積壓裂工藝日趨完善，已成為致密油、頁巖油增產改造的重要技術手段，但壓裂施工規模及工藝復雜程度不斷提高，給壓裂生產組織帶來了巨大挑戰。2018 年以來，體積壓裂工藝單井施工規模由1×104～2×104m3提高到單井最大規模8×104m3，壓裂排量由以往的12～14 m3/min 提高到最大排量20 m3/min，為保障工藝順利實施，工廠化壓裂施工配套設備設施及現場地面流程進行了系統的優化升級，基本滿足連續施工需求，但在施工準備及配套優化階段，主要依靠經驗，存在準備效率低、保障能力弱、施工不連續的問題。為此，開展了工廠化壓裂配套規范的研究，針對高排量、大規模、連續施工需求，系統論證不同施工單元的設備配套原理，形成工廠化壓裂配套規范，為施工配套及準備工作提供參考依據，效率顯著提升[1-2]。

1 工廠化壓裂流程及主要設備設施

壓裂施工需要使用壓裂液與支撐劑（俗稱“砂”），體積壓裂工藝工廠化壓裂流程設計目的是為了實現壓裂液的即配即注及支撐劑的連續供應，流程復雜、設備設施投入較多，為便于生產組織與管理，將壓裂現場劃分為供水單元、供液單元、供砂單元及壓裂泵注單元4 個主要功能區[3]。

1.1 供水單元

供水單元的主要作用是連續不斷的為壓裂施工提供用水保障，用于供液單元的配液施工，主要設備設施有水源井、蓄水池、軟體罐及遠程供水設備。水源井在壓裂現場選址鉆鑿，為施工提供水源，通常深度在100 m左右，每小時供水能力約80 m3；蓄水池（或軟體罐）是施工用水的緩沖設備，單體容積500～5 000 m3；遠程供水設備作用是將緩沖設備中的水泵送到供液單元，用于配液施工，供水速度3～20 m3/min，供水距離最高可達3 km。

1.2 供液單元

供液單元的主要作用是連續進行滑溜水、胍膠液等壓裂液的配制，為壓裂施工提供用液保障，主要設備設施有自動化配液設備、添加劑罐及緩沖罐。自動化配液設備的作用是配制滑溜水或胍膠液，配液能力最高可達16 m3/min；添加劑罐用于裝載壓裂液添加劑，保障配液設備使用添加劑的連續性；緩沖罐用于緩存滑溜水或胍膠液，防范因配液設備故障導致的施工驟停，單體存儲容積為50 m3，滿足施工異常終止情況下的井筒替擠用液需求。

1.3 供砂單元

供砂單元的主要作用是將不同支撐劑分類、連續地供應給壓裂泵注單元，為壓裂施工提供用砂保障，主要設備設施有砂罐、連續輸砂裝置及儲砂裝置。連續輸砂裝置及儲砂裝置用于完成地面支撐劑的裝車及供應，是供砂的主力設備，單體存儲容積為75 m3以上，供砂速度為4 m3/min，砂罐車用于裝載運輸支撐劑，作為供砂的輔助設備。

1.4 壓裂泵注單元

壓裂泵注單元的主要作用是將砂、液混合物按照設計排量需求高壓泵注到井筒中，經由井筒進入地層，完成儲層內的造縫和支撐作用，主要設備設施有壓裂泵車、混砂車及儀表車。混砂車的作用是將砂液混合后排出供給壓裂泵車，最高規格為230 bbl；壓裂泵車的作用是將砂液混合物增壓泵注到井筒，經由井筒泵注到儲層中，單車承壓105 MPa，穩定輸出排量1.0 m3/min 以上。

2 工廠化壓裂配套影響因素分析

通過分析研究，確定影響工廠化壓裂現場“供水、供液、供砂、壓裂”各施工單元設備設施配套的8 項關鍵參數，包括井場面積、單層液量、單日施工層段、施工排量、壓裂液類型、單層酸用量、單層砂量及支撐劑類型。各關鍵參數對不同施工單元影響分析如下[4-5]。

2.1 對供水單元的影響

影響供水單元設備設施配套的關鍵參數包括井場面積、單層液量、單日施工段數及施工排量4項。井場面積影響搭建蓄水池的大??；單層液量和單日施工段數決定單日用水量，影響蓄水池大小和水源井數量的匹配；施工排量決定用水速度，影響水源井數量。供水單元標準化配套思路見圖1。

圖1 供水單元標準化配套思路Fig.1 Standardized supporting ideas for water supply units

2.2 對供液單元的影響

影響供液單元設備設施配套的關鍵參數包括單層液量、施工排量及壓裂液類型3 項。配液供液模式有即配即注和先儲液再補液兩種，即配即注模式下，施工排量決定配液設備的整體配液能力，即確定了配液設備數量及組合方式，先儲液再補液模式下，單層液量和施工排量綜合影響緩沖罐數量和配液設備數量、組合方式；壓裂液類型影響自動計量裝置配套及添加劑罐的數量[6-8]。綜上，確定供液單元的設備設施類型、能力及配套數量，形成該施工單元的配套方案。供液單元標準化配套思路見圖2。

圖2 供液單元標準化配套思路Fig.2 Standardized supporting ideas for the liquid supply unit

2.3 對供砂單元的影響

影響供砂單元設備設施配套的關鍵參數包括施工排量、單層砂量、平均砂比及支撐劑類型共4項?，F場儲砂倒砂施工條件下，僅用砂罐供砂時，施工排量、單層砂量及平均砂比綜合決定了施工加砂時間，單層砂量與施工加砂時間直接影響砂罐數量，砂罐車數量及速度需求決定吊車的數量；使用連續輸砂裝置供砂時，施工排量和平均砂比決定了加砂速度，加砂速度直接影響連續輸砂裝置和叉車的配套數量。綜上，確定供砂單元的設備設施類型、能力及配套數量，形成該施工單元的配套方案。供砂單元標準化配套思路見圖3。

圖3 供砂單元標準化配套思路Fig.3 Standardized supporting ideas for sand supply unit

2.4 對壓裂泵注單元的影響

影響壓裂單元設備設施配套的關鍵參數包括單日施工段數、施工排量及單日用酸量3 項。施工排量需求決定泵車及混砂車的配套數量，泵車數量影響指揮車的配套數量，交聯罐車與混砂車數量一致，單層酸量和施工段數決定單日用酸量，單日用酸量決定了酸罐車數量。綜上，確定壓裂泵注單元的設備設施類型、能力及配套數量，形成該施工單元的配套方案。壓裂泵注單元標準化配套思路見圖4。

3 工廠化壓裂各施工單元配套方案

基于8 個關鍵參數對壓裂設備設施的配套影響分析，針對常規施工規?！皢螌右毫? 000～2 000 m3、砂量50～200 m3，單日施工3～5 段、用酸20～110 m3、壓裂排量16～20 m3/min，多種壓裂液支撐劑類型”，進行工廠化壓裂設備設施配套方案論證，確定不同施工單元、不同施工規模下的配套方案。

3.1 供水單元的配套方案

配套原則是控制施工成本，減少水源井的使用，滿足連續施工用水需求。首先依據單層施工規模及井場面積大小確定蓄水池的容積，確定單個容積范圍2 000～5 000 m3；蓄水池容積確定后，依據連續施工的需求，結合單層施工規模、單日施工段數、整體施工用水需求及常規水源井的供水速度，確定水源井的配套數量范圍在3～6 口。不同施工排量、單層液量、日壓裂段數條件下的水源井和蓄水池等配套方案明細見表1。

表1 水源井、蓄水池等配套方案明細Tab.1 Details of supporting schemes for water source wells，reservoir

3.2 配液泵注單元的配套方案

配套原則是簡化施工流程，減少緩沖罐用量及占地面積，滿足施工用液需求。為實現壓裂液即配即注，根據現有設備能力及數量，確定了5 種配液設備組合模式“10、4+4+4、4+8、4+10、8+10”；對比施工排量，不同模式下的配液能力缺口為2～6 m3/min，能力缺口使用緩沖罐作為補充方案，缺口量取決于施工排量、單層液量及配液設備能力，直接決定了緩沖罐的數量；另外，結合壓裂液性及單層施工規模的變化，添加劑用量不同，決定了不同添加劑罐的數量。不同施工排量、單層液量、壓裂液性下的配液設備和緩沖罐等配套方案見表2。

3.3 供砂單元的配套方案

配套原則是減少砂罐的使用，優選連續加砂裝置，滿足連續施工用砂需求[9-10]。為控制現場占地面積，降低施工風險，優先使用連續加砂裝置進行供砂保障，結合支撐劑種類、粉砂使用情況及現有連續輸砂裝置的能力，確定不同單層規模、平均砂比、施工排量下的連續輸砂裝置配套數量及砂罐車用量，確定供砂裝置用量為1～2 套、配套砂罐車1～2 臺；若連續輸砂裝置不足，考慮全部使用砂罐車的替代方案，數量5～17 臺。砂罐、連續輸砂裝置與叉車等配套方案見表3，砂罐及吊車配套方案見表4 。

3.4 壓裂單元的配套方案

配套原則是保證現場高排量條件下連續泵注的要求[11-12]。為滿足施工排量需求，結合壓裂泵車穩定運行排量能力，配套壓裂泵車14～20 臺；泵車數量確定后，結合指揮車的電控能力，確定配套指揮車1～2 臺；根據排量需求，結合混砂車供液能力及上液接口數量[13-14]，確定混砂車用量1～2臺；壓裂泵車、混砂車等配套方案見表5，酸罐車等配套方案見表6。

表5 壓裂泵車、混砂車等配套方案Tab.5 Supporting schemes for fracturing pump trucks，sand mixing trucks

表6 酸罐車等配套方案Tab.6 Supporting schemes for acid tank cars

4 應用效果及效益

工廠化壓裂配套規范現場應用142 口井3 550層段。其中6 口工廠化壓裂配套方案節能效果統計見表7，顯著提升了施工準備效率及壓裂泵注效率。單井施工準備周期由5 d 縮短到3.5 d，準備時效提高30%；單井壓裂周期由平均10 d 縮短到8.5 d，壓裂泵注時效提高15%；單井施工用電量由8.6×104kWh 減少到7.4×104kWh；單井施工用水量由4.1×104m3減少到3.5×104m3，單井壓裂施工成本降低10%以上。

表7 6 口工廠化壓裂配套方案節能效果統計Tab.7 Statistics of energy conservation effects of six factory fracturing supporting schemes

通過三年的研究和試驗，累計創效5 006 萬元。其中，致密油施工128 口井，對比研究前，單井節省成本約32 萬元，共節省成本4 096 萬元；頁巖油井施工14 口，對比研究前，單井節省成本約65 萬元，共節省成本910 萬元。

5 結論

1）壓裂施工需要使用壓裂液與支撐劑，為便于生產組織與管理，工廠化壓裂現場可依據功能特點、流程節點劃分為“供水、供液、供砂及壓裂4個主要功能區。

2）影響工廠化壓裂各功能單元設備設施配套的關鍵因素有8 項，包括井場面積、單層液量、單日施工層段、施工排量、壓裂液類型、單層酸用量、單層砂量及支撐劑類型。

3）工廠化壓裂配套規范現場試驗應用后，顯著提升了施工準備效率及壓裂泵注效率，單井施工準備周期縮短，單井壓裂周期縮短，單井用電量減少，單井用水量減少，單井壓裂施工成本降低10%以上，工廠化壓裂的施工效率、能力及連續性達到預期效果，有力推進了大慶致密油及古龍頁巖油井的經濟有效開采。

4） 工廠化壓裂配套方案適用于大型壓裂井，有助于提高壓裂施工時效，優化地面流程，減小占地面積，提升施工效率，有利于標準化施工及控制施工成本。