西南地區大型頁巖氣壓裂輸砂系統研制

張樹立，張日奎，張德愛

（1.煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司，山東煙臺 264003；2.山東東潤儀表科技股份有限公司，山東煙臺 264003）

0 引言

我國頁巖氣儲量豐富，根據全國第四次油氣資源評價，我國頁巖氣資源量為80.4 萬億立方米，技術可采資源量為12.9 萬億立方米[1]。國土資源部組織開展的全國首次頁巖氣資源潛力調查評價結果顯示，我國頁巖氣地質資源量為134.42 萬億立方米，可采資源量為25.08 萬億立方米[2]。根據美國能源信息署（EIA）2013 年的評價結果顯示，我國頁巖氣可采資源量達31.6 萬億立方米，EIA2019年的評價數據為36 萬億立方米，居世界第一[3-4]。

中國頁巖氣資源主要分布在四川、重慶、新疆、貴州、湖南、湖北、陜西等省份，占比近全國頁巖氣總量的70%[5]，勘探開發潛力巨大，已經成為我國主要的油氣資源。作為我國的主要氣藏類型之一，頁巖氣產量2019年為153.8 億立方米，2020 年達到200.4 億立方米，2021 年達到230 億立方米，已經成為我國天然氣增產的主力軍。預計到2030 年產量將突破800～1000 億立方米[6]。因為頁巖氣藏具有超低滲透率和低孔隙度，所以開發井需要進行多層或者多段大規模水力壓裂處理，才能保證頁巖氣藏經濟性生產。壓裂增產技術是頁巖氣成功開發的核心技術之一。經過近10 年的發展，不論是水力壓裂還是泡沫壓裂都得到了快速發展，直井多層壓裂、水平井多段壓裂、同步壓裂技術都逐漸成熟。

隨著鉆井技術的發展，鉆井的深度越來越深，由開始的水平段1000 多米發展到現在的3000 多米。壓裂的單井段數也越來越多，由開始的10 多段發展到現在的30 段以上，注液量和加砂強度也越來越大。2020年5 月7 日四川瀘縣的陽101H2-7 井完成2030 m 的水平段33 段壓裂施工，注入砂量7000 多噸，該井單段最高加砂強度達到每米5.56 t，創下國內埋藏3500 m深頁巖氣井單段加砂強度最高紀錄（湖北日報報道）。2021 年4 月17 日，位于重慶市南川區境內的頁巖氣井勝頁9-2HF 井在6455 m 位置順利完鉆，水平段長3583 m，壓裂段數50 段，創國內頁巖氣井水平段長和壓裂段數的新紀錄（新華社報道）。

隨著壓裂技術水平的提高，壓裂作業的速度也在不斷加快，已經由最初的平均2～3 段/d 提升到現在平均6～8 段/d。2021 年3 月25 日，重慶市南川區境內勝頁2-11HF 井完成12 段壓裂施工，創國內頁巖氣水平井單日單井單機組壓裂段數最高紀錄。隨著工廠化頁巖氣井平臺和同步壓裂的開展，大規模的壓裂井場和壓裂作業逐漸成為常態的開發方式。2022 年3 月22日，重慶市涪陵頁巖氣田焦頁12 擴平臺完成壓裂作業，此次施工用時50 d，完成12 口氣井共計303 段的壓裂施工任務，累計加砂2.61 萬立方米、加液47.2 萬立方米，試氣水平段總長度超2 萬米，創下國內頁巖氣開發單平臺壓裂井數最多、段數最多、加液量最多、加砂量最多、單機組效率最高等5 項施工紀錄。

隨著工廠化頁巖氣井平臺和同步壓裂的發展，大規模的壓裂井場和壓裂作業逐漸成為常態的開發方式。現階段，大規模的水力壓裂給供砂系統帶來了前所未有的巨大挑戰，以往我國的常規壓裂采用運砂車給混砂車供砂[7]。但頁巖氣壓裂作業所需砂量巨大，每層/段的用砂量達70～100 m3，常規的運砂車無法滿足壓裂作業需求，因此必須針對大規模壓裂工況設計新的輸砂系統來滿足作業要求。

北美的致密油氣和頁巖氣大型壓裂技術較為成熟，其輸砂系統基本上可分為兩種形式。一種是Sandking——儲砂輸砂半掛車，其容積60～80 m3，內部分割成5～6 個料倉用于儲存不同目數的壓裂砂。設備下部和尾部是皮帶輸送機，通過開啟不同料倉下部的閥門控制皮帶輸送機為混砂車供砂，如圖1a）所示。另一種是兩排立式砂罐組，不同的罐內裝載不同目數的壓裂砂，在兩排砂罐中間配置雙皮帶輸送機，通過開啟不同砂罐下部的閥門控制皮帶輸送機為混砂車的供砂量，如圖1b）所示。這兩種輸砂系統的輸砂方式均為運砂車經氣力輸送壓裂砂至倉內或罐中。我國西南地區頁巖氣儲藏主要以山地為主，常規的壓裂供砂系統主要以立式砂罐為主，但我國的壓裂砂運輸和北美不同，不是通過氣力輸送運砂車運輸，而是使用卡車袋裝運輸到作業現場，然后通過吊車吊起、人工破袋的方式加入罐內（圖2）。現場勞動強度大，安全隱患多，需要新的作業模式來改變現狀[7-8]。煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司通過對北美的輸砂模式的研究，并結合國內的運輸模式，研制了新型的壓裂輸砂系統以適應中國西南地區大型頁巖氣壓裂的需要。

圖1 北美大型頁巖氣壓裂供砂系統

圖2 西南地區大型頁巖氣壓裂供砂系統

1 總體介紹

1.1 方案設計

我國西南地區頁巖氣開發通常采用工廠化壓裂的方式，即設備在施工現場布置好后，會保持一個相對固定的位置持續作業3～4 個月。因此該產品可以采用現場組裝的方式，即設備可以拆解成不同的組成部分，分開運輸，抵達井場后再進行組裝。

如圖3 所示，新型頁巖氣壓裂輸砂系統主要由基座、儲砂罐、皮帶輸送機、皮帶輸送機喂料斗、吊架、操控室等結構組成，與其相連作業的組成包括：砂袋、運砂車和混砂設備。圖示方案采用2 套皮帶運輸機和2 套吊裝機構。其中，基座作為整個設備的底座，安裝在相對平坦的地面上。儲砂罐集儲砂、卸砂功能于一體，儲砂罐的最上層用于接收來自皮帶輸送機從地面輸送到罐頂的壓裂砂，罐頂有加砂口，壓裂砂通過加砂口加入到儲砂罐內。儲砂罐的最下層有1 個總卸料口，儲砂罐內的壓裂砂通過該卸料口給混砂設備加砂。吊架設置2 套吊裝機構，可以分別獨立運行或者同時運行，將運輸到現場的袋裝壓裂砂從運砂車的車廂內吊起后自動運行定位到皮帶輸送機的喂料斗的正上方，然后自動下落，采用破袋或者免破袋的形式，將砂袋內的壓裂砂加入皮帶輸送機的加砂斗內。設備的動力由外接電源驅動各個系統的電機實現。該方案的主要規格參數見表1。

表1 設備主要規格參數

圖3 頁巖氣壓裂輸砂系統

結合作業現場需求，該產品配套的2 套皮帶運輸機與2 套吊裝機構大大提高了供砂效率，且通過現場組裝的結構設計，滿足山區井場的道路運輸條件。

1.2 作業流程（圖4）

圖4 儲砂、輸砂作業流程

（1）運砂車行駛到皮帶輸送機加砂斗的旁邊。

（2）操作人員在運砂車的車廂里將砂袋的吊帶掛在吊裝機構的吊鉤上。

（3）操控室內的操作人員通過遙控器控制吊裝機構將砂袋手動運行或通過“一鍵定位”自動運行定位到皮帶輸送機加砂斗的正上方。

（4）手動控制或者自動控制砂袋下落，砂袋底部被加砂斗內的破袋器刺破，壓裂砂流到加砂斗內。

（5）加砂斗內的壓裂砂經過皮帶輸送機輸送到砂罐的頂部，然后經卸料口加入到儲砂罐的料倉內。

（6）加砂結束后，將吊裝機構的吊鉤手動控制或者通過“一鍵定位”自動控制定位到運砂車輛車廂的合適位置，繼續下一個循環作業。

（7）砂罐內安裝有高位和低位物位傳感器，一旦檢測到高位，遙控器及設備會發出聲光報警，操作人員停止給輸送帶供砂。

（8）砂罐底部的卸料口閘板通過電動缸實現開關，可由操作人員站在混砂車上通過遙控器操控給混砂設備的砂斗供砂。

2 結構特點

頁巖氣壓裂輸砂系統主要由儲砂罐、皮帶輸送機、砂袋自動吊裝系統、電氣與操控系統等組成。

2.1 儲砂罐

儲砂罐共分為3 層，按順序上下疊放并安裝在基座上（圖5）。儲砂罐的儲砂量最大可達120 m3。其內部分為4 個砂倉，最上層有4 個加砂口，壓裂砂可通過這4個加砂口加入至儲砂罐不同的砂倉內，罐頂同時配置4個應急加砂口和2 個應急加砂斗，可在輸送機出現故障時應急加砂。一層罐下方有1 個總卸料口，儲砂罐中的壓裂砂經該卸料口卸料至混砂設備，卸料口的開閉通過電動閘板控制。在一層罐的橇架內配置電控柜、電纜卷盤、線纜工具箱等結構。

圖5 儲砂罐總成

2.2 皮帶輸送機

皮帶輸送機用于將自動吊裝系統卸到皮帶輸送機加砂斗內的壓裂砂輸送至儲砂罐的砂倉內，由外接380 V 電源的電機驅動，單個皮帶輸送機的最大輸砂能力為1.5 m3/min。該設備總成主要包括輸砂皮帶、拖輥、驅動滾筒、從動滾筒、機架等（圖6）。皮帶輸送機頂部加砂口設置分料閥，通過分料閥將壓裂砂分加至儲砂罐不同的砂倉內，單條皮帶輸送機對應儲砂罐的2 個加砂口，可以將壓裂砂分別投到2 個不同的砂倉內。

圖6 皮帶輸送機

2.3 砂袋自動吊裝系統

吊架系統包括底座、操控室、左立架、右立架、吊機框架、防雷裝置、組合吊等（圖7）。該吊架系統含2 套吊裝機構，吊機的吊鉤可在豎直方向以及水平面內的橫向和縱向移動以滿足不同吊裝位置的需求，作業時2 臺吊機可同時工作或互為備用。設備上設置2 個操控室，每個操控室內都可以由1 個操作手分別對各自的皮帶輸送機以及吊機的動作進行控制，控制皮帶輸送機的運轉和砂袋的吊運及投放。

圖7 吊裝系統

2.4 電氣與操控系統

電氣系統的主要作用是為儲砂輸砂系統電機、儀表、控制器、照明等供電并進行控制。系統所有的運行狀態通過面板指示燈和顯示屏顯示，包括砂罐高/低料位報警以及皮帶實際作業的料口位置、下砂閘板開度等。

操控系統以安裝在設備上的正壓防爆控制室操控為主，以遠程遙控器操作為輔，1 臺設備上可以安裝2個操控室。操控系統的主要功能包括吊裝系統的吊鉤在水平面內的橫向和縱向移動，吊鉤在豎直方向的移動，吊鉤的自動定位和自動下落，吊裝系統的急停，皮帶輸送機的運行和停止，砂罐底部閘板的開度調節，砂罐頂部皮帶輸送機卸料閥的自動開關和切換，儲砂罐內料位信息監測，設備的緊急停止，電源開關等。

設備的控制分為手動控制和自動控制。手動控制時每個操控室內都可以有1 位操作人員，2 個操作人員可以各自對1 套皮帶輸送機和吊裝系統進行控制，也可以使用遠程遙控器在控制室外進行操作控制。自動控制時吊鉤能夠根據程序設定自動定位和循跡進行吊裝作業，砂罐底部的閘板根據下游混砂設備輸砂絞龍料斗內的砂位自動開關和開度調節。

3 性能測試與應用

產品制造完成后，依據Q/0613YJR004—2020《儲砂輸砂設備》和產品測試大綱在廠內進行了全面的性能測試。包括整個設備的組裝用時測試、吊裝系統吊裝用時、吊裝系統的自動定位功能測試、皮帶輸送機的輸砂能力測試以及本地操控和遙控系統等各系統的測試。各項測試數據和性能指標達到設計要求，運行穩定可靠。

設備完成廠內測試后在川渝地區進行了油田現場試用（圖8），現場測試數據滿足設計要求，設備運行穩定，可靠性高，滿足油田現場的使用要求。

圖8 設備試用現場

4 結束語

西南地區大型頁巖氣壓裂輸砂系統是針對于非常規油氣田大規模壓裂施工而研究開發的，特別適用于西南地區頁巖氣“工廠化”壓裂的儲供砂作業。具有安全、經濟、高效、環保的特點，彌補了常規吊砂作業模式的不足。該輸砂系統具有以下優勢：

（1）先進性：解決了同行業同類產品在“安全、經濟、高效、環保”4 個方面存在的不足。向“無人化、智能化”井場邁了一大步，加快了“四化井場”的建設步伐。

（2）突破性：該產品沒有任何原型，屬于世界首創。打破了頁巖氣壓裂現場的傳統儲供砂作業模式。設備功能和性能的突破帶來了施工工藝的突破。

（3）實用性：樣機在川渝地區頁巖氣壓裂現場成功應用，獲得中石油客戶的高度認可。

（4）推廣性：中國石油天然氣集團公司要求各鉆探公司推廣使用。該產品在成都舉行的中石油“壓裂裝備標準化和規范化技術研討會”上被列為中石油采購的“標準”型產品。