非常规天然气勘探开发中压裂装备的研制

2011-04-13吴汉川江汉石油管理局第四石油机械厂湖北荆州434024

石油天然气学报 2011年6期

关键词：管汇柱塞泵井场

吴汉川（江汉石油管理局第四石油机械厂，湖北荆州434024）

刘伯修（中石油渤海钻探井下公司，河北任丘062550）

非常规天然气勘探开发中压裂装备的研制

吴汉川（江汉石油管理局第四石油机械厂，湖北荆州434024）

刘伯修（中石油渤海钻探井下公司，河北任丘062550）

随着勘探开发技术的发展，非常规天然气将成为未来我国重要的低碳资源。压裂装备是非常规天然气开采中的重要装备，由于施工工艺和作业规模较常规油气的开发有所变化，对压裂装备的研制提出了新的要求。结合煤层气和煤层气开发特点以及国外装备的发展趋势，阐述了研制适用于煤层气和页岩气开发需求的成套压裂装备整体配置方案；围绕压裂装备的提出了关键技术的攻关内容。

压裂装备；煤层气；煤层气；配置方案

非常规天然气勘探开发需要大量技术和装备，但我国在配套装备的研发上存在经验匮乏、技术不成熟等一系列问题，这些因素严重制约着煤层气和页岩气的发展。因此，针对非常规天然气开采特点，研制适应不同施工工艺要求的成套压裂装备具有十分重要的意义。

1 非常规天然气开发特点

1.1 煤层气压裂施工特点

压裂是目前煤储层改造应用最为广泛的措施，由常规油气储层压裂技术演化来的煤层气增产改造技术，在我国煤层气勘探开发活动中已经得到应用［1］。目前我国煤层气压裂施工作业特点是：

1）我国煤层气田埋藏深度在300m左右，其道路状况和井场条件较油田道路更差，相同区块井位分布密集，可连续实施压裂作业几天。使用目前油气田常规压裂装备进行施工作业，单机的排量较小。由于井场位置狭小，希望采用最少的设备进行施工。所以功率储备系数不足，施工作业的安全系数较低。

2）煤层气水力压裂一般以大排量为主，施工排量在6～8m3/min左右。目前使用最大3in的高压管汇系统，由于流速增大和清水加砂的影响，加剧了砂泵、混砂管汇以及高压管汇的冲刷磨损，相关零部件的更换频率增大，快速维护和保养显得重要。由于压裂工艺相对简化，对输砂和添加剂系统的配置要求应该较常规压裂装备简化。

3）随着我国水平钻井技术的发展，未来页岩气的开发技术将延伸到煤层气的勘探开发中，更大排量和多阶段连续压裂技术将成为煤层气开采发展趋势。

1.2 页岩气压裂施工特点

页岩气相对于常规油气开发对技术的要求更高，这主要是由页岩气成藏特点决定的。水平井同步压裂和分段压裂技术的广泛运用，使原本低产或无气流的页岩气井获得工业价值成为可能，近年来水平井在北美地区新井中所占比例逐年上升，水平部分长度也在不断增加。与传统垂直井不同，页岩气水平井需要8～20台压裂车同时作业，随着单阶段长度的增加，单井所需的压裂阶段不断增加。2010年已开始试验30阶段甚至更高的阶段压裂，相应的单井压裂所需的工作时间越来越长。页岩气压裂施工的主要包括：

1）施工规模大，采用水平井同步压裂技术，在2口或2口以上相邻的水平井同时进行水力压裂。目前北美地区的页岩气井深度在1200m左右，施工压力通常在70MPa以下［2］。水平井多阶段分段连续压裂，单阶段的连续工作时间在4h左右。考虑到发动机使用工况的限制、易损件更换以及突发事件等因素，要求压裂装备的储备系数增大到1.4倍以上。

2）施工排量大、加砂总量多，需要压裂的总液量在万方级别，加砂总量在千方级别。随着勘探开发技术的发展，作业深度不断向下延伸，我国四川盆地的页岩气深度也达到3000m以上，所以更大功率和更高压力的大型压裂装备将成为未来施工作业主力机型。

3）大型压裂施工要求供酸、配液、连续输砂、供水管线、混砂、压裂、管汇及控制系统配套。由于装备的增多，对施工作业的协调性和安全性提出更高的要求。

2 非常规压裂装备研制

2.1 压裂装备整体配置方案

1）煤层气压裂装备采用2000型组成煤层气压裂机组。由于施工工艺相对常规油气层压裂简单，工作压力也相对较低，所以简化配置以及设备的经济性比较重要。具体配置方案如下：①车载装备尽量缩小整体尺寸以提高整车的机动性能，满足我国煤田的道路和井场条件的要求。结合煤层气井场密集的特点，除车载装备外，可以将压裂装备集成为多模块的橇装结构，采用少量的转运车（配置快速装卸装置）将压裂装备和液罐等辅助装置布置到井场。②车载结构的压裂装备尽量采用底盘和台上同时取力的方式，通过底盘发动机带动辅助系统的工作，使压裂泵得到更大的功率输出。采用国产化动力配置方案，降低设备的购置价格和后期维护费用。③增大压裂泵的柱塞直径，以适应大排量的输出要求；结合活性水携砂工艺研制相应的泵阀密封件；优化混砂车管路系统、减小流体对管路的冲刷；结合煤层气压裂工艺配置合适的螺旋输砂系统和添加剂系统以简化整机结构；采用双管路4in高压管汇系统，降低液体流速，减小清水携砂液对管汇的冲刷。

2）页岩气压裂装备国外最新展示的新产品已经显现出未来大型压裂装备的发展趋势。我国自主研制的国际上最大型号车载2500型压裂机组，已经在国内重点油气井开发中发挥出巨大的功效。对于未来页岩气开发所面临的大型和巨型压裂施工，提出大型压裂装备整体配置方案：①借鉴2500型压裂机组研制的经验，开发更大功率的压裂泵并集成3000型压裂装备。采用10台SYL3000型压裂泵车、1台SHS20型混砂车、1台SGH105型管汇车、1台压裂仪器车、1台连续输砂装置和1台连续配液装置组成整套3000型压裂机组。②增大泵的冲程长度，降低泵的工作冲次，以适应长时间连续施工作业的要求；加大柱塞直径，满足大排量输出；提高柱塞泵的连杆负荷，扩展柱塞泵的工作范围，提高压裂泵在大排量条件下的工作压力。③提高混砂车的混配能力和控制精度，满足大排量低粘度介质加砂和多介质添加剂的工艺要求。扩展压裂机组的控制功能，在主体装备实现网络控制的基础上实现施工作业装备的整体集中控制，提高大型施工作业自动化控制水平的安全性能。④制定大型压裂施工作业装备配置方案。从井场布置、装备种类、设备数量、管线连接、安全配置、液体返排、环境保护以及辅助配套等方面为工程服务商提供全面的技术支持。

2.2 关键技术及攻关内容

由于非常规天然气开发存在其特殊性，围绕压裂装备的研制将面临许多关键技术，其主要攻关内容包括：

1）柱塞泵技术对柱塞泵参数进行合理选择及结构的优化设计；采用较小连杆比设计，使柱塞泵长度缩短；采用外置式行星齿轮机构，在减小柱塞泵宽度尺寸的基础上，保证柱塞泵性能达到设计要求，以相对较小柱塞泵体积和更轻重量实现大功率压裂泵的车载要求。

2）动力配置及整机集成技术解决压裂工况下传动链动力特性匹配技术，解决大负荷、长时间压裂工况下动力储备和系统多点振动抑制难题，保证压裂泵装置大功率输出的稳定性。优化零部件配置、冷却系统以及整机布置，解决3000型车载式压裂泵车性能提升与尺寸、重量之间的矛盾；开展底盘改制技术的研究，以适应我国道路和井场条件的要求。

3）输砂混配技术建立混砂车螺旋输砂系统和混合搅拌系统理论分析平台并通过相应试验装置进行修正；以理论指导新型输砂装置和混合搅拌装置的设计，实现支撑剂输送的宽幅精确调整以及高砂比压裂液的快速均匀搅拌。

4）多机组集群控制技术建立适用于压裂成套设备控制特点的异型工业控制网络，满足成套压裂设备作业时对网络传输和控制方面的需求；根据压裂现场设备实时状态和实时变化的压裂工艺需求对接入网络内的设备进行自适应控制；通过对工业以太网技术的研究，解决网络通讯堵塞、控制及时性和可靠性等问题。

5）高压管汇及辅助装置配套技术结合非常规天然气压裂施工工艺特点，研制大直径高压流体控制元件；通过材料的研究和优选提高管汇系统的抗冲刷能力；建立高压流体控制元件检测和安全评价体系；结合国内现场施工特点研制连续输砂装置、大排量连续配液装置和液氮泵装置，实现大型施工作业装备的系统配套。