工廠化壓裂提速提效關(guān)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(zé)任公司，陜西 寶雞721000；2. 川慶鉆探井下作業(yè)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(zé)任公司，成都610052）

0 引 言

近年來，國家持續(xù)加大非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)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(fā)區(qū)域建產(chǎn)規(guī)模逐年增大，壓裂作業(yè)大幅增加，為提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本，工廠化壓裂逐漸成為現(xiàn)今主流的作業(yè)模式，為壓裂業(yè)務(wù)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。國內(nèi)鉆探公司也不斷探索對現(xiàn)有壓裂及配套設(shè)備的高效利用，保證壓裂作業(yè)的提速提效，由于沒有統(tǒng)一的規(guī)范指導(dǎo)，各家裝備配置沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1 國外工廠化壓裂現(xiàn)狀

圖1 北美地區(qū)頁巖氣壓裂現(xiàn)場

圖2 我國頁巖氣壓裂現(xiàn)場

在二十一世紀(jì)以后，美國的水平井施工成功應(yīng)用在頁巖氣作業(yè)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(nèi)外各大油服公司所接受。目前北美通過優(yōu)化壓裂工藝參數(shù)設(shè)計，降低壓裂液注入量；增加壓裂段數(shù)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(yīng)用新工藝，如滑套壓裂和可溶式橋塞等，增效顯著。

2 國內(nèi)工廠化壓裂現(xiàn)狀

目前，我國先后設(shè)立了延安、長寧-威遠(yuǎn)、昭通和涪陵4個頁巖氣國家級示范區(qū)[1]，開發(fā)進程逐年加快，近年來“工廠化”作業(yè)模式被廣泛應(yīng)用到頁巖氣開發(fā)中。而目前致密油氣區(qū)地形地貌以山地、丘陵為主，大面積井場布置困難；非常規(guī)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(shè)備性能提出了更高的要求[2]。目前我國工廠化壓裂技術(shù)的發(fā)展還處在探索和試驗階段，還沒有針對工廠化壓裂作業(yè)模式制定裝備配套方案與標(biāo)準(zhǔn)，各工程作業(yè)公司一般根據(jù)自身條件進行個性化配置，無法滿足高效經(jīng)濟的工廠化作業(yè)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(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。針對目前國內(nèi)工廠化壓裂施工的特點，從壓裂施工流程、設(shè)備配置等方面提出參考建議，實現(xiàn)資源集約化，以促進工廠化壓裂技術(shù)在國內(nèi)的推廣應(yīng)用。

3.1 優(yōu)化壓裂工藝

目前工廠化壓裂分為拉鏈?zhǔn)胶屯綁毫眩槍δ壳皦毫言O(shè)備緊缺、為減少井場面積和降低現(xiàn)場設(shè)備占地面積，目前工廠化壓裂作業(yè)多采用拉鏈?zhǔn)椒绞?，實現(xiàn)壓裂和連續(xù)油管的同步作業(yè)。設(shè)備利用率較高，尤其適應(yīng)于川渝地區(qū)頁巖氣開發(fā)。

3.2 壓裂施工設(shè)備

穩(wěn)定可靠的壓裂設(shè)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(shè)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(xù)油管車，測井車，以及酸罐、砂罐、液罐等輔助設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化配置。從目前大規(guī)模工廠化壓裂施工情況分析，存在規(guī)模大、成本高、效率低的缺點，所需要的壓裂車數(shù)量較多，工廠化壓裂平臺壓裂車臺數(shù)通常為20臺，還有其他輔助設(shè)備，由于各大作業(yè)公司的設(shè)備參差不齊，導(dǎo)致工廠化壓裂作業(yè)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(biāo)考慮，應(yīng)完善大型工廠化壓裂設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化配置規(guī)范，統(tǒng)籌管理，降低管理成本和提高壓裂設(shè)備的使用率。

2）大功率電驅(qū)壓裂裝備?，F(xiàn)階段工廠化壓裂作業(yè)的時間越來越長，且作業(yè)所需水功率大，導(dǎo)致設(shè)備多，而頁巖氣作業(yè)平臺的井廠一般位于丘陵、山區(qū)，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(qū)動的大型壓裂車的研制受到發(fā)動機功率和裝車難度的限制，無法實現(xiàn)突破。研制大功率電驅(qū)壓裂裝備成為一種發(fā)展的方向，電驅(qū)壓裂裝備能實現(xiàn)完全國產(chǎn)化，能突破常規(guī)壓裂車車載發(fā)動機和變速箱技術(shù)的“卡脖子”現(xiàn)狀。 且電驅(qū)作業(yè)成本更低，對環(huán)境更友好。其中四川宏華開發(fā)的6000型電驅(qū)壓裂橇，中石化四機廠開發(fā)的4500型電驅(qū)壓裂橇，煙臺杰瑞開發(fā)的5000型電驅(qū)壓裂橇，均在現(xiàn)場應(yīng)用，提效明顯，且寶石機械正在研制功率更大的7000型電驅(qū)壓裂橇。電驅(qū)將成為未來壓裂裝備的主流發(fā)展方向。

3）連續(xù)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(fēng)險等諸多缺點，為提高自動化程度水平，逐漸采用連續(xù)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(xiàn)場作業(yè)工人的勞動強度，提高作業(yè)效率。且連續(xù)輸砂裝置有良好的運輸性，井廠占地面積和常規(guī)的固定式輸砂裝置相當(dāng)，目前煙臺杰瑞設(shè)計的自動化輸砂裝置現(xiàn)場應(yīng)用效果明顯。

圖3 電驅(qū)壓裂裝備壓裂現(xiàn)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(xiàn)場連接勞動強度大，效率低，開發(fā)一種管匯快速連接裝置成為一種可能，現(xiàn)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(xiàn)輕松對正，同時通過多組可調(diào)彎頭實現(xiàn)管匯的多自由度調(diào)節(jié)，方便現(xiàn)場連接，現(xiàn)場一個操作手就能實現(xiàn)高低壓管匯的快速連接，有助于提高現(xiàn)場管匯連接效率，降低工作強度，同時提高了設(shè)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(xiàn)場試驗，效果明顯，大大降低了現(xiàn)場人工勞動強度和節(jié)省了連接時間。

5）集中供油裝置。隨著新國標(biāo)GB1589的實施，由于壓裂車整車質(zhì)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(xù)作業(yè)，作業(yè)過程中不允許停機加油，且大油箱存在一定的安全風(fēng)險，為了適應(yīng)現(xiàn)階段的作業(yè)工況，連續(xù)集中供油裝置能實現(xiàn)作業(yè)過程中的連續(xù)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(guān)閥實現(xiàn)對每臺壓裂車的啟停控制，滿足集中供油的精準(zhǔn)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(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)用。

6）柔性水罐。工廠化壓裂作業(yè)過程中需要大量的水，一般來說，現(xiàn)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(xiàn)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(fù)合而成，能實現(xiàn)對大容量壓裂液的盛裝。與同樣體積的常規(guī)水罐相比，占地面積卻僅有常規(guī)水罐的三分之一，極大地節(jié)約了井場面積。通過折疊運輸?shù)姆绞?，還可以有效減少運輸車次，大幅降低作業(yè)成本。此外，柔性水罐還有快捷安裝、液面遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點，現(xiàn)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(yè)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(fā)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(fù)利用。工廠化壓裂作業(yè)過程中返排率高，返排液量大，而目前大規(guī)模工廠化壓裂作業(yè)中需要的混配液量大，作業(yè)區(qū)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(yīng)加大對返排液的重復(fù)利用，節(jié)省井場補水時間，實現(xiàn)減少污染和提高水資源的利用率，提高作業(yè)效率。

4 結(jié) 論

綜合來說，“工廠化”壓裂施工作業(yè)單位多，人員數(shù)量多，保證壓裂施工的高效、連續(xù)和安全應(yīng)從壓裂井場總體規(guī)劃、壓裂施工工藝、設(shè)備配置、人員管理等多個方面去協(xié)調(diào)統(tǒng)籌來實現(xiàn)，同時也應(yīng)對新裝備的應(yīng)用加大推廣力度。