嚴寒條件下大型壓裂保溫技術研究與應用

韓鳳臣（大慶油田有限責任公司開發(fā)事業(yè)部）

目前，大慶油田大型壓裂年施工井數(shù)已達到1 200 口井以上，地表多為低洼草原和稻田，夏季泥濘墊方和耕地征用費用高，冬季是進行施工的較好時機；大型壓裂施工規(guī)模大、作業(yè)周期長，施工區(qū)域地處偏遠、分布零散，生產(chǎn)保障設施薄弱，常規(guī)的蓄水池保溫、鍋爐車和電伴熱加溫等工藝，僅能滿足-15 ℃以內(nèi)施工需求[1-3]，造成每年11月中旬到來年3 月中旬被迫停工。為滿足油田上產(chǎn)需求，減少地面條件限制，從開發(fā)需求、壓裂效果、安全環(huán)保、經(jīng)濟效益等方面綜合考慮[4]，研究了-35 ℃條件下地面全流程的配套保溫工藝技術。

1 流程熱損失和關鍵節(jié)點分析

1.1 熱損失情況

冬季施工時，地面流程內(nèi)的工作液與環(huán)境溫差大，易通過膠質(zhì)和金屬等外殼散熱降溫、直至結凍[5]，其中材質(zhì)的熱傳導系數(shù)、溫差、壓力、施工排量、結構流程、外部風力和風向等都是熱損失的主要影響因素?；诙臼┕ち鞒蹋紤]實際工況參數(shù)（λ、壁厚、溫差等）和現(xiàn)場匹配，建立完善了熱損失計算模型。

對施工排量為8 m3/min、液量8 000 m3的水平井體積壓裂，按功能特點將壓裂現(xiàn)場劃分為5個施工區(qū)域，統(tǒng)計工況參數(shù)，進行熱損失情況模擬，確定了蓄水池、配液車、緩沖罐、高壓直管、高壓管匯等熱損失的主要部位，占全部熱損失的97.45%。大型壓裂地面流程熱損模擬分析見表1。

1.2 關鍵節(jié)點分析

在流程或裝置的突出部位、細管線或縮徑處，嚴寒造成冷凝掛壁直至凍堵，分析主要存在于供水口、緩沖罐口、儀表閥體、高低壓管匯、防噴管、壓裂泵塞和泵筒等部位。根據(jù)熱損失和易凍堵情況，確定4大類、25項關鍵節(jié)點，實施針對性的精準提溫和保溫措施。施工流程的關鍵保溫節(jié)點見表2。

表1 大型壓裂地面流程熱損模擬分析

表2 施工流程的關鍵保溫節(jié)點

2 地面流程保溫控制技術

國外壓裂保溫多采用供水多級加熱、壓縮空氣實時排空地面管匯等整體配套設備[6-7]，投入費用高、操控復雜，且壓裂車組無法駐場連續(xù)施工。結合大慶油田區(qū)塊偏遠特點，建立液體耐寒升溫、流程保溫防凍、主體設備保溫等全流程體系，配套研發(fā)高效加熱裝置、防凍液體添加劑、可拆卸電伴熱夾克、輕質(zhì)鋼骨架車庫等技術，形成有效銜接的冬季工廠化施工模式。

2.1 液體耐寒升溫技術

2.1.1 配液水源的升溫技術

研究基于柴油的高效加熱撬裝裝置（圖1），1個立式輻射室與4個臥式對流室一體化相結合，充分回收利用煙氣余熱，熱效率80%以上，2 m3/min排量實時水溫由2 ℃提高到20 ℃以上，保障蓄水罐及后續(xù)配液溫度15 ℃以上。另外，高熱效加熱裝置通過旁通裝置，實現(xiàn)70 ℃小排量供水，保障施工間歇流程和車組循環(huán)推塞。

圖1 高效加熱撬裝裝置

2.1.2 防凍液體添加劑

利用CaCl2、C3H5(OH)3、工業(yè)酒精等添加劑，研究配置CaCl2基防凍液體，通過室內(nèi)測試不同濃度、不同壓力下的防凍效果，考慮成本和儲層保護，確定300 g/kg 的鹽溶液比例，施工間歇對關鍵環(huán)節(jié)進行防凍填充。

2.2 主體施工設備保溫技術

2.2.1 蓄水池及配液保溫

利用隔熱氣墊，在蓄水池上方加裝蓋帽控制溫度損失[8]，保障蓄水和配液溫度15 ℃；利用防風襯布，搭建小型保溫棚，對配液裝置進行擋風保溫。

2.2.2 主要車輛設備保溫

利用輕量化防風襯布、整體伸縮結構的輕質(zhì)鋼骨架，搭建連續(xù)油管車組保溫棚和野外壓裂車組集中車庫（圖2），利用車輛余熱、24 kW熱風幕或者水暖管線進行加熱，溫度達到0 ℃以上。

圖2 野外壓裂車組集中車庫

2.3 地面流程保溫技術

1）采用輕質(zhì)易拆卸材料，制作成電伴熱保溫夾克，對連續(xù)油管注入頭、合壓井口、防噴管、防噴器、平板閥、節(jié)流管匯、傳感器等關鍵設備外部，升溫至50 ℃以上進行環(huán)空保溫，做到溫差方向逆轉。

2）采用航空、熱力管道行業(yè)所用陶瓷顆粒保溫涂料，在緩沖罐、管線等外壁噴涂，噴涂厚度0.5～6 mm，阻隔熱量穿透率在90%以上。

2.4 冬季工廠化施工模式

1）將常規(guī)胍膠壓裂液改為締合壓裂液，工藝流程由之前粉料、配液、加入添加劑進入反應罐簡化為即配即注，減少設施數(shù)量和連接環(huán)節(jié)[9]，進一步降低防凍難度。

2）采取多井交叉接替的24 h 工廠化連續(xù)施工模式[10]，設備不停車或間隔預熱，液壓開關內(nèi)更換-35 ℃航空級液壓油。施工停歇2 h 以上時，車組進庫保溫；施工等停8 h 以上時，利用高壓氮氣吹掃管線排空，并在傳感器、開關等部位利用防凍液進行充填。冬季大型壓裂工廠化施工見圖3。

圖3 冬季大型壓裂工廠化施工

3 現(xiàn)場應用及效益

3.1 應用效果

2017 年以來，在大慶油田長垣外圍的茂23、樹9-2 等區(qū)塊完成冬季大型壓裂621 井次，實現(xiàn)野外-35 ℃條件下單井常態(tài)化施工，無凍堵情況發(fā)生，入井液溫度保持在5 ℃以上，單井平均初期日增油4.1 t，與夏季情況持平。

3.2 經(jīng)濟效益

通過采用此模式，單井施工周期縮短2.1 天，統(tǒng)籌考慮冬季施工增加費用、夏季墊方和青苗賠償費用，平均單井減少投入9.8 萬元；共計搶投低洼稻田區(qū)域新建產(chǎn)能45.8×104t，做到當年鉆井、當年基建，對比原計劃提前2年投產(chǎn)。

4 結論

1）通過液體耐寒升溫、流程保溫防凍、主體設備保溫等全流程保溫技術體系，實現(xiàn)冬季-35 ℃條件下的大型壓裂高效施工，且減少了地層冷傷害。

2）嚴寒季節(jié)大型壓裂正常施工，規(guī)避了低洼區(qū)夏季墊方修路和青苗賠償費用，保障區(qū)塊整體提前投產(chǎn)，對油田奪油上產(chǎn)提供巨大助力，具有較高的經(jīng)濟和社會效益。

3）研發(fā)了大型壓裂冬季施工系列保溫配套設備，形成了施工整體保障模式、操作規(guī)程和管理制度，具備快速推廣能力。