鄂爾多斯盆地“井工廠”壓裂施工作業(yè)流程及裝備配套

樊建平，鐵連軍

(延長(zhǎng)油田股份有限公司，陜西延安716000)

鄂爾多斯盆地油氣為典型的低壓、低孔、低滲的油氣藏資源，廣泛分布著常規(guī)與非常規(guī)油氣(致密油氣、頁巖油氣)，實(shí)施壓裂作業(yè)成為開發(fā)該類資源，實(shí)現(xiàn)油氣增產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，隨著勘探開發(fā)的深入，為提高開發(fā)效率，降低施工作業(yè)成本，大井組和叢式井組成為該區(qū)塊各油氣田開發(fā)的重要方向。采用常規(guī)壓裂模式對(duì)大井組和叢式井組進(jìn)行依次壓裂時(shí)，存在壓裂井場(chǎng)布置不標(biāo)準(zhǔn)、作業(yè)流程不規(guī)范、裝備配置不高效、現(xiàn)場(chǎng)組織實(shí)施點(diǎn)多、面廣、工序繁雜，組織運(yùn)行難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)高，成本經(jīng)營控制難度大及復(fù)雜等問題，造成施工耗時(shí)耗力。為實(shí)現(xiàn)高效壓裂，本文通過對(duì)鄂爾多斯盆地“井工廠”壓裂施工現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研分析，提出了標(biāo)準(zhǔn)化井場(chǎng)、規(guī)范化流程、主力裝備、輔助裝備配套模式以及施工集中供水與壓裂液處理方法，形成了適合于鄂爾多斯盆地“井工廠”壓裂施工全套規(guī)范化作業(yè)流程及裝備的配套方案，可為實(shí)現(xiàn)該區(qū)塊油氣增產(chǎn)開發(fā)提供技術(shù)儲(chǔ)備。

1 鄂爾多斯盆地“井工廠”壓裂作業(yè)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段鄂爾多斯盆地“井工廠”壓裂主要用于致密砂巖氣藏多井口分段壓裂，“井工廠”壓裂施工在國內(nèi)處于探索階段，“井工廠”壓裂施工指在固定場(chǎng)所連續(xù)不斷的泵注壓裂液和支撐劑，施工中需要?jiǎng)佑么罅坎煌N類的主力壓裂裝備及輔助裝備，要求施工連續(xù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、裝備集中化程度高，以大幅提高壓裂設(shè)備的利用率，減少設(shè)備動(dòng)遷和安裝，減少壓裂罐拉運(yùn)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)“井工廠”高效壓裂施工。

中國石油長(zhǎng)慶油田分公司何明舫等[1]開展了蘇里格氣田“工廠化”壓裂作業(yè)方法研究，從流水線作業(yè)模式、壓裂工藝、返排液處理等方面提出具體要求，并在壓裂蘇里格氣田完成11個(gè)井組的工廠化壓裂先導(dǎo)試驗(yàn)，壓裂作業(yè)效率提高50%以上。中國石化華北分公司李克智等[2]開展了“井工廠”壓裂模式在大牛地氣田的應(yīng)用，研究?jī)?nèi)容包括壓裂工藝、壓裂順序、施工參數(shù)優(yōu)化、壓裂液以及支撐劑優(yōu)選等，在大牛地氣田R井組6口水平井進(jìn)行“井工廠”壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探索出了適合致密砂巖氣水平井組壓裂開發(fā)新途徑。

2 “井工廠”壓裂施工作業(yè)流程

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化壓裂井場(chǎng)

鄂爾多斯盆地地表多以沙漠、草地為主，地形平坦，道路交通便利，為標(biāo)準(zhǔn)化壓裂井場(chǎng)的應(yīng)用提供有利條件。為實(shí)現(xiàn)壓裂作業(yè)各項(xiàng)工序交替進(jìn)行，按照壓裂施工功能區(qū)對(duì)井場(chǎng)進(jìn)行劃分，如圖1所示。(1)供液配液區(qū)，該區(qū)域完成蓄水、壓裂液配制等工作，并向混砂裝備持續(xù)供給壓裂液；(2)連續(xù)輸砂區(qū)，該區(qū)域完成壓裂支撐劑材料的屯放、存儲(chǔ)以及支撐劑連續(xù)輸送至混砂裝備；(3)壓裂主體施工區(qū)，該區(qū)域是標(biāo)準(zhǔn)化井場(chǎng)的關(guān)鍵區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的設(shè)備主要包括壓裂裝備、混砂裝備、高低壓管匯裝置以及儀表集中控制裝置，壓裂主體施工區(qū)主要用于將壓裂液與支撐劑快速混合并通過壓裂裝備增壓泵注至井底，并在油氣儲(chǔ)層形成壓裂縫網(wǎng)；(4)壓裂液返排及回收區(qū)，該區(qū)域主要用于放噴測(cè)試，按照壓裂工藝要求設(shè)置放噴池并對(duì)返排液進(jìn)行處理，處理后的返排液可循環(huán)至液體供應(yīng)區(qū)，以實(shí)現(xiàn)壓裂液的循環(huán)利用。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化的“井工廠”壓裂井場(chǎng)布置圖

2.2 規(guī)范化壓裂流程

鄂爾多斯井組“工廠化”壓裂作業(yè)采用工廠化流水線作業(yè)模式，規(guī)范化的壓裂流程圖如圖2，包括：(1)壓裂液連續(xù)混配，采用連續(xù)混配技術(shù)，配液與壓裂施工同時(shí)進(jìn)行，采用部分過渡罐起到緩沖作用，減少壓裂等停時(shí)間；(2)壓裂(酸化)材料連續(xù)供給，施工前一次性將所有井的支撐劑和化工料組織到位，壓裂施工采取開關(guān)閥門的方式，完成所有井的壓裂工作；(3)標(biāo)準(zhǔn)化壓裂機(jī)組配置，根據(jù)井工廠長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)需求，配置不同功率儲(chǔ)備系數(shù)的壓裂機(jī)組；(4)高低壓管匯連接一次到位，合理擺放儲(chǔ)液罐和連續(xù)混配車位置，一次性連接多井組低壓管匯和高壓管匯，在高壓泵車組與多井口之間安裝多井口高壓管匯聯(lián)動(dòng)裝置，通過高壓閥門的開啟和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)不同井口壓裂施工；(5)壓裂返排液處理，“工廠化”壓裂液量大，為提高水資源利用率，減少污水排放，緩解環(huán)保壓力，對(duì)壓裂返排液需要處理后再利用。

圖2 規(guī)范化的壓裂施工裝備配置流程圖

規(guī)范化壓裂流程根據(jù)壓裂工序展開，所有設(shè)備協(xié)調(diào)同步工作，提高設(shè)備的綜合利用效率，減少段與段之間非生產(chǎn)等待時(shí)間。整個(gè)壓裂施工過程中，主輔設(shè)備一次擺放到位，高低壓管匯一次連接，所有段與段之間的施工流程切換，通過倒換高低壓管匯流程中的閥門實(shí)現(xiàn)，以減少輔助工序時(shí)間，能夠大幅提高壓裂效率。

3 “井工廠”壓裂作業(yè)裝備配套模式

“井工廠”壓裂作業(yè)裝備配套需要根據(jù)施工井的具體情況進(jìn)行配置，表1為在鄂爾多斯地區(qū)壓裂施工企業(yè)基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)表，除主力裝備需要進(jìn)行優(yōu)化配置以外，為適應(yīng)大排量、長(zhǎng)時(shí)間、強(qiáng)加砂的要求，還需要配套壓裂液連續(xù)混配裝置、連續(xù)供砂裝置、多井口高壓管匯聯(lián)動(dòng)裝置，以適應(yīng)“井工廠”作業(yè)需求。

表1 鄂爾多斯地區(qū)壓裂施工基本參數(shù)表

3.1 主力裝備配置模式

3.1.1 壓裂泵車

在鄂爾多斯地區(qū)作業(yè)的壓裂泵車主力機(jī)型為2000型、2300型和2500型壓裂泵車，“井工廠”壓裂使壓裂設(shè)備的工作狀況發(fā)生了較大的變化，常規(guī)壓裂施工被定義為間歇工況，隨著“井工廠”壓裂中壓裂泵車持續(xù)工作時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，壓裂逐步由間歇工況向連續(xù)工況轉(zhuǎn)變，需要更多的泵車進(jìn)行功率儲(chǔ)備。為使裝備能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作及易損件的更換，壓裂機(jī)組的功率儲(chǔ)備應(yīng)根據(jù)工作時(shí)間的長(zhǎng)短逐步增大，其具體原則可參照表2。

表2 “井工廠”壓裂泵車功率儲(chǔ)備系數(shù)參照表

在配置壓裂泵車時(shí)，根據(jù)工作壓力來選擇泵柱塞直徑，不同柱塞對(duì)應(yīng)不同壓力等級(jí)，高沖次會(huì)降低效率、產(chǎn)生沖擊并加速磨損，通常希望壓裂車以低檔位來完成施工。要滿足施工排量要求，可以使用更高檔位、更換大柱塞直徑、增加車數(shù)量方式實(shí)現(xiàn)，若更換大柱塞直徑，可增大同檔位下排量，但壓裂車最高工作壓力又相應(yīng)降低。鄂爾多斯地區(qū)壓裂平均施工壓力不要超過所選擇裝備壓力等級(jí)的60%，否則，需配置更高壓力等級(jí)的壓裂泵車，目前，2500型壓裂車的流量壓力變化圖如圖3所示。根據(jù)上述原則，選擇2300型壓裂車、2500型壓裂車作為“井工廠”壓裂施工的主力車型，在該類型設(shè)備不足時(shí)用2000型壓裂車進(jìn)行補(bǔ)充。

圖3 2500型壓裂車不同柱塞流量、壓力變化趨勢(shì)圖

3.1.2 混砂車

目前可選擇配置的混砂車有HS360型和HS20型混砂車，在鄂爾多斯地區(qū)施工的混砂車是額定排量為16 m3/min的混砂車，實(shí)際施工排量均在8 m3/min以下，按85%的能力進(jìn)行考慮，單臺(tái)HS360型混砂車可以滿足該區(qū)域壓裂施工，隨著“井工廠”壓裂排量增大，在排量達(dá)到10 m3/min以上時(shí)，需要配備HS20型混砂車或采用1臺(tái)混砂車備用的方式解決。

3.1.3 管匯車

管匯車主要用于運(yùn)載和吊裝高壓管匯、管件，現(xiàn)有管匯通徑有2″、3″、4″三種規(guī)格，壓裂等級(jí)從70～140 MPa，管匯車配置主要考慮通徑和壓力等級(jí)，高壓管匯的液體流速應(yīng)小于12.8 m/s，其具體選配原則可參照表3，使用大直徑管線，可降低流速和水力沖擊，滿足“井工廠”長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)要求，亦可采取雙管路、多管路模式，最大限度降低壓力損失。根據(jù)上述原則，鄂爾多斯地區(qū)選擇3″中的105 MPa管匯車可滿足鄂爾多斯“井工廠”壓裂施工需求。

表3 不同通徑管匯極限流量參照表

3.1.4 儀表車

儀表車是整套機(jī)組控制中心，“井工廠”壓裂車配置數(shù)量多，一般均在10臺(tái)以上，采用手動(dòng)操作模式無法滿足施工中多階段精確控制的要求，由于現(xiàn)階段各廠商的儀表控制系統(tǒng)還不能做到完全兼容，在配套儀表車時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)壓裂、混砂、配液、采集等系統(tǒng)的互聯(lián)互通，當(dāng)多個(gè)儀表車聯(lián)合作業(yè)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)混砂車遠(yuǎn)控操作的儀表車為主儀表車，其它儀表車為配套儀表車，其接受指令來源于主儀表車并通過對(duì)講機(jī)下達(dá)。

3.2 輔助裝備配置模式

3.2.1 連續(xù)配液系統(tǒng)

國外“井工廠”壓裂連續(xù)配液采用“濃縮液”體系，連續(xù)混配車與化添車相連，井場(chǎng)沒有壓裂液罐。連續(xù)混合裝置在化添車上的濃縮壓裂液快速兌稀，并按設(shè)計(jì)比例快速混合以實(shí)現(xiàn)即混即配，國內(nèi)壓裂液采用“干粉”體系，在配胍膠壓裂液時(shí)，連續(xù)配液裝置的最大混配能力8 m3/min，可采用2臺(tái)配液車同時(shí)配液或者1臺(tái)配液車+儲(chǔ)罐模式完成。

3.2.2 連續(xù)輸砂系統(tǒng)

目前鄂爾多斯地區(qū)壓裂施工多通過運(yùn)砂車來回給混砂車供砂，增加了砂罐車數(shù)量及加砂臺(tái)數(shù)，可采用不同容積立式砂罐、大型輸砂器等實(shí)現(xiàn)支撐劑連續(xù)輸送，定制不同容積立式砂罐，對(duì)不同種類支撐劑進(jìn)行分裝，采用吊車將砂袋吊至砂罐口完成破砂，砂依靠重力自流加入混砂車砂斗，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)壓裂加砂的需要。

3.2.3 多井口高壓聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)

多井口壓裂高壓分流管匯是實(shí)施井工廠模式下“一平臺(tái)多井口”壓裂施工的專用設(shè)備，在整套壓裂機(jī)組與高壓管匯相連后，利用閘板閥的開啟與關(guān)閉，為壓裂液提供通道，控制壓裂液的走向，可以在不拆卸管匯的情況下實(shí)現(xiàn)壓裂液進(jìn)入不同井口，實(shí)現(xiàn)多井口壓裂。多井口壓裂高壓分流管匯由撬座、閘閥、壓裂頭、八通、盲板法蘭、高壓直管等組成，整個(gè)管匯接入口和排出口均采用3″ FIG1502扣進(jìn)行連接，方便與壓裂車高壓排出口實(shí)現(xiàn)互換。

3.3 集中供水與壓裂液處理模式

鄂爾多斯地下水資源豐富，“井工廠”壓裂需要?jiǎng)佑靡毫看?水平井單井液量3500 m3，直井單井液量800 m3)，采用儲(chǔ)液罐儲(chǔ)液所需液罐數(shù)量大，耗費(fèi)大量準(zhǔn)備時(shí)間，為保障水源的連續(xù)性，可在井場(chǎng)周圍修建水池，水源可以利用周圍河流或湖泊的水直接送到井場(chǎng)的水罐中或者在井場(chǎng)附近打水井做水源，所需要設(shè)備由供水泵、輸水管線、水分配器、水管線過橋等輔助設(shè)備構(gòu)成。

“井工廠”壓裂后返排液液量大，為減少污水排放，提高水資源利用率，需要對(duì)壓裂返排液進(jìn)行處理，主要針對(duì)不含天然氣的液體返排和混氣液體排放，根據(jù)壓裂返排液返排，確定返排液處理工藝，研制出壓裂返排液處理裝置。裝置的處理工藝根據(jù)返排液的組分進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前廣泛應(yīng)用的處理工藝為“混凝沉淀+污泥脫水+過濾殺菌”[3]；對(duì)于返排液粘度和酸堿度達(dá)不到油田公司壓裂液水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的廢水，可采用預(yù)氧化+調(diào)節(jié)pH值預(yù)處理工藝，處理后進(jìn)一步加入離子屏蔽劑，以達(dá)到壓裂液配液標(biāo)準(zhǔn)[4]。

4 結(jié)論

“井工廠”壓裂作業(yè)是提高鄂爾多斯地區(qū)大井組和叢式井組壓裂施工效率的基礎(chǔ)，是未來低成本儲(chǔ)層改造發(fā)展的趨勢(shì)，針對(duì)“井工廠”壓裂作業(yè)的施工特點(diǎn)，調(diào)研了鄂爾多斯地區(qū)“井工廠”壓裂施工狀況，提出了標(biāo)準(zhǔn)化的壓裂井場(chǎng)和規(guī)范化的“井工廠”壓裂流程，對(duì)涉及的主、輔設(shè)備及地面供水處理進(jìn)行了配套，可滿足當(dāng)前該地區(qū)“井工廠”壓裂施工的需要。不同壓裂液下的連續(xù)混配能力、返排液處理技術(shù)、地面設(shè)備的配套水平等與工程需求還存在差距，未來還需要對(duì)壓裂施工裝備能力、裝備配套水平、高效成熟的壓裂改造工藝流程進(jìn)行優(yōu)化和完善，進(jìn)一步提高效率，實(shí)現(xiàn)壓裂施工的高效、低成本運(yùn)作。