0 引言

工厂化压裂作为美国“页岩气革命”和致密油规模化开发的关键技术, 推动了页岩气及致密油气资源的节能环保和经济高效开发, 目前已在北美大规模应用。与一套车组一次只对一口井施工的常规压裂相比, 工厂化压裂是规模化、标准化和流程化的高层次压裂模式, 具有加快施工速度、降低施工成本、提高设备利用率和增强改造效果等诸多优点。但是, 工厂化压裂单井场内设备众多、连续施工时间长, 且具有“大排量、大液量、大砂量、高压力、高风险”的典型施工特征, 因此对压裂设备及配套提出了更高要求。2010年以来, 随着工厂化压裂技术在国内的研究应用, 我国工厂化压裂地面装备发展迅速, 并取得了良好的应用效果, 但是整体水平与国外还有一定差距。目前国内系统介绍我国工厂化压裂地面装备情况的文献少有报道, 因此开展相关的研究分析, 对我国现阶段正在进行的工厂化压裂探索试验、装备优配和今后的推广应用具有借鉴和参考作用。

1 国外工厂化压裂装备配套现状

“工厂化压裂”概念是在2005年由哈里伯顿公司率先提出^[1], 其本质特征是在一个井场安排1套或1套以上的压裂机组, 在压裂设备基本不动的情况下, 对井场内的多口井集中、连续压裂。经过10多年的发展改进, 以北美为代表的国外工厂化压裂结合其井场条件、压裂工艺和施工成本等因素, 目前已经形成了适用完善的工厂化压裂关键地面装备配套:即由水罐、污水处理设备、分水器、输水管线和泵等组成的连续供水系统; 由连续混配车(最大混配能力16 m³/min以上)、液体添加剂车和各种液体运输车等组成的连续配液系统; 由巨型砂罐(容积80 m³)、大型输砂器(最大输砂能力6 750 kg/min)和密闭运砂车(单次运砂22.5 t)等组成的连续供砂系统; 由压裂泵车(以2250型为主)、混砂车(最大输出排量和输砂能力分别为20 m³/min、9 560 kg/min)、仪表车、高低压管汇和压裂井口等组成的连续泵注系统^[2-4]。

2 我国工厂化压裂装备配套难点

目前, 我国工厂化压裂技术主要应用于陆地页岩气、致密气以及致密油丛式水平井组的增产改造。与北美相比, 除了技术本身对设备配套提出了更高要求外, 我国的地理环境、储层特征和井场条件等因素, 也显著增加了工厂化压裂地面装备的配套难度, 主要体现在以下几个方面。

(1) 页岩气、致密油气区地形地貌以山地、丘陵、峁塬为主, 道路条件差、大面积井场部署困难(大多数井区单井场部署6~10口井已是极限), 不利于压裂设备的安装摆放以及大型、重型设备的运输。

(2) 非常规油气资源普遍具有埋藏更深、渗透率更低以及储层敏感性更强的特性, 对压裂设备的工作压力和施工排量等提出了更高的要求。

(3) 页岩气、致密油气井区普遍存在水资源贫乏、储水条件差及环保压力大的问题, 增加了经济高效供水难度, 对水资源高效利用提出了更迫切的要求。

3 我国工厂化压裂地面装备配套现状 3.1 连续供水装备

为了满足工厂化压裂连续大量用水需要, 并最大限度减少现场储液罐数量、占地面积和降低运输成本, 我国各工厂化压裂作业区根据当地的地形地貌及水源条件, 建立了“水源井或河流→转运站→井场蓄水池+储液罐”、“水源井或河流、注水井网→井场蓄水池+储液罐”等供水模式, 研制配套了移动蓄水池(见图 1)、大容量储水套罐(见图 2)、分水器和大排量供水泵等装备, 供水能力达20 m³/min以上。特别是移动蓄水池, 不但可以重复利用, 而且能够避免现场修填蓄水池、减小占地面积和对环境的破坏, 非常适合于我国山地及峁塬地区等不具备现场开挖蓄水池的井场使用。

3.2 连续混配装备

北美地区工厂化压裂作业现场主要进行浓缩压裂液与清水、液体添加剂的混配, 设备配置相对简单^[5]。目前我国工厂化压裂使用的压裂液主要有滑溜水、胍胶和浓缩压裂液3种类型, 不同体系使用的混配工艺和装备也有所不同, 且采用干粉与清水、液体添加剂方式混配的胍胶体系在我国应用广泛, 其混配主体包括有射流混合器和混合罐, 甚至还配有静态混合器实现多重混合。

为了满足工厂化压裂大排量、大液量连续施工要求, 特别是为了满足适合我国国情的干粉胍胶压裂液边配边注要求, 杰瑞石油装备技术有限公司、北京矿冶研究总院及长庆油田井下作业技术作业公司等专业石油装备公司和工程技术服务公司, 一方面通过对原有混配车改造升级, 将单车最大混配排量提升至8 m³/min以上^[6]; 另一方面, 通过研发大排量连续混配车或混配橇, 如分体式连续混配车(单车最大混配排量10 m³/min, 将混配系统和粉罐系统分别安装在独立的混配主车与粉罐辅车上, 直接改变了常规混配车作业模式, 大幅提升了作业现场的安全性和持续作业能力, 并且可通过“1+N”形式为现场提供实时、持续的超大量压裂液)、干粉型连续混配车(最大混配排量12 m³/min, 加粉精度±1%, 粉水质量比0.2%~0.6%)、连续混配装置(有固定式和移动式2种类型, 最大混配排量20 m³/min, 最高可同时满足6种液体介质+1种干料的添加, 加料精度达±1%, 溶液配比精度±2%)等^[7-10], 并配套使用液体添加剂车(橇)、缓冲罐和液添罐等辅助装备, 实现了压裂液施工现场边配边注、液体添加剂在线实时精确添加, 避免了传统人工配液方式存在的罐群多占地面积大、劳动强度高、配液速度慢、材料浪费严重以及环境污染等问题。

3.3 连续供砂装备

工厂化压裂砂量需求大且加砂速度快(3~8 m³/min或更高), 如采用传统加砂方式, 中途需倒砂罐, 易造成加砂间断、铺砂不连续, 影响施工效果。为保证工厂化压裂施工的连续加砂, 建立了“运砂车→连续输砂车→混砂车”、“运砂车→大容积储砂罐→混砂车”、“运砂车→大容积储砂罐→连续输砂车(橇)→混砂车”等连续供砂模式, 研发配套了相应装置, 提高了加砂速度和质量, 满足了工厂化压裂加砂需求。

3.3.1 大容积储砂罐

目前, 国内工厂化压裂作业中使用的储砂罐有立式或卧式、无动力自流式或螺旋输砂绞龙式、橇装式或车载式等多种类型, 单罐容积最高可达200 m³, 单罐最大输砂速度达5.0 m³/min, 最多可满足3种不同粒径支撑剂的储存和连续输送。

3.3.2 连续输砂车(橇)

为了满足5 m³/min以上工厂化压裂的输砂要求, 需要配套专门的连续输砂装置, 目前国内已研发使用了多种类型的相关产品, 主要包括以下几种。

(1) 输砂半挂车。该车最大输砂速度5.8 m³/min, 其主要技术特点为:两侧可容纳多台储砂设备喂料; 能实时监测即时输砂量和累计输砂量; 改进型作业高度可达7 m, 同时还可进行左右120°的水平作业。

(2) 连续输砂橇。连续输砂橇最大输砂速度8 m³/min, 具有自动控制和砂量连续可调等功能。

(3) BKLS-15全自动连续输砂橇。该橇最大输砂速度15 m³/min, 连续工作时间≥9 h, 添加误差＜1%^[11-12]。

3.4 连续泵注装备 3.4.1 大排量混砂车

我国工厂化压裂施工排量普遍在7 m³/min以上, 局部井区2口井同步压裂施工排量曾突破20 m³/min。现阶段, 我国工厂化压裂作业主要使用100桶、120桶和130桶混砂车, 单台混砂车只能进行施工排量≤ 17 m³/min的压裂施工。如果施工排量大于17 m³/min, 则需要2台混砂车同时工作。为了减少混砂车数量和井场占用, 杰瑞石油装备技术有限公司结合我国工厂化压裂的井场条件, 研制了全球最大排量混砂车——240桶闭式脉冲混砂车, 并投入现场应用^[13], 该车夹砂最高瞬时流量高达38 m³/min, 作业效率是目前世界主流120桶混砂车的2倍。此外, 该车还打破了目前全球范围内240桶闭式混砂车只有拖车形式的惯例, 采用了通过性更好的车载结构, 更符合我国的道路状况。

3.4.2 大功率压裂车

目前, 我国工厂化压裂主要使用2500型和2000型压裂车, 为了更好地在较小的井场区域内, 使用较少的装备和足够的功率完成工厂化压裂施工作业, 中石化石油工程机械有限公司和杰瑞石油装备技术有限公司还研发了小体积、大功率、长时间作业性能稳定的压裂车(见表 1), 并已投入现场应用^[14-16]。以车组总功率需求为29 400 kW的某页岩气工厂化压裂为例, 如果按照2000型压裂车配置需要20台, 2500型压裂车配置需要16台; 如果采用3000型压裂车配置需要14台, 3100型压裂车配置需要13台, 和2000型压裂车相比节省出6~7台大型压裂设备的占地面积, 约300 m²; 如果采用4500型压裂车只需9台, 和2000型压裂车相比, 节省出13台大型压裂设备的占地面积, 约580 m²。

3.4.3 高低压管汇总成

为了避免高低压管汇连接繁琐、高压管汇冲蚀磨损严重、管线振动、远端压裂车供液不足以及安装占地面积大等问题, 我国工厂化压裂中普遍使用6头或8头高低压管汇总成。单个总成可实现1台混砂车对6或8台2000型及以上压裂车的高压注入连接和良好供液, 单个总成可满足5~8 m³/min的压裂排量要求, 总成中的高压管汇最高工作压力达140 MPa, 并且可以通过采用2套或以上的6头或8头高低压管汇总成, 可以实现10~16 m³/min以上排量的工厂化压裂需求。此外, 为了进一步减少大排量工厂化压裂的场地占用和简化管线连接, 还研发使用了140 MPa的法兰式高低压管汇总成, 单个总成可同时连接20辆压裂车, 满足排量20 m³/min的压裂施工^[17]。

3.4.4 专用压裂头

为了满足工厂化压裂大排量、高压力和桥塞分段压裂技术的施工要求, 国内工厂化压裂作业一般使用专用压裂头(6通道或8通道), 极限排量达20 m³/min, 主通径最大达180 mm, 最高工作压力达140 MPa。根据结构形式的不同, 目前国内的专用压裂头有平式和立式2种类型:平式加工工艺简单, 易磨蚀; 立式连接头属于异型, 不易加工, 通过改变压裂液体流动和冲刷方向, 能减缓其磨蚀, 延长其使用寿命。

3.4.5 压裂机组集中控制系统

工厂化压裂单井场内一般需要部署4~20台压裂车和2台以上混砂车, 在这种情况下, 普遍需要使用不同厂家制造的施工车辆组合才能满足施工要求, 但是由于控制系统数据信号的差异, 不同厂家制造的仪表车一般无法控制其他厂家的压裂车组和采集压裂施工参数。为了实现对不同厂家的多台压裂车组的集中控制, 国内研发了以网络控制为基础的多兼容压裂机组集中控制系统。该系统可集中控制30台以上不同厂家生产的压裂车组, 有效实现了机组高效协调作业。

3.5 压裂返排液回收利用装置

工厂化压裂不但连续用水量巨大, 而且施工期间压裂返排量也很大, 实现返排液的快速、高效回收利用是解决我国工厂化压裂水资源匮乏、提高施工效率、缓解环保和现场储液压力、节约用水用料的关键技术^[18]。针对这一现状, 国内多个油田已研发了适合工厂化压裂的可回收压裂液体系及配套回收处理装置。以长庆油田为例, 在致密油和致密气工厂化压裂施工中均使用了该技术, 研制了以液体回收罐和精细过滤装置为主的回收处理设备。采用这些回收处理设备可使压裂返排液平均回收利用率达到95%以上, 循环利用次数10次以上, 单井平均施工用水减少40%~60%, 为致密油气资源的绿色经济开发奠定了基础, 促进了工厂化压裂技术在长庆区域的推广应用。

4 应用情况及发展建议 4.1 应用效果

工厂化压裂需要大量的技术和装备, 近年来国内各工程公司和压裂装备专业制造公司借鉴北美经验, 结合国内实际情况, 以“小井场大作业”为指导思想, 一方面, 在原有装备的基础上, 建立健全了满足工厂化压裂作业需求的“储-配-供-压-回收利用”一体化地面装备配套; 另一方面, 以减少设备需求数量和井场占用为目标, 通过提高单机功率密度和性能, 研发应用了大功率、大排量、长时间连续作业的压裂车、混砂车和连续混配车等核心装备, 为工厂化压裂技术在我国的应用提供了装备支撑, 同时也有力促进了我国压裂装备制造能力和自主创新能力的提升。以中石油在长庆致密油和长宁页岩气等示范区进行的工厂化作业试验为例, 4个示范区共研制和应用工厂化压裂地面新装备17项, 从前期完成的18井组67口井的应用情况来看, 工厂化压裂不但大幅缩短了压裂周期(见图 3), 而且在减少施工成本、节约材料和水资源消耗、降低劳动强度和环保压力等方面效果也非常显著, 因此该技术推广应用前景广阔。

4.2 存在的主要问题及发展建议

(1) 部分新研发的装备, 如大功率压裂泵车、连续输砂车(橇)和连续混配装置等, 现场试验还比较少, 装备性能还有待进一步验证和完善。

(2) 我国工厂化压裂装备集群控制水平与国外还有较大差距, 施工中存在掉线、断网和压裂车组短时间失控等问题, 解决这些问题是下一步的重点攻关方向。

(3) 国内各工区由于作业规模、施工工艺和在用装备的不同, 工厂化压裂装备配套及相关工艺流程差异较大, 建议开展不同工艺流程的优化评价, 淘汰落后流程和设备, 以实现经济和技术的优配选择。

(4) 国内工厂化压裂普遍应用胍胶压裂液, 这不但限制了连续混配车的最大配液能力, 而且需要配备一定数量缓冲罐, 建议进一步开展高效水粉混配技术的试验研究和压裂液回收利用技术的推广应用。

(5) 目前我国工厂化压裂技术整体上还处在研究和试验阶段, 还没有针对工厂化压裂施工制定装备配置与连接规范, 各井区和工程公司大多根据自身条件进行装备配套, 无法完全满足经济安全的工厂化作业要求。

5 结束语

连续供水、连续混配、连续供砂和连续泵注装备对工厂化压裂的实施效果影响显著, 结合我国地形地貌、储层特征、井场条件和施工工艺特点研发的系列工厂化压裂地面装备近几年发展迅速, 多个单项装备已走在世界前列, 有力地推动了工厂化压裂技术在我国非常规油气资源开发上的试验应用。但是与国外相比, 在系统成套、集群控制、经济安全性和标准化方面还存在一定差距, 建议进一步从装备应用完善、优选配套和技术规范制定3方面入手, 尽快提升我国工厂化压裂地面装备配套, 以促进该技术在国内的进一步推广应用。