0 引言
页岩气属于高致密性低渗气藏，页岩气钻井基本上以水平井为主，需要对水平井进行分段压裂，将储层改造为密集的裂缝，从而使页岩气释放出来。美国是页岩气开发技术领先、商业化最成功的国家，丛式井、水平井和密集多段大型压裂等技术的应用，使美国的页岩气产量大幅增长。美国Barnett页岩气区块面积约1.2万km2，2008年钻井数量已达12 125口(不含因产量下降关闭的井)，已形成“地毯式钻井”[1]。
随着美国页岩气的大规模商业开发，全球掀起了一场页岩气开发的热潮，欧洲、亚洲的多个国家都启动了页岩气勘探开发计划。2011年国土资源部基本上完成了我国首次页岩气资源潜力评价工作。全国页岩气地质资源潜力评价结果为：地质资源134.42×1012m3，可采资源25.08×1012m3[2]。2012年3月，国家发改委、财政部、国土资源部和国家能源局共同发布《页岩气发展规划(2011—2015年)》，计划到2015年，国内页岩气产量将达65亿m3，2020年力争实现年产量600~1 000亿m3。由于页岩气属于超致密气，渗透率极低，若不进行大规模的水平井多段压裂对储层进行改造，页岩气就将无法开采，所以在页岩气开发过程中压裂作业便成为非常重要的一个完井环节[3-6]。
1 压裂成套装备解决方案总体介绍北美开发页岩气的成功经验虽然非常宝贵，但也要认识到中国页岩气的开发不可能复制北美的经验[7]。北美页岩气储藏地形平坦，道路状况良好，井场面积较大，具有多台大型设备的容纳能力，所以北美的页岩气压裂成套装备以半挂车载为主，包括压裂半挂车、混砂半挂车、仪表半挂车、压裂液混配半挂车、化学剂添加半挂车、储砂半挂车、输砂半挂车和管汇半挂车等。页岩气压裂设备的特点是压力高、流量大和时间长，所以车组作业一般配置输出功率40 000 hp(29 850 kW)左右。由于美国井场面积大，大多按照2250型(发动机功率2 250 hp，相当于国内的2000型)或2500型(发动机功率2 500 hp，相当于国内的2300型)压裂半挂车16~20台进行配置，再加上其他的配套设备，井场的规模非常大。美国大型页岩气压裂井场场景如图 1所示。
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| 图 1 美国大型页岩气压裂井场场景 Fig.1 Massive shale gas fracturing in the United States |
中国的页岩气藏埋深小于3 000 m的范围相对较少，部分页岩储层埋深超过5 000 m，而北美泥盆系、密西西比系页岩埋深为1 000~3 500 m，且中国页岩气藏多处在山区，井场的大小有限，井场布置困难。中国第一口页岩气水平井——威201-H1井压裂作业井场场景如图 2所示。
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| 图 2 中国第一口页岩气水平井——威201-H1井压裂作业井场场景 Fig.2 Fracturing of China' s first shale gas orizontal well—Well Wei 201-H1 |
h因此北美成熟的压裂成套装备无法直接应用于中国的页岩气开发。研究开发适合中国大型页岩气压裂装备的成套方案，以满足小井场的布置和山路的行驶成为研究的重要课题[8-10]。为此，烟台杰瑞石油装备技术有限公司依据北美页岩气压裂成装设备研发生产的成功技术和经验，根据我国页岩气开发的需要以及我国多山的油气藏地形特点，研究开发了适合中国大型页岩气压裂成套装备的解决方案。该压裂成套装备包括连续管作业系统、连续供液系统、连续输砂系统、混砂系统、高压注入系统、返排液处理系统、智能控制与数据处理系统。适合中国大型页岩气压裂成套装备的井场场景如图 3所示。
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| 图 3 适合中国大型页岩气压裂成套装备的井场场景 Fig.3 Wellsite layout of China' s massive shale gas fracturing complete equipmentS |
2 压裂成套装备技术指标
管汇最高工作压力：140 MPa；
压裂车单车最高压力：140 MPa；
压裂车单车最大流量：2.8 m3/min；
混砂车单车最大流量：38 m3/min；
压裂液混配车单车最大流量：10 m3/min；
液体添加剂车添加系统数量：10；
连续输砂设备最大流量：300 m3/h；
伸缩式立式砂罐容积：45 m3；
气力输送运砂车容量：16 m3/min；
气力输送运砂车输送流量：1 m3/min；
连续管作业车管子容量：ø50.8 mm(2 in)-6 000 m。
3 压裂成套装备解决方案系统介绍 3.1 连续管作业系统连续管作业系统主要进行水平井的分段喷砂射孔作业，包括下桥塞、喷砂射孔和桥塞钻磨等，它包括双车载大型连续管作业车及配套的井下工具和酸化压裂泵车。LGC450大型连续管作业车组采用双车结构，主车包括动力系统、操作系统、连续管滚筒和液压软管滚筒等，采用下沉式滚筒设计，有效降低整车高度，增大连续管容量，能够容纳50.8 mm(2 in)连续管6 000 m，满足大管径、深井施工作业要求；辅车包括注入头、随车吊、防喷器、防喷盒和防喷管等。双车设计有效地减小了单车的长度和质量，减小底盘转弯半径，增大设备爬坡角度，极大地提高了设备的道路通过性，满足山区的道路行驶要求。
ø50.8 mm(2 in)大管径设计，不仅可进行常规的冲砂解堵等小型作业，而且LGC450大型连续管作业车组尤其适用于桥塞钻磨、压裂等高压力和大排量大型作业，具有良好的作业种类覆盖性。LGC450连续管作业车照片如图 4所示。
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| 图 4 LGC450连续管作业车 Fig.4 LGC450 coiled tubing unit |
3.1.1 主要性能参数
连续管滚筒：LGGT 148-80-78，容量ø50.8 mm(2 in)-6 000 m；
防喷器：ø130 mm(5.12 in)，105 MPa，四闸板；
防喷盒：ø103 mm(4.06 in)，105 MPa，双联；
注入头连续提升力：450 kN；
注入头连续下推力：226 kN；
最小排量下的最大速度：52.0 m/min；
最大排量下的最大速度：17.5 m/min；
最小平稳运行速度：0.2 m/min。
3.1.2 LGC450双车连续管作业车组的作业区域适应性目前在国内页岩气开发中，南方海相地层是主力层系，尤其以下志留统龙马溪组为最优层系，代表区块为涪陵；以下寒武统牛蹄塘组为重要层系，代表区块为威远。这两个区域的道路大都比较崎岖，路况复杂，对运输车辆的转弯半径和爬坡性能等有较高要求。双车式连续管作业车组在道路通过性方面有着无可比拟的优势，每台车的整车长度只有12.5 m，远小于半挂车的21.1 m。在道路状况不好的油区和现场作业面积狭窄的油区，只有双车设备才能运输到达，从而实现在有限的作业面积内进行作业布置。
普通双车底盘只能承载ø50.8 mm(2 in)连续管2 870 m，这对于中国页岩气开发远远不够，只能用于浅井小型作业；而框架梁双车能够承载ø50.8 mm(2 in)连续管6 000 m，相应的整备承载比常规底盘大8 t，底盘驱动形式为8×8全驱，具有更优的重载设计和高性能运输能力。
3.1.3 LGC450双车连续管作业车组的作业种类适应性造斜及水平段的井身结构是导致井下工具送入的难点，连续管设备尤其适合水平井作业。作业过程中，由于地层及井下作业复杂性，需要连续多趟起下井作业，使用连续管作业可以大幅提高现场作业效率。
LGC450双车连续管作业车组于2015年3月在焦页28-4HF井进行通井射孔作业，之后进行压裂作业，4月进行钻磨作业。该作业前期的连续管通井射孔施工是为后续的加砂压裂提供泵送条件，下入复合桥塞压裂后，再利用连续管设备进行钻磨桥塞作业。图 5为该井井身结构，实钻轨迹总长为4 568 m，垂直井深2 548 m，AB水平段1 500 m。利用连续管进行钻磨桥塞作业，共需钻除21个桥塞。钻桥塞工具主要包括马达头总成、震击器、变扣、震荡器、变扣、螺杆马达和磨鞋，总长7.52 m，工具外径73.0 mm(2.875 in)、扣型为2
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| 图 5 井身结构 Fig.5 Wellbore configuration |
3.2 连续供液系统
连续供液系统为压裂作业提供在线连续混配的基液，由压裂液混配车和供水系统组成。页岩气压裂规模巨大，号称千方砂万方液，如此大量的液体采用常规压裂方式从配液站运输到井场很不现实，在线式连续混配才是解决问题的有效途径，这套系统的核心设备就是压裂液连续混配车。在国外大都使用胍胶浓缩液和水进行混配的连续混配车，这需要提前混配浓缩液，但浓缩液的储存受时间限制，若现场出现井况问题容易造成浪费。烟台杰瑞石油装备技术有限公司开发了能够用胍胶干粉与水直接在线式连续混合的混配车，其最大混配能力达到10 m3/min，出口黏度达到作业黏度要求的85%。HPGYC100混配供液车现场作业照片如图 6所示。
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| 图 6 HPGYC100混配供液车现场作业 Fig.6 On-site operation of the HPGYC100 mixing liquid supply truck |
3.2.1 主要性能参数
外形尺寸(长×宽×高)：12 200 mm×2 550 mm×4 000 mm；
质量：32 000 kg；
最大压裂液混配量：10 m3/min；
配液质量分数：0.2%~0.6%(粉水质量比)。
3.2.2 HPGYC100性能验证2014年6月3日，中石油西部钻探井下作业公司运用HPGYC100混配供液车在玛153-H井进行作业。该井共13层，液量约7 000 m3，粉水质量比为0.35%、0.38%和0.40%，共使用胍胶粉约28 t。在作业过程中对设备各个排量下的配液出口黏度进行测试，该车出口黏度明显高于其他厂家混配车，测试结果如表 1所示。
| 粉水质量比/% | 排量/(m3·min-1) | 黏度/cP |
| 0.35 | 2 | 39.0 |
| 0.35 | 4 | 33.0 |
| 0.35 | 5 | 33.0 |
| 0.35 | 6 | 33.0 |
| 0.35 | 7 | 33.0 |
| 0.35 | 8 | 31.5 |
| 0.35 | 10 | 24.0 |
2014年11月29日，大庆葡34-平2井应用1台HPGYC100混配供液车进行作业。该井共8层，累计11 680 m3，压裂最大排量13 m3/min，混配车最大排量10.5 m3/min；在-10 ℃条件下，客户对胍胶液出口黏度进行测试，配比为0.35%，以10 m3/min排量作业，单层累计连续配液达1 302 m3。作业过程中测试排出口基液黏度为24 cP，5 min后超过35 cP，而配液站0.35%配比时的黏度要求为30 cP以上，该车出口黏度即达到实验室黏度的80%以上，轻松实现井场大排量、高质量的即时配液。
该地区之前使用的是最大排量为7 m3/min的小排量组合式混配设备。设备占地面积大，作业时要在压裂开始之前3 h左右开始配液。设备排出口放置8~10个储液罐，以保证大液量的持续供给，并且需要将配比提高到0.37%左右。混配供液车的应用大大提高了现场的配液效率，提升了作业质量。使用HPGYC100混配供液车现场连续配液和传统配液作业的对比如表 2所示。
| 项目 | HPGYC100 | 其他 |
| 排量/(m3·min-1) | 10 | 7 |
| 作业台(套)数 | 1 | 1 |
| 人员 | 1 | ＞2 |
| 缓冲罐数量 | 2 | 8 |
| 达到同等黏度的粉水质量比/% | 0.35 | 0.37 |
3.3 连续输砂系统
连续输砂系统为压裂作业的混砂系统提供连续加砂，由连续输砂设备、多方位输砂设备、伸缩式立式储砂罐、背罐车和风力输送运砂车等设备组成，根据作业工艺和地区的不同，采取不同的输砂形式进行作业。连续输砂系统具有灵活、多样和便于组合的特点。
储砂输砂半挂车采用扩展式砂罐，最大储砂量达到75 m3，最大输砂能力达到300 m3/h，2014年8月5日参与并顺利完成了由中石油西部钻探井下作业公司总包施工的昌吉油田第一口致密油水平井——JHW018井的压裂作业。该井是新疆油田致密油先导开发试验井，完钻井深5 325 m，水平段长2 063 m。此次压裂连续作业12 d，挤入地层总液量24 346.87 m3、支撑剂1 700.64 m3，属于典型的超大型压裂作业。首次投入使用的储砂输砂半挂车保证了连续加砂，单级加砂量达到166.8 m3，创国内纪录，大大减轻了工人作业强度，提高了作业效率，为新疆油田后续致密油扩大开发奠定了坚实的基础。储砂输砂半挂车现场作业照片如图 7所示。
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| 图 7 储砂输砂半挂车现场作业 Fig.7 On-site operation of sand storage and sand convey semi-trailer |
多方位输砂车的主要功能是在压裂施工前或者压裂施工过程中，将压裂支撑剂从地面输送到储砂输砂半挂车或者储砂罐内。除此之外更可以非常便利地将支撑剂储罐内剩余的物料转运到运砂罐车内，方便施工现场剩余物料的转运处理。该产品的最大输砂量达到2 m3/min，卸料高度为3~7 m，输砂系统水平面的旋转角度为左右各120°。该产品与储砂输砂半挂车联合作业在大庆油田得到成功推广应用，据2016年3月31日的《石油商报》报讯，大庆油田井下作业分公司全面提升大型压裂工厂化施工作业能力，与国际一流水平接轨，经过三年发展，实现了“三增三降”，即单井压裂后日增油达到常规工艺的6倍以上；资源利用率提高20%，运行效率提高50%以上；年施工能力由34口提高到300口；单井成本由2 000多万元降至850万元；单井施工周期由23 d缩短至10 d；单井用工由215人减至70人。多方位输砂车现场作业照片如图 8所示。
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| 图 8 多方位输砂车现场作业 Fig.8 Multi-directional sand conveying |
风力输送运砂车的主要功能是利用风送方式将压裂支撑剂输送到伸缩式立式砂罐内，其与传统吊车吊袋作业相比较，优势主要体现在3个方面：①变高空作业为低空作业，有效降低了作业高度6 m以上，无高空作业人员；②节省传统作业租用大型吊车每天上万元的费用；③变每5 min仅吊2至3袋砂(1.5 t/袋)为5袋砂，大大提高了作业效率。
3.4 混砂系统混砂系统由最大流量38 m3/min的HSC38双系统混砂车和10路的HTC10液体添加剂车组成，混砂车将两套相同的混合系统集成于一车，采用特殊的复合叶轮混配泵，压裂砂和基液分别从混配泵的上下口进入，在泵内混合成压裂液并排出供给压裂车。该混砂车除了常规配置的液体添加剂系统和干粉添加剂系统以外，还配置了特殊的纤维添加系统，不仅能够进行常规的混砂作业，还具备脉冲间歇加砂的“高速通道压裂”的混砂作业。液体添加剂车主要解决复杂压裂液配方的混配，混砂车自带的液体添加剂系统数量往往不能满足复杂压裂液配方的需要，而该设备不仅能够保证液体添加剂的种类要求，还能满足连续作业液体添加剂量的要求。
3.4.1 主要性能参数双系统混砂车：外形尺寸(长×宽×高)为11 530 mm×2 740 mm×4 000 mm，质量为36 000 kg，单车最大流量为38 m3/min。
液体添加剂车：外形尺寸(长×宽×高)为12 500 mm×2 500 mm×4 000 mm，质量为26 000 kg，化添系统数量为10套，最高排出压力为1.4 MPa，化添罐数量：10套。
3.4.2 混砂系统性能验证双系统混砂车于2014年5月在新疆克拉玛依完成了脉冲加砂作业，注入液量102 m3、石英砂10 m3、排量2.5 m3/min，施工合格率100%，执行设计100%。加砂最高瞬时流量达到38 m3/min。双系统混砂车现场作业照片如图 9所示。
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| 图 9 双系统混砂车现场作业 Fig.9 Dual system sand mixing truck |
HSC38型混砂车作业效率是目前世界主流HSC20型混砂车的2倍。两种混砂设备作业情况对比如表 3所示。
| 设备型号 | HSC20 | HSC38 |
| 最大排量/(m3·min-1) | 19 | 38 |
| 最高压力/MPa | 0.55 | 0.7 |
| 最大砂质量浓度/(kg·m-3) | 2 400 | 2 400 |
| 同规模作业占地面积/m2 | 67.5 | 31.6 |
| 砂浓度计量方式 | 绞龙/放射性密度计 | 绞龙/闸板/放射性密度计 |
| 适用作业工艺 | 连续加砂 | 连续加砂/间段加砂/纤维加砂 |
3.5 高压注入系统
高压注入系统是将压裂液高压泵入井底进行压裂作业的关键系统，由YLC140-2320型压裂车(3100型压裂车)[11]、140 MPa高压管汇车和140 MPa井口分流管汇橇组成。
YLC140-2320型压裂车是目前世界上柴油机驱动的最大型号压裂车，最大输出水功率为3 115 hp(2 320 kW), 采用体积和质量更小的三缸柱塞压裂泵，使整车质量和尺寸与目前主流的2500型压裂车基本相同，但输出水功率提升了约25%。YLC140-2320型压裂车照片如图 10所示。
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| 图 10 YLC140-2320型压裂车 Fig.10 YLC140-2320 fracturing truck |
YGC140型高压管汇车采用双车载形式，高压管汇配置压力等级为140 MPa，主车装载随车吊和地面高低压管汇，辅车装载高低压管汇橇，满足大型页岩气压裂作业管汇的装载能力要求。YGC型高压管汇车照片如图 11所示。
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| 图 11 YGC140型高压管汇车 Fig.11 YGC140 high pressure manifold truck |
压裂分流管汇橇主要用于多井口压裂，由140 MPa的压裂阀、压裂头、连接管、四通、六通和底橇等部件组成，如图 12所示。该设备可设置多个通道，每个通道通过压裂头分为多个出口，通过压裂阀的开关控制，实现各通道之间的通断及多井口的拉链式压裂作业。
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| 图 12 压裂分流管汇橇 Fig.12 Fracturing diverting manifold skid |
3.6 返排液处理系统
返排液处理系统是将压裂返排液进行处理并重复使用的系统，是页岩气压裂作业节约用水和减排环保的系统。在作业过程中该系统将压裂返排液处理到能够二次使用的标准，重复进行压裂液的配置，可以节省60%的用水量，压裂作业结束后还可以将返排液处理至可以排放的国家标准，减少排放污染，达到节能减排的目的。返排液处理工艺流程如图 13所示。
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| 图 13 返排液处理工艺流程 Fig.13 Flowback fluid treatment process |
3.7 智能控制与数据处理系统
智能控制与数据处理系统是整套设备的控制核心。整套控制与数据处理系统集成为一台压裂仪表车，具备对全井场整套设备的集中控制、故障诊断、数据采集和数据处理等功能。系统采用全集成控制理念、环形冗余网络设计以及有线与无线备用设计，具有安全可靠、操作简单和远程传输等特点。智能控制与数据处理系统运行界面如图 14所示。
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| 图 14 智能控制与数据处理系统运行界面 Fig.14 Interface of intelligent control and data processing system |
4 结论
适合中国大型页岩气压裂成套装备的解决方案解决了如下问题：
(1) 提高了压裂车的单机功率和混砂车的单机最大流量；压裂液连续混配与连续供砂系统的配置，使井场配置的设备数量减少，解决了中国页岩气储藏地区井场狭小的问题，可在有限井场空间实现大规模压裂作业，同时也减少了作业人员和驾驶人员的投入。
(2) 车载化和轻量化的设计解决了设备在中国页岩气储藏地区狭窄崎岖道路上的行驶问题。
(3) 连续配液和连续加砂系统的设计实现了大规模作业的连续性，并提高了作业效率和作业的安全性，压裂基液在线式混配即混即用，既节约，又环保。
(4) 混砂车的方案设计不仅可以解决大排量问题，而且可以实现纤维添加和脉冲间歇加砂，实现了“高速通道压裂”的压裂工艺。
(5) 压裂返排液处理系统的配置，不仅实现了水资源的节约和有效利用，还实现了达标排放、节能环保。
(6) 智能的集成控制与数据采集处理系统安全可靠、操作简单，不仅可远程控制现场设备作业，还可进行现场数据采集、处理和远程传输，保证作业的安全性和稳定性。
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