页岩气水平井大型压裂设备配套及应用

曾雨辰杨保军

（1.中原石油工程公司井下特种作业公司，河南濮阳 457164；2.深圳市百勤石油技术有限公司，广东深圳 518054）

页岩气水平井大型压裂设备配套及应用

曾雨辰1，2杨保军1

（1.中原石油工程公司井下特种作业公司，河南濮阳 457164；2.深圳市百勤石油技术有限公司，广东深圳 518054）

为满足页岩气水平井分段大型压裂施工的需要，根据施工井的具体情况对主要压裂设备（压裂机组）进行了优化配置，并配套了压裂液混配设备、低压供液系统、立式砂罐等辅助压裂设备，满足了勘探阶段页岩气水平井大型压裂大排量、大液量、大砂量、使用多种液体和多种粒径支撑剂、施工时间长的工艺要求。涪页HF-1井、彭页HF-1井、延页平1井等3口页岩气水平井的成功压裂作业，为页岩气水平井大型压裂施工设备配套及应用积累了经验，增强了页岩气水平井大型压裂施工服务的能力。对今后页岩气 “井工厂”模式的开发，目前的压裂设备配套与压裂工艺对设备的需求还有一定的距离，需要加以完善。

页岩气；大型压裂；压裂设备；水平井；分段压裂

页岩气储层具有典型的低孔低渗物性特征，所有的井都需要实施压裂改造才能使天然气被开采出来。北美页岩气开发的成功经验表明，水平井加分段大型压裂技术是页岩气勘探开发的关键技术。与常规低渗透油气藏水平井分段压裂施工不同，页岩气水平井分段压裂具有大排量、大液量、大砂量、低砂比、使用多种液体和多种粒径支撑剂、施工时间长等特点。压裂施工所配套的设备及地面流程要适应页岩气压裂的这种特点才能满足页岩气水平井储层压裂现场施工需要。

“中原井下”现有的7套压裂机组，泵车总数达到50台，主力机型为2500HHP和2000HHP压裂车，总施工水马力达到105600HHP。由于压裂设备分布在不同的施工区域，在具体井施工时，需要根据现场实际对参与施工的设备配置进行优化、调配。2010年起“中原井下”就涉足到中石化第一批页岩气直井方深1井、黄页1井的大型压裂工程服务中，对页岩气井大型压裂所需设备及地面流程进行了初步配套。在此基础上，针对页岩气水平井分段大型压裂的需要，对压裂设备及地面流程做了进一步的配套完善，完成了涪页HF-1井、彭页HF-1井、延页平1井3口页岩气水平井的分段大型压裂施工。

1 主要压裂设备

1.1 压裂泵车

目前压裂泵车主力机型为2500HHP和2000HHP压裂车。页岩气水平井的压裂特点使压裂设备的工作状况发生了较大的变化，压裂泵车持续工作时间长，需要更多的泵车进行储备。压裂泵车配置除考虑压裂设计总功率外，还需根据泵车的连续工作时间选择泵车功率储备系数（见表1），由此确定压裂泵车的型号和数量。

表1 压裂泵车功率系数确定原则

在使用泵车时可以参考SPM压裂泵（QWS2500 CLASSIC）工作周期曲线（见图1）来确定单台泵车的压力、排量和工作时间。图中蓝色区域对大泵的使用最为有利，大泵可以长时间工作。泵车施工压力在最大工作压力80%以下，并且泵车排量在允许的最大排量80%以下，有利于保证大泵的使用寿命。但通常这个条件难以满足，特别是压力方面，这就需要从大泵的工作时间进行有效安排，尽量减小高功率下的工作时间。

图1 QWS2500 CLASSIC泵工作周期曲线

2500HHP压裂车使用Ø101.6 mm柱塞时最大排量2.47 m3/min，对应工作压力45.3 MPa；最高工作压力123 MPa，对应工作排量0.867 m3/min。使用Ø95.25 mm柱塞时最大排量2.17 m3/min，对应工作压力51.5 MPa；最高工作压力140 MPa，对应工作排量0.76 m3/min。2000HHP压裂车最大排量2.48 m3/min，对应工作压力36 MPa；最高工作压力103 MPa，对应工作排量0.48 m3/min。依据上述原则，选用2500HHP压裂车作为页岩气水平井分段大型压裂用车，在2500HHP压裂车数量不足的情况下用2000HHP压裂车进行补充。

1.2 混砂车

目前尚未配套额定排量20 m3/min的混砂车，额定排量16 m3/min的混砂车为主力机型，按85%的能力进行考虑，单台混砂车可以进行施工排量≤13 m3/min的压裂施工，页岩气压裂注液量大、施工时间长，需要备用1台混砂车。如果施工排量在13～26 m3/min之间，则需要2台混砂车同时工作，同样需要备用另外的混砂车。

1.3 仪表车

仪表车用于远距离采集和显示施工参数，进行实时数据采集、施工监测及裂缝模拟并对施工的全过程进行分析。由于不同的压裂设备配套不同的仪表车操控、采集系统，不能互联、互换使用，因而需要根据泵车、混砂车的型号配置相应的仪表车。当不只一台仪表车用于施工时，将操控混砂车的仪表车作为主仪表车，通过对讲机通话方式下达指令给其他仪表车实现对压裂泵车的操控。

1.4 管汇车

管汇车主要用于运载和吊装高压管汇、管件。目前配套用于页岩气井压裂的高压管汇、管件额定工作压力为103 MPa。对于大排量、大液量的页岩气井压裂，为减少含砂液体高速度、长时间对高压管件的冲刷磨蚀，采用双管汇系统，通过4根Ø76 mm高压管线连接至压裂井口。

2 辅助压裂设备

2.1 压裂液混配设备

页岩气井大型压裂需要大排量、大液量连续作业，传统的液体配制及使用方式不能满足施工需要。国外通常采用连续混配车与化学添加剂比例泵车与混砂车相连，井场液罐只需存储清水，化学添加剂通过混配车与比例泵车在施工过程中精确在线加入，实现了压裂液的即配即注，而连续混配车的最大配液排量与混砂车的额定排量必须匹配。目前配套的CSGT-480压裂液混配车，设计额定排量为8.0 m3/ min，实际使用排量不超过6 m3/min，尽管是当前国内最大排量的压裂液混配车，还是与混砂车的额定排量不匹配。在页岩气井压裂施工中主要用于线性胶或凝胶基液的配制，配液速度比传统配液工艺快3～5倍。使用一定量的胶液储罐预先配满，施工时随时配液补充至罐内，不会影响施工。

另外就是使用额定排量16 m3/min的撬装酸泵来配制滑溜水。用粉剂PAM作为降阻剂的滑溜水则使用压裂液混配车进行配制。

2.2 低压供液系统

为满足施工排量10～15 m3/min的需要，定制加工了一批Ø254 mm低压汇管及配套Ø254 mm胶皮管线。通过低压汇管的串联，可实现供液罐之间及与混砂车的合理有效连接。2台额定排量为864 m3/ h的离心泵用于储水池向液罐供水。这些配套设施确保了页岩气井大排量、大液量施工的连续供液。

2.3 立式砂罐

页岩气井压裂通常采用2种或3种粒径的支撑剂，采用砂罐车给混砂车供砂，往往需较多砂罐车数量及加砂台次，在倒换砂罐车时还会造成加砂不均匀现象出现，加上山区井场条件也使砂罐车使用受限。定制加工了2具100 m3立式砂罐，可以对2种支撑剂进行分装，依靠重力自流，单罐的供砂速度可达3 m3/min。当需要加3种粒径的支撑剂时，其中用量最少的1种采取吊装加入混砂车砂斗的方法，初步满足了现场压裂加砂的需要。

3 现场施工

3.1 工艺方案

3口页岩气水平井均选用了泵送快钻桥塞分段压裂工艺、Ø139.7 mm套管注入方式对水平段页岩层进行逐段大型压裂改造。涪页HF-1井和彭页HF-1井第1段采用连续油管传输射孔，延页平1井第1段采用爬行器拖动射孔枪电缆传输射孔，射后进行第1段压裂。从第2段起至后续各段均采用水力泵送式快钻桥塞隔离+电缆射孔联作后进行压裂的工艺，逐段进行封堵、射孔、压裂作业。每口井第1段主压裂前均进行小型压裂试验，每个压裂段先注入酸液进行预处理，再进行主压裂施工。待所有段都压裂完成后，最后再进行钻塞、排液、试气作业。3口井的主要压裂设计参数见表2。

表2 3口页岩气井主要压裂设计参数

各井施工由多支专业技术队伍协同完成，其中“中原井下”负责压裂作业，国际知名服务公司负责桥塞+射孔联作作业，试气作业以及连续油管施工由其他国内专业队伍负责。

涪页HF-1井采用了每段一致的压裂泵注程序，滑溜水阶段段塞式加砂，冻胶阶段连续加砂，贝克休斯公司提供桥塞+射孔联作和压裂液服务。

彭页HF-1井每段压裂泵注程序各不相同，滑溜水阶段段塞式加砂，线性胶阶段连续加砂，哈里伯顿公司提供桥塞+射孔联作和压裂液服务。

延页平1井每段压裂泵注程序各不相同，加砂阶段均为段塞式加砂，斯伦贝谢公司提供桥塞+射

孔联作服务，使用延长石油集团研究院研制的压裂液。

3.2 压裂施工准备

3.2.1 压裂井口 为保证桥塞的顺利入井，选择了大通径、抗压高的压裂井口，各井压裂井口级别及主通径见表3。

表3 各井压裂井口参数

3.2.2 压裂液 涪页HF-1井和延页平1井现场预先配制一定量的滑溜水浓缩液，施工时按比例与清水混合注入井内。可根据需要随时配液补充或在每段压裂结束后下桥塞、射孔期间，进行配制补充。彭页HF-1井从水池往储罐内打水时加入杀菌剂和防水锁剂，施工中降阻剂和破胶剂为混砂车在线加入。各井滑溜水准备情况见表4。

表4 各井滑溜水配制统计

涪页HF-1井的凝胶基液和彭页HF-1井的线性胶预先配出1～2段的用量，随后根据需要进行配制补充或在每段压裂结束后下桥塞、射孔期间，进行配制补充。延页平1井使用的清洁压裂液为预先生产的成品，使用时按比例在线加入。各井压裂液准备情况见表5。

表5 各井压裂液配制统计

涪页HF-1井配制了15%的盐酸80 m3，彭页HF-1井配制了15%的盐酸160 m3，延页平1井将配制好的15%的盐酸70 m3运送到现场。

3.2.3 支撑剂 涪页HF-1井用2具100 m3立式砂罐分别装入40/70目和30/50目陶粒，一边施工一边往罐内补充，采用吊车将吨包吊至混砂车砂斗上方将100目陶粒加入；彭页HF-1井用2具100 m3立式砂罐分别装入100目和40/70目石英砂，一边施工一边往罐内补充；延页平1井使用7台10 m3砂罐车轮流倒换进行压裂加砂；各井支撑剂准备情况见表6。

表6 各井支撑剂准备情况统计

3.2.4 压裂设备 各井压裂施工实际动用的主要设备见表7。其中延页平1井考虑了设备就近方便动迁的因素，动用的压裂车为2000型和1800型，使用的16台离心泵为小排量离心泵，为业主自行准备。

表7 压裂施工主要设备统计 台

3.3 压裂施工

涪页HF-1井完成了10段大型压裂施工，彭页HF-1井完成了12段大型压裂施工，延页平1井完成了7段大型压裂施工，各井施工数据见表8。总液量中包含了小型压裂、各段前置酸液、加砂压裂用液以及泵送桥塞所用液体。施工曲线见图2～4，图中曲线不包含小型压裂和泵送桥塞的部分。其中涪页HF-1井进行了10段12次压裂；彭页HF-1井根据现场施工情况对泵注程序及时进行调整，注入的总液量和总砂量比设计均有较大幅度的提高；延页平1井射孔簇数调整后比设计多压了1段。

表8 压裂施工统计

图2 涪页HF-1井加砂压裂施工曲线

图3 彭页HF-1井加砂压裂施工曲线

图4 延页平1井加砂压裂施工曲线

4 结论与认识

（1）针对页岩气水平井分段大型压裂改造的特点，对压裂设备及地面流程进行了配套，满足了当前页岩气勘探阶段压裂施工的需要，完成了3口页岩气水平井的大型压裂作业，获得了可供今后借鉴的实践经验。

（2）当前的压裂设备及地面流程配套与当今页岩气开发模式对压裂改造的需求存在差距，主要是缺乏大排量的连续混配设备，不能实现大排量、大液量即配即注压裂施工，也缺乏返排液处理及重复利用的设备。

（3）按照页岩气“井工厂”开发模式，今后还需要对压裂设备进行配套、升级和完善，以达到加快施工速度、减少作业环节、防止压裂液浪费、实现环境保护的目的。

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Equipment outfitting and application for large-scale fracturing in shale gas horizontal wells

ZENG Yuchen1, 2, YANG Baojun1

（1. Downhole Service Company of Zhongyuan Petroleum Engineering Co., Ltd., Puyang 457164, China; 2. Petro-king Oilfield Technology Ltd., Shenzhen 518054, China）

To fulfill the necessary of large scale staged fracturing operation in the shale gas horizontal wells, the main fracturing equipment (fracturing units) was optimized according to the concrete requirements of construction well. And then a series of accessorial equipment were matched such as fracturing fluids blending system, low pressure fluids supplying system, vertical sand tanks. The optimized equipment and technology meet the requirements of large scale staged fracturing operation in the shale gas horizontal wells, which is characterized by high pumping rate, large fluids volume, huge proppants volume, various fluids and various proppants involved and long operational time. The new technique was successfully applied in wells Fuye HF-1, Pengye HF-1, and Yanyeping-1. So experiences have been accumulated on the large scale shale gas horizontal wells fracturing equipments outfitting and application, and services capability on the large scale shale horizontal wells stimulation have been enhanced. For ‘well factory’ model of shale gas development in the future, fracturing equipments outfitting and technologies at present are fallen behind the requirement, which need to be improved.

shale gas; large-scale fracturing; fracturing equipment; horizontal well; staged-fracturing

曾雨辰，杨保军. 页岩气水平井大型压裂设备配套及应用［J］. 石油钻采工艺，2013，35（6）：78-82.

TE934.2

A

2013-10-11）

〔编辑 景 暖〕

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0078 – 05

中原油田科技攻关项目“非常规储层压裂地面施工配套技术研究”（编号：2012220）部分内容。

曾雨辰，1963年生。1982年毕业于西南石油学院采油工程专业。原在中原石油工程公司井下特种作业公司工作，现在深圳市百勤石油技术有限公司从事油气增产技术研究和管理工作，教授级高级工程师。电话：13333935733。E-mail：zeng_ yc@126.com。