压裂辅助配套设备主要技术及特点的探讨

高春宏，邵宏宇，刘彦涛

（大庆油田装备制造集团，黑龙江 大庆 163000）

压裂辅助配套设备是当前工厂化压裂作业的必不可少的组成部分，工厂化压裂的概念，是指以单个平台多井次作为基础形成类似压裂作业的工厂，将井场变为压裂作业的工厂，集中配置人员、设备、物资、组织等要素，通过规模化、一体化的施工模式以及以先进的科技管理方法，来提升压裂作业的效率，进而减少单井平均开采成本，这是一种提高油气产能效益的重要模式。由于受到压裂井场现场条件、作业时间等一些客观原因的制约，规模化的压裂作业必须配备相应的压裂辅助配套设备才可以完成整个压裂作业的施工过程。通过应用压裂辅助配套设备能够实现供液、配液、输砂等工作流程在井场内闭环作业，这种工作模式可以满足高压力、大排量、大砂量、长时间连续工作的大型压裂施工作业的要求，进一步减少液罐车和砂罐车的运输车次、提高设备使用率，降低施工人员劳动强度，提升压裂作业效率。随着工厂化压裂技术在国内的研究应用，我国工厂化压裂辅助配套设备发展迅速，并取得了良好的应用效果，但是整体技术水平与国外还有相应的差距。

1 国外压裂设备技术现状

国外压裂设备的研发起步相对较早，随着致密油、页岩气等一些非常规油气资源的大批量开发以及水平井的大规模应用，压裂施工段数不断增多，压裂规模不断增加。近些年以来，国外的大型压裂现场作业经过不断的发展，目前已拥有非常完善的压裂辅助设备及工艺流程。以北美地区来讲，随着页岩气的开发，水平井以及大型压裂技术被关注，研发了多种高性能的压裂设备，工厂化压裂技术被广泛应用，作业效率及作业精度提高，加快了压裂作业的施工速度，降低了施工作业的成本。由于国外大部分地区当地压裂井场及道路的条件相对较好，井场面积较大，能够应用大型的压裂装备，压裂辅助设备的安装及布局也比较容易，同时国外使用的压裂成套装备中辅助设备种类虽然很多，但是压裂配套设备价格偏高，体积大，并不适合我国各大油田压裂井场的作业条件。因此，当前我们迫切需要研发外观体积小、布局方便、性能稳定的压裂辅助配套设备来满足国内油田井场的作业需求。

2 国内压裂辅助配套设备技术现状及特点

伴随着当前压裂施工技术在各大油田油气开采过程中的作用逐渐加大，压裂辅助配套设备也受到更多的重视及关注。通过分析目前国内各地规模化压裂施工的现状能够得出，因为不同区域压裂作业的规模、地理位置、施工工艺以及装备配置等方面不尽相同，导致各地压裂辅助配套设备的配置有所不同。我们根据国内各地页岩气开发的需要及地形的特点，结合压裂现场工况对配套设备相关工艺进行研究，研制开发了适合国内大多数油田的压裂辅助配套设备的解决方案。压裂辅助配套设备主要由水力提升动力机组、大型压裂蓄水装置、远程供水供液装置、高效配液设备、大型压裂连续加砂设备等共同组成。

2.1 水力提升动力机组

水利提升动力机组是主要由发动机、离心泵、进出水管汇、储油箱、柴油发电机、电控系统等部件组成，整体采用撬装结构。主要用于二级水源向大型压裂蓄水装置内供水的水力提升作业。水力提升动力机组采用一备一用的撬装式结构。两个撬装结构通过管汇进行连接，该设备具有结构简单，使用可靠，操作维护方便等特点，能够实现远程自动控制、发动机起停、实时监控机组的运行参数。该设备操作相对简单，运行稳定可靠，操作者可以通过手机控制软件远程监控该机组的运行情况，从而实现无人值守作业。

2.2 大型压裂蓄水装置

大型压裂蓄水装置主要由储池单片、进出水管汇、防护栏、观察台、内胆等部分构成，该装置是一种大型的室外容器，大型压裂蓄水设备主要功能是保证压裂施工过程所需清水的临时存储。该装置通过改变储池单片的数量，让蓄水装置的连接角度发生改变，从而实现蓄水装置的可变容功能。通过应用不同数量的储池单片可以使大型压裂蓄水装置容积在600～2000m³范围内可变。同时该装置的液位、温度等相关参数能够通过控制系统实现实时监控、远程传输。

2.3 远程供水供液装置

远程供水供液装置主要由撬装底架、主供液系统、副供液系统、液添系统、电控系统等部分组成。主要用于压裂作业时为混砂车配制滑溜水，为储酸配酸装置和配液撬提供清水。供液系统的总排量可以满足混砂车所需的排量，该设备采用橇装结构以便于压裂现场的运输和布局。根据现场页岩气压裂工艺的特点，将远程供水供液装置设计为主、副两套供液系统。可分两路同时为下游设备供水配液，减少压裂施工的作业时间。主供液系统通过液位计的信号传输识别缓冲罐的液位高低，自动控制主供液管汇的排量，使缓冲罐的液位始终保持在合理范围内，保证供液的持续性和联动性。

2.4 高效配液设备

高效配液设备主要由动力系统、混合系统、快速增粘装置、供排液泵送管汇、粉料计量系统、电气控制系统、液压传动系统、撬架及附件等部分组成。高效配液设备通过高能混合器将多种液体和粉类添加剂混合，实现水、聚合物、胍胶、碱、固体物质等多种物质的均匀混配、快速增粘。目前压裂施工作业需要大排量、自动化、混配效果好、性能稳定的高效配液设备，这种配液设备能够提升压裂现场的作业效率及施工水平，出口粘度短时间能够达到作业粘度要求的80%以上。该配液设备排量大、采用负压上料技术，可以有效避免扬尘现象，给料精确安全环保。同时混合系统混配普通瓜胶效果良好，搅拌效率高，通过充分溶涨,能够达到快速增粘的效果，进一步提升混配液的实时配比粘度。高效配液设备底部采用撬装结构，非常便于运输、拆装和维修，通过液压系统驱动各执行元件，整体结构紧凑、运行平稳，安全性能高，具备过载保护的功能（图1）。

图1

2.5 大型压裂连续加砂设备

大型压裂连续加砂设备主要由全密封式储砂箱、自动落料系统、悬臂吊系统、控制系统、液压系统等部分组成。大型压裂连续加砂设备主要为非常规油气田大型压裂施工提供储砂、输砂作业设备，具有吊装、上砂、储砂、输砂等相关功能，作业安全环保、能够实现长时间连续输砂作业。该设备储砂容积约为100m³，最大输砂速度可以达到2m3/min。通过采用双提升输砂结构，提升了砂料的输送效率，内部拥有六个储料仓，能够满足多种支撑剂储存的要求，同时该设备底部采用液压支撑系统，能够自动调节平衡，提高设备对各类油田井场的适应性。

3 存在的问题及一些建议

首先部分新研发的设备，例如大型压裂连续加砂设备现场试验还比较少，设备的性能还有待进一步验证及完善。其次国内各油田由于作业规模、地形特点、施工工艺的不同，工厂化压裂辅助配套及压裂工艺流程也不完全一样，希望进一步优化压裂工艺的相关流程，淘汰过时的流程及设备，以实现效益与技术的最优匹配。另外当前我国工厂化压裂技术整体上还处在研究及发展阶段，还没有针对井场压裂施工制定辅助设备配置与连接的规范，各油田及单位大部分都根据自身条件进行压裂辅助设备的配套，还不能完全满足大型工厂化压裂施工作业的需求。

我们可以借鉴及参考国内外在压裂施工方面的先进经验，不断完善压裂辅助配套设备的制造和工艺流程，共同促进压裂配套设备将来在各大油田的推广及应用。

4 结语

压裂辅助配套设备对工厂化压裂的施工效果有着积极的影响，结合我国油田的地形特点、储层特征、现场条件以及压裂工艺特点研发的系列工厂化压裂辅助配套设备近些年来得到了快速的发展，部分压裂配套的设备目前已处于世界水平，极大的推动了工厂化压裂设备在国内各大油田资源开发方面的现场应用。压裂辅助配套设备是大型压裂施工作业前提和保障，通过应用压裂辅助配套设备，保证了大型压裂施工现场配套设备之间的系统性、联动性以及通用性，有效的解决了目前部分压裂辅助配套设备存在的联动性差、控制不统一等相关问题，提升了压裂辅助配套设备的自动化和信息化水平，对推动致密油、页岩气等非常规油气资源的高效开发具有十分重要的作用。