吳漢川 （江漢石油管理局第四石油機械廠，湖北 荊州434024）

劉伯修 （中石油渤海鉆探井下公司，河北 任丘062550）

非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)中壓裂裝備的研制

吳漢川 （江漢石油管理局第四石油機械廠，湖北 荊州434024）

劉伯修 （中石油渤海鉆探井下公司，河北 任丘062550）

隨著勘探開發(fā)技術的發(fā)展，非常規(guī)天然氣將成為未來我國重要的低碳資源。壓裂裝備是非常規(guī)天然氣開采中的重要裝備，由于施工工藝和作業(yè)規(guī)模較常規(guī)油氣的開發(fā)有所變化，對壓裂裝備的研制提出了新的要求。結合煤層氣和煤層氣開發(fā)特點以及國外裝備的發(fā)展趨勢，闡述了研制適用于煤層氣和頁巖氣開發(fā)需求的成套壓裂裝備整體配置方案；圍繞壓裂裝備的提出了關鍵技術的攻關內(nèi)容。

壓裂裝備；煤層氣；煤層氣；配置方案

非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)需要大量技術和裝備，但我國在配套裝備的研發(fā)上存在經(jīng)驗匱乏、技術不成熟等一系列問題，這些因素嚴重制約著煤層氣和頁巖氣的發(fā)展。因此，針對非常規(guī)天然氣開采特點，研制適應不同施工工藝要求的成套壓裂裝備具有十分重要的意義。

1 非常規(guī)天然氣開發(fā)特點

1.1 煤層氣壓裂施工特點

壓裂是目前煤儲層改造應用最為廣泛的措施，由常規(guī)油氣儲層壓裂技術演化來的煤層氣增產(chǎn)改造技術，在我國煤層氣勘探開發(fā)活動中已經(jīng)得到應用［1］。目前我國煤層氣壓裂施工作業(yè)特點是：

1）我國煤層氣田埋藏深度在300m左右，其道路狀況和井場條件較油田道路更差，相同區(qū)塊井位分布密集，可連續(xù)實施壓裂作業(yè)幾天。使用目前油氣田常規(guī)壓裂裝備進行施工作業(yè)，單機的排量較小。由于井場位置狹小，希望采用最少的設備進行施工。所以功率儲備系數(shù)不足，施工作業(yè)的安全系數(shù)較低。

2）煤層氣水力壓裂一般以大排量為主，施工排量在6～8m3/min左右。目前使用最大3in的高壓管匯系統(tǒng)，由于流速增大和清水加砂的影響，加劇了砂泵、混砂管匯以及高壓管匯的沖刷磨損，相關零部件的更換頻率增大，快速維護和保養(yǎng)顯得重要。由于壓裂工藝相對簡化，對輸砂和添加劑系統(tǒng)的配置要求應該較常規(guī)壓裂裝備簡化。

3）隨著我國水平鉆井技術的發(fā)展，未來頁巖氣的開發(fā)技術將延伸到煤層氣的勘探開發(fā)中，更大排量和多階段連續(xù)壓裂技術將成為煤層氣開采發(fā)展趨勢。

1.2 頁巖氣壓裂施工特點

頁巖氣相對于常規(guī)油氣開發(fā)對技術的要求更高，這主要是由頁巖氣成藏特點決定的。水平井同步壓裂和分段壓裂技術的廣泛運用，使原本低產(chǎn)或無氣流的頁巖氣井獲得工業(yè)價值成為可能，近年來水平井在北美地區(qū)新井中所占比例逐年上升，水平部分長度也在不斷增加。與傳統(tǒng)垂直井不同，頁巖氣水平井需要8～20臺壓裂車同時作業(yè)，隨著單階段長度的增加，單井所需的壓裂階段不斷增加。2010年已開始試驗30階段甚至更高的階段壓裂，相應的單井壓裂所需的工作時間越來越長。頁巖氣壓裂施工的主要包括：

1）施工規(guī)模大，采用水平井同步壓裂技術，在2口或2口以上相鄰的水平井同時進行水力壓裂。目前北美地區(qū)的頁巖氣井深度在1200m左右，施工壓力通常在70MPa以下［2］。水平井多階段分段連續(xù)壓裂，單階段的連續(xù)工作時間在4h左右?？紤]到發(fā)動機使用工況的限制、易損件更換以及突發(fā)事件等因素，要求壓裂裝備的儲備系數(shù)增大到1.4倍以上。

2）施工排量大、加砂總量多，需要壓裂的總液量在萬方級別，加砂總量在千方級別。隨著勘探開發(fā)技術的發(fā)展，作業(yè)深度不斷向下延伸，我國四川盆地的頁巖氣深度也達到3000m以上，所以更大功率和更高壓力的大型壓裂裝備將成為未來施工作業(yè)主力機型。

3）大型壓裂施工要求供酸、配液、連續(xù)輸砂、供水管線、混砂、壓裂、管匯及控制系統(tǒng)配套。由于裝備的增多，對施工作業(yè)的協(xié)調(diào)性和安全性提出更高的要求。

2 非常規(guī)壓裂裝備研制

2.1 壓裂裝備整體配置方案

1）煤層氣壓裂裝備 采用2000型組成煤層氣壓裂機組。由于施工工藝相對常規(guī)油氣層壓裂簡單，工作壓力也相對較低，所以簡化配置以及設備的經(jīng)濟性比較重要。具體配置方案如下：①車載裝備盡量縮小整體尺寸以提高整車的機動性能，滿足我國煤田的道路和井場條件的要求。結合煤層氣井場密集的特點，除車載裝備外，可以將壓裂裝備集成為多模塊的橇裝結構，采用少量的轉運車 （配置快速裝卸裝置）將壓裂裝備和液罐等輔助裝置布置到井場。②車載結構的壓裂裝備盡量采用底盤和臺上同時取力的方式，通過底盤發(fā)動機帶動輔助系統(tǒng)的工作，使壓裂泵得到更大的功率輸出。采用國產(chǎn)化動力配置方案，降低設備的購置價格和后期維護費用。③增大壓裂泵的柱塞直徑，以適應大排量的輸出要求；結合活性水攜砂工藝研制相應的泵閥密封件；優(yōu)化混砂車管路系統(tǒng)、減小流體對管路的沖刷；結合煤層氣壓裂工藝配置合適的螺旋輸砂系統(tǒng)和添加劑系統(tǒng)以簡化整機結構；采用雙管路4in高壓管匯系統(tǒng)，降低液體流速，減小清水攜砂液對管匯的沖刷。

2）頁巖氣壓裂裝備 國外最新展示的新產(chǎn)品已經(jīng)顯現(xiàn)出未來大型壓裂裝備的發(fā)展趨勢。我國自主研制的國際上最大型號車載2500型壓裂機組，已經(jīng)在國內(nèi)重點油氣井開發(fā)中發(fā)揮出巨大的功效。對于未來頁巖氣開發(fā)所面臨的大型和巨型壓裂施工，提出大型壓裂裝備整體配置方案：①借鑒2500型壓裂機組研制的經(jīng)驗，開發(fā)更大功率的壓裂泵并集成3000型壓裂裝備。采用10臺SYL3000型壓裂泵車、1臺SHS20型混砂車、1臺SGH105型管匯車、1臺壓裂儀器車、1臺連續(xù)輸砂裝置和1臺連續(xù)配液裝置組成整套3000型壓裂機組。②增大泵的沖程長度，降低泵的工作沖次，以適應長時間連續(xù)施工作業(yè)的要求；加大柱塞直徑，滿足大排量輸出；提高柱塞泵的連桿負荷，擴展柱塞泵的工作范圍，提高壓裂泵在大排量條件下的工作壓力。③提高混砂車的混配能力和控制精度，滿足大排量低粘度介質加砂和多介質添加劑的工藝要求。擴展壓裂機組的控制功能，在主體裝備實現(xiàn)網(wǎng)絡控制的基礎上實現(xiàn)施工作業(yè)裝備的整體集中控制，提高大型施工作業(yè)自動化控制水平的安全性能。④制定大型壓裂施工作業(yè)裝備配置方案。從井場布置、裝備種類、設備數(shù)量、管線連接、安全配置、液體返排、環(huán)境保護以及輔助配套等方面為工程服務商提供全面的技術支持。

2.2 關鍵技術及攻關內(nèi)容

由于非常規(guī)天然氣開發(fā)存在其特殊性，圍繞壓裂裝備的研制將面臨許多關鍵技術，其主要攻關內(nèi)容包括：

1）柱塞泵技術 對柱塞泵參數(shù)進行合理選擇及結構的優(yōu)化設計；采用較小連桿比設計，使柱塞泵長度縮短；采用外置式行星齒輪機構，在減小柱塞泵寬度尺寸的基礎上，保證柱塞泵性能達到設計要求，以相對較小柱塞泵體積和更輕重量實現(xiàn)大功率壓裂泵的車載要求。

2）動力配置及整機集成技術 解決壓裂工況下傳動鏈動力特性匹配技術，解決大負荷、長時間壓裂工況下動力儲備和系統(tǒng)多點振動抑制難題，保證壓裂泵裝置大功率輸出的穩(wěn)定性。優(yōu)化零部件配置、冷卻系統(tǒng)以及整機布置，解決3000型車載式壓裂泵車性能提升與尺寸、重量之間的矛盾；開展底盤改制技術的研究，以適應我國道路和井場條件的要求。

3）輸砂混配技術 建立混砂車螺旋輸砂系統(tǒng)和混合攪拌系統(tǒng)理論分析平臺并通過相應試驗裝置進行修正；以理論指導新型輸砂裝置和混合攪拌裝置的設計，實現(xiàn)支撐劑輸送的寬幅精確調(diào)整以及高砂比壓裂液的快速均勻攪拌。

4）多機組集群控制技術 建立適用于壓裂成套設備控制特點的異型工業(yè)控制網(wǎng)絡，滿足成套壓裂設備作業(yè)時對網(wǎng)絡傳輸和控制方面的需求；根據(jù)壓裂現(xiàn)場設備實時狀態(tài)和實時變化的壓裂工藝需求對接入網(wǎng)絡內(nèi)的設備進行自適應控制；通過對工業(yè)以太網(wǎng)技術的研究，解決網(wǎng)絡通訊堵塞、控制及時性和可靠性等問題。

5）高壓管匯及輔助裝置配套技術 結合非常規(guī)天然氣壓裂施工工藝特點，研制大直徑高壓流體控制元件；通過材料的研究和優(yōu)選提高管匯系統(tǒng)的抗沖刷能力；建立高壓流體控制元件檢測和安全評價體系；結合國內(nèi)現(xiàn)場施工特點研制連續(xù)輸砂裝置、大排量連續(xù)配液裝置和液氮泵裝置，實現(xiàn)大型施工作業(yè)裝備的系統(tǒng)配套。

3 結 語

非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)對于我國未來能源發(fā)展具有十分重要的意義，壓裂機組是實現(xiàn)高效開發(fā)的配套裝備，尤其是大型壓裂施工將成為未來頁巖氣開采過程中至關重要的環(huán)節(jié)。針對我國非常規(guī)天然氣開采特點，研制具有自主知識產(chǎn)權，性能達到國際先進水平的壓裂裝備，將全面提升我國石油鉆采重大裝備國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化能力。

［1］汪懷友.煤層氣：世界能源的焦點 ［J］.石油與裝備，2009，11（4）：58～60.

［2］何家歡.北美非常規(guī)天然氣開發(fā)的繁榮是否在中國再現(xiàn) ［J］.能源科學進展，2007，14（2）：33～36.

TE934.2

A

1000－9752（2011）06－0372－03

2011－05－12

吳漢川 （1960－），男，1983年大學畢業(yè)，高級工程師，現(xiàn)從事壓裂裝備研制工作。

［編輯］ 蘇開科