寧宏杰 （大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

隨著油田勘探開發(fā)的深入，除長(zhǎng)垣老區(qū)喇、薩、杏等主力產(chǎn)油層外，油田外圍致密油、頁(yè)巖油區(qū)塊逐漸發(fā)揮保產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要補(bǔ)充作用。目前體積壓裂工藝日趨完善，已成為致密油、頁(yè)巖油增產(chǎn)改造的重要技術(shù)手段，但壓裂施工規(guī)模及工藝復(fù)雜程度不斷提高，給壓裂生產(chǎn)組織帶來了巨大挑戰(zhàn)。2018 年以來，體積壓裂工藝單井施工規(guī)模由1×104～2×104m3提高到單井最大規(guī)模8×104m3，壓裂排量由以往的12～14 m3/min 提高到最大排量20 m3/min，為保障工藝順利實(shí)施，工廠化壓裂施工配套設(shè)備設(shè)施及現(xiàn)場(chǎng)地面流程進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)，基本滿足連續(xù)施工需求，但在施工準(zhǔn)備及配套優(yōu)化階段，主要依靠經(jīng)驗(yàn)，存在準(zhǔn)備效率低、保障能力弱、施工不連續(xù)的問題。為此，開展了工廠化壓裂配套規(guī)范的研究，針對(duì)高排量、大規(guī)模、連續(xù)施工需求，系統(tǒng)論證不同施工單元的設(shè)備配套原理，形成工廠化壓裂配套規(guī)范，為施工配套及準(zhǔn)備工作提供參考依據(jù)，效率顯著提升[1-2]。

1 工廠化壓裂流程及主要設(shè)備設(shè)施

壓裂施工需要使用壓裂液與支撐劑（俗稱“砂”），體積壓裂工藝工廠化壓裂流程設(shè)計(jì)目的是為了實(shí)現(xiàn)壓裂液的即配即注及支撐劑的連續(xù)供應(yīng)，流程復(fù)雜、設(shè)備設(shè)施投入較多，為便于生產(chǎn)組織與管理，將壓裂現(xiàn)場(chǎng)劃分為供水單元、供液?jiǎn)卧?、供砂單元及壓裂泵注單? 個(gè)主要功能區(qū)[3]。

1.1 供水單元

供水單元的主要作用是連續(xù)不斷的為壓裂施工提供用水保障，用于供液?jiǎn)卧呐湟菏┕?，主要設(shè)備設(shè)施有水源井、蓄水池、軟體罐及遠(yuǎn)程供水設(shè)備。水源井在壓裂現(xiàn)場(chǎng)選址鉆鑿，為施工提供水源，通常深度在100 m左右，每小時(shí)供水能力約80 m3；蓄水池（或軟體罐）是施工用水的緩沖設(shè)備，單體容積500～5 000 m3；遠(yuǎn)程供水設(shè)備作用是將緩沖設(shè)備中的水泵送到供液?jiǎn)卧?，用于配液施工，供水速?～20 m3/min，供水距離最高可達(dá)3 km。

1.2 供液?jiǎn)卧?/h3>

供液?jiǎn)卧闹饕饔檬沁B續(xù)進(jìn)行滑溜水、胍膠液等壓裂液的配制，為壓裂施工提供用液保障，主要設(shè)備設(shè)施有自動(dòng)化配液設(shè)備、添加劑罐及緩沖罐。自動(dòng)化配液設(shè)備的作用是配制滑溜水或胍膠液，配液能力最高可達(dá)16 m3/min；添加劑罐用于裝載壓裂液添加劑，保障配液設(shè)備使用添加劑的連續(xù)性；緩沖罐用于緩存滑溜水或胍膠液，防范因配液設(shè)備故障導(dǎo)致的施工驟停，單體存儲(chǔ)容積為50 m3，滿足施工異常終止情況下的井筒替擠用液需求。

1.3 供砂單元

供砂單元的主要作用是將不同支撐劑分類、連續(xù)地供應(yīng)給壓裂泵注單元，為壓裂施工提供用砂保障，主要設(shè)備設(shè)施有砂罐、連續(xù)輸砂裝置及儲(chǔ)砂裝置。連續(xù)輸砂裝置及儲(chǔ)砂裝置用于完成地面支撐劑的裝車及供應(yīng)，是供砂的主力設(shè)備，單體存儲(chǔ)容積為75 m3以上，供砂速度為4 m3/min，砂罐車用于裝載運(yùn)輸支撐劑，作為供砂的輔助設(shè)備。

1.4 壓裂泵注單元

壓裂泵注單元的主要作用是將砂、液混合物按照設(shè)計(jì)排量需求高壓泵注到井筒中，經(jīng)由井筒進(jìn)入地層，完成儲(chǔ)層內(nèi)的造縫和支撐作用，主要設(shè)備設(shè)施有壓裂泵車、混砂車及儀表車。混砂車的作用是將砂液混合后排出供給壓裂泵車，最高規(guī)格為230 bbl；壓裂泵車的作用是將砂液混合物增壓泵注到井筒，經(jīng)由井筒泵注到儲(chǔ)層中，單車承壓105 MPa，穩(wěn)定輸出排量1.0 m3/min 以上。

2 工廠化壓裂配套影響因素分析

通過分析研究，確定影響工廠化壓裂現(xiàn)場(chǎng)“供水、供液、供砂、壓裂”各施工單元設(shè)備設(shè)施配套的8 項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，包括井場(chǎng)面積、單層液量、單日施工層段、施工排量、壓裂液類型、單層酸用量、單層砂量及支撐劑類型。各關(guān)鍵參數(shù)對(duì)不同施工單元影響分析如下[4-5]。

2.1 對(duì)供水單元的影響

影響供水單元設(shè)備設(shè)施配套的關(guān)鍵參數(shù)包括井場(chǎng)面積、單層液量、單日施工段數(shù)及施工排量4項(xiàng)。井場(chǎng)面積影響搭建蓄水池的大??；單層液量和單日施工段數(shù)決定單日用水量，影響蓄水池大小和水源井?dāng)?shù)量的匹配；施工排量決定用水速度，影響水源井?dāng)?shù)量。供水單元標(biāo)準(zhǔn)化配套思路見圖1。

圖1 供水單元標(biāo)準(zhǔn)化配套思路Fig.1 Standardized supporting ideas for water supply units

2.2 對(duì)供液?jiǎn)卧挠绊?/h3>

影響供液?jiǎn)卧O(shè)備設(shè)施配套的關(guān)鍵參數(shù)包括單層液量、施工排量及壓裂液類型3 項(xiàng)。配液供液模式有即配即注和先儲(chǔ)液再補(bǔ)液兩種，即配即注模式下，施工排量決定配液設(shè)備的整體配液能力，即確定了配液設(shè)備數(shù)量及組合方式，先儲(chǔ)液再補(bǔ)液模式下，單層液量和施工排量綜合影響緩沖罐數(shù)量和配液設(shè)備數(shù)量、組合方式；壓裂液類型影響自動(dòng)計(jì)量裝置配套及添加劑罐的數(shù)量[6-8]。綜上，確定供液?jiǎn)卧脑O(shè)備設(shè)施類型、能力及配套數(shù)量，形成該施工單元的配套方案。供液?jiǎn)卧獦?biāo)準(zhǔn)化配套思路見圖2。

圖2 供液?jiǎn)卧獦?biāo)準(zhǔn)化配套思路Fig.2 Standardized supporting ideas for the liquid supply unit

2.3 對(duì)供砂單元的影響

影響供砂單元設(shè)備設(shè)施配套的關(guān)鍵參數(shù)包括施工排量、單層砂量、平均砂比及支撐劑類型共4項(xiàng)?，F(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)砂倒砂施工條件下，僅用砂罐供砂時(shí)，施工排量、單層砂量及平均砂比綜合決定了施工加砂時(shí)間，單層砂量與施工加砂時(shí)間直接影響砂罐數(shù)量，砂罐車數(shù)量及速度需求決定吊車的數(shù)量；使用連續(xù)輸砂裝置供砂時(shí)，施工排量和平均砂比決定了加砂速度，加砂速度直接影響連續(xù)輸砂裝置和叉車的配套數(shù)量。綜上，確定供砂單元的設(shè)備設(shè)施類型、能力及配套數(shù)量，形成該施工單元的配套方案。供砂單元標(biāo)準(zhǔn)化配套思路見圖3。

圖3 供砂單元標(biāo)準(zhǔn)化配套思路Fig.3 Standardized supporting ideas for sand supply unit

2.4 對(duì)壓裂泵注單元的影響

影響壓裂單元設(shè)備設(shè)施配套的關(guān)鍵參數(shù)包括單日施工段數(shù)、施工排量及單日用酸量3 項(xiàng)。施工排量需求決定泵車及混砂車的配套數(shù)量，泵車數(shù)量影響指揮車的配套數(shù)量，交聯(lián)罐車與混砂車數(shù)量一致，單層酸量和施工段數(shù)決定單日用酸量，單日用酸量決定了酸罐車數(shù)量。綜上，確定壓裂泵注單元的設(shè)備設(shè)施類型、能力及配套數(shù)量，形成該施工單元的配套方案。壓裂泵注單元標(biāo)準(zhǔn)化配套思路見圖4。

3 工廠化壓裂各施工單元配套方案

基于8 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)壓裂設(shè)備設(shè)施的配套影響分析，針對(duì)常規(guī)施工規(guī)模“單層液量1 000～2 000 m3、砂量50～200 m3，單日施工3～5 段、用酸20～110 m3、壓裂排量16～20 m3/min，多種壓裂液支撐劑類型”，進(jìn)行工廠化壓裂設(shè)備設(shè)施配套方案論證，確定不同施工單元、不同施工規(guī)模下的配套方案。

3.1 供水單元的配套方案

配套原則是控制施工成本，減少水源井的使用，滿足連續(xù)施工用水需求。首先依據(jù)單層施工規(guī)模及井場(chǎng)面積大小確定蓄水池的容積，確定單個(gè)容積范圍2 000～5 000 m3；蓄水池容積確定后，依據(jù)連續(xù)施工的需求，結(jié)合單層施工規(guī)模、單日施工段數(shù)、整體施工用水需求及常規(guī)水源井的供水速度，確定水源井的配套數(shù)量范圍在3～6 口。不同施工排量、單層液量、日壓裂段數(shù)條件下的水源井和蓄水池等配套方案明細(xì)見表1。

表1 水源井、蓄水池等配套方案明細(xì)Tab.1 Details of supporting schemes for water source wells，reservoir

3.2 配液泵注單元的配套方案

配套原則是簡(jiǎn)化施工流程，減少緩沖罐用量及占地面積，滿足施工用液需求。為實(shí)現(xiàn)壓裂液即配即注，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備能力及數(shù)量，確定了5 種配液設(shè)備組合模式“10、4+4+4、4+8、4+10、8+10”；對(duì)比施工排量，不同模式下的配液能力缺口為2～6 m3/min，能力缺口使用緩沖罐作為補(bǔ)充方案，缺口量取決于施工排量、單層液量及配液設(shè)備能力，直接決定了緩沖罐的數(shù)量；另外，結(jié)合壓裂液性及單層施工規(guī)模的變化，添加劑用量不同，決定了不同添加劑罐的數(shù)量。不同施工排量、單層液量、壓裂液性下的配液設(shè)備和緩沖罐等配套方案見表2。

3.3 供砂單元的配套方案

配套原則是減少砂罐的使用，優(yōu)選連續(xù)加砂裝置，滿足連續(xù)施工用砂需求[9-10]。為控制現(xiàn)場(chǎng)占地面積，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)先使用連續(xù)加砂裝置進(jìn)行供砂保障，結(jié)合支撐劑種類、粉砂使用情況及現(xiàn)有連續(xù)輸砂裝置的能力，確定不同單層規(guī)模、平均砂比、施工排量下的連續(xù)輸砂裝置配套數(shù)量及砂罐車用量，確定供砂裝置用量為1～2 套、配套砂罐車1～2 臺(tái)；若連續(xù)輸砂裝置不足，考慮全部使用砂罐車的替代方案，數(shù)量5～17 臺(tái)。砂罐、連續(xù)輸砂裝置與叉車等配套方案見表3，砂罐及吊車配套方案見表4 。

3.4 壓裂單元的配套方案

配套原則是保證現(xiàn)場(chǎng)高排量條件下連續(xù)泵注的要求[11-12]。為滿足施工排量需求，結(jié)合壓裂泵車穩(wěn)定運(yùn)行排量能力，配套壓裂泵車14～20 臺(tái)；泵車數(shù)量確定后，結(jié)合指揮車的電控能力，確定配套指揮車1～2 臺(tái)；根據(jù)排量需求，結(jié)合混砂車供液能力及上液接口數(shù)量[13-14]，確定混砂車用量1～2臺(tái)；壓裂泵車、混砂車等配套方案見表5，酸罐車等配套方案見表6。

表5 壓裂泵車、混砂車等配套方案Tab.5 Supporting schemes for fracturing pump trucks，sand mixing trucks

表6 酸罐車等配套方案Tab.6 Supporting schemes for acid tank cars

4 應(yīng)用效果及效益

工廠化壓裂配套規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用142 口井3 550層段。其中6 口工廠化壓裂配套方案節(jié)能效果統(tǒng)計(jì)見表7，顯著提升了施工準(zhǔn)備效率及壓裂泵注效率。單井施工準(zhǔn)備周期由5 d 縮短到3.5 d，準(zhǔn)備時(shí)效提高30%；單井壓裂周期由平均10 d 縮短到8.5 d，壓裂泵注時(shí)效提高15%；單井施工用電量由8.6×104kWh 減少到7.4×104kWh；單井施工用水量由4.1×104m3減少到3.5×104m3，單井壓裂施工成本降低10%以上。

表7 6 口工廠化壓裂配套方案節(jié)能效果統(tǒng)計(jì)Tab.7 Statistics of energy conservation effects of six factory fracturing supporting schemes

通過三年的研究和試驗(yàn)，累計(jì)創(chuàng)效5 006 萬(wàn)元。其中，致密油施工128 口井，對(duì)比研究前，單井節(jié)省成本約32 萬(wàn)元，共節(jié)省成本4 096 萬(wàn)元；頁(yè)巖油井施工14 口，對(duì)比研究前，單井節(jié)省成本約65 萬(wàn)元，共節(jié)省成本910 萬(wàn)元。

5 結(jié)論

1）壓裂施工需要使用壓裂液與支撐劑，為便于生產(chǎn)組織與管理，工廠化壓裂現(xiàn)場(chǎng)可依據(jù)功能特點(diǎn)、流程節(jié)點(diǎn)劃分為“供水、供液、供砂及壓裂4個(gè)主要功能區(qū)。

2）影響工廠化壓裂各功能單元設(shè)備設(shè)施配套的關(guān)鍵因素有8 項(xiàng)，包括井場(chǎng)面積、單層液量、單日施工層段、施工排量、壓裂液類型、單層酸用量、單層砂量及支撐劑類型。

3）工廠化壓裂配套規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用后，顯著提升了施工準(zhǔn)備效率及壓裂泵注效率，單井施工準(zhǔn)備周期縮短，單井壓裂周期縮短，單井用電量減少，單井用水量減少，單井壓裂施工成本降低10%以上，工廠化壓裂的施工效率、能力及連續(xù)性達(dá)到預(yù)期效果，有力推進(jìn)了大慶致密油及古龍頁(yè)巖油井的經(jīng)濟(jì)有效開采。

4） 工廠化壓裂配套方案適用于大型壓裂井，有助于提高壓裂施工時(shí)效，優(yōu)化地面流程，減小占地面積，提升施工效率，有利于標(biāo)準(zhǔn)化施工及控制施工成本。