適用于涪陵頁巖氣開發壓裂工藝配套技術研究

陸昌盛

（中國石化江漢油田分公司石油工程技術研究院完井所，湖北武漢 430000）

隨著涪陵頁巖氣開發的推進和深入，外擴區和二期產建區將成為未來開發的重點，但相較于一期產建區，二期各產建區塊分屬多個構造帶，區域構造變化復雜，埋深更深，其中二期產建江東和平橋區塊埋深大于3 500 m 的面積占比約50 %，評價區塊如白濤、白馬等深井的占比更大[1-6]。埋深加大造成施工壓力高，施工排量受限，形成復雜縫所需凈壓力較高，針對二期產建區由于地質條件改變而造成的埋深加深給當前的壓裂施工帶來一定的難題，如何達到改造需求，需要頁巖氣井高壓、大排量壓裂配套技術進行研究探討。

1 配套技術方案

目前涪陵頁巖氣二期部分深井開發大型壓裂呈現施工壓力高的特點，以焦頁X 平臺為例：施工最高壓力達到114 MPa、最大排量16 m3/min。深井的地質條件對壓裂設備提出了更高的要求。

1.1 耐高壓

從壓裂流程來看，耐高壓主要分為4 個部分：壓裂車、高壓管匯、井口和套管。下面從保證4 個部分耐壓級別達到140 MPa 分別展開：

1.1.1 適當減小壓裂泵柱塞的尺寸，提高連桿耐壓級別 2500/3000 型壓裂車是涪陵頁巖氣大型壓裂施工的主力裝備，目前2500 型壓裂車上的壓裂泵通常配置95.25 mm 柱塞或101.6 mm 柱塞，3000 型壓裂車上的壓裂泵通常配置120.65 mm 柱塞或127 mm 柱塞，最高工作壓裂分別為140 MPa 或123 MPa（柱塞直徑加大，最大連桿負荷受限，導致最高工作壓力下降）（見表1、表2）。

表1 2500 型壓裂車性能參數

表2 3000 型壓裂車性能參數

從性能參數可以看出：當施工壓力升高時，為提高壓力等級，壓裂泵可以采用減小壓裂泵柱塞的尺寸，提高連桿耐壓級別。

1.1.2 140 MPa 高壓管匯優化 針對原管匯由于支路間距、旋塞閥支撐位置、連接方式不合理造成管匯振動及沖蝕加劇的難題，設計并優化140 MPa 高壓管匯?？蛇M行如下優化：

（1）增加管匯整體長度，由8 m 增加至11 m；

（2）改進管匯支撐位置，設計旋塞閥底座支撐；

（3）主通道與支路連接由“Y”型三通優化“T”型三通，減少沖蝕強度。

1.1.3 140 MPa 高壓流體元件配套 根據不同壓力、酸量、液量、砂量對高壓流體元件的沖蝕實驗結果，優選相應140 MPa 高壓流體元件。

1.1.4 140 MPa 大通徑壓裂井口配套 主要是手動平板閥配套130-140 手動平板閥；壓裂注入頭配套KYS130-140 壓裂井口；根據施工排量需求，優化井口高壓注入頭結構。主要由6 個對稱分布的FIG1502 扣型注入接頭與1 個整體式接頭組成，主通徑設計為130 mm。

1.1.5 優選耐壓140 MPa 套管

1.2 大排量

目前使用的井口8 通壓裂頭主要有105 MPa 和140 MPa 兩種規格，壓裂頭單頭的尺寸均為76.2 mm，但是通徑實際為65 mm 和77 mm。其應用主要執行標準SY/T 6270-2012《石油鉆采高壓管匯的使用、維護、維修與檢測》，在使用時流體的最大流速不應超過12.2 m/s，即105 MPa 和140 MPa 高壓管匯單口最大流量為2.55 m3/min 和3.34 m3/min，壓裂8 通（6 口輸入）的最大流量為15.3 m3/min 和20 m3/min。根據排量需求，可進行以下幾個方面優化：

1.2.1 優化主壓車的配置 施工壓力達125 MPa、排量18 m3/min 所需水馬力：

達到66 339 HHP，所需3000 型主壓車23 臺或2500 型27 臺，壓裂車組合（見表3）。

1.2.2 根據大排量大液量施工要求，進行供水裝置優選與供液流程優化

（1）供水段清水提升裝置優選：針對供水撬排量低不能滿足大排量施工的難題，優選大功率供水撬，并編制現場使用規范（見表4）。

表3 壓裂車組合

表4 1 200 m3 供水泵技術參數

（2）液罐區流程優化：針對液罐多、占地面積大的難題，開展供液流程優化研究，根據井場條件、供液穩定性優選供液模式，優選“半在線”模式，減少罐具使用量（見圖1）。

圖1 半在線供液示意圖

1.3 長時間

為達到長時間運行，可從以下幾方面入手：

（1）高壓下壓裂車泵頭累計使用超過150 h，進行更換，如果泵頭完好，換到低壓的井上繼續使用。

（2）高壓下，車輛進現場前，有效運行剩余時間不得小于80 h。

（3）高壓管匯安裝連接規范化：①統一規范泵排出管匯安裝角度，有效降低排出管匯活動彎頭的疲勞破壞風險，泵排出落地管線兩點支撐，有效緩沖壓裂車及流體脈沖引起的管匯振動，增強管匯穩定性，降低振動引起的疲勞應力破壞風險。②單平臺多井施工，周期長，砂石地面管匯落地支撐，橡膠墊塊底部地面沉降明顯，管匯件受力方式改變，存在應力破壞風險。墊塊下增配鋼板，增大受力面積，避免橡膠墊塊沉降。③管匯支撐標準化：管匯落地支撐統一要求采用橡膠墊塊彈性支撐，取代木塊、輪胎，高壓管匯安裝連接規范化操作（見圖2）。

高壓管匯安裝連接規范后，江東區塊81 號平臺127段壓裂施工，施工壓力75 MPa～85 MPa，排量14 m3/min～17 m3/min，未出現1 段管線刺漏現象。

2 配套壓裂工藝方案

二期產建深井壓裂施工整體呈現施工難度大、壓力高的特點，可采取相對應的預處理工藝、中途穩壓控壓的處理工藝保障壓裂施工在高壓、大排量施工順暢。

2.1 預處理工藝

鑒于涪陵地區2 800 m～3 500 m 頁巖儲層碳酸鹽含量約10 %，建議在壓裂主施工之前，利用小型酸化的處理措施，先對儲層進行預處理，通過優選酸液配方，優化前置酸用量，同時采取變排量替酸工藝，提升酸蝕作用范圍，降低破裂壓力，為后期加砂創造有利條件，實驗結果（見表5）。

焦頁Y-AHF 第24、27 段壓裂施工前采用了前置清潔土酸20 m3，擠酸排量2 m3/min～6 m3/min 進行預處理，酸降分別達到13 MPa、29 MPa，降低了施工壓力，有效保障了后續加砂順暢。

圖2 高壓管匯安裝連接規范化現場圖

表5 不同層位酸液溶蝕率實驗結果

2.2 穩壓控壓工藝

在形成復雜縫網過程中，中途粉陶段塞充填分支裂縫，提高主裂縫的裂縫寬度，可有效降低中途施工壓力。

焦頁Z-2HF 第14 段施工過程中，粉陶階段，壓力效果明顯92 MPa～85 MPa，排量14 m3/min；中砂階段，6 %砂比受限，壓力由81 MPa 升至85 MPa，采用一個6 %的粉陶段塞后，壓力爬升現象得到有效的控制，主裂縫縫寬得到進一步提升，有效降低了中途施工壓力。

3 結論

（1）對涪陵頁巖氣井耐高壓、大排量、長時間的采取相對應配套技術優化方案可保障頁巖氣井壓裂過程中施工要求。

（2）通過配套壓裂工藝采取相對應的預處理工藝、中途穩壓控壓的處理工藝保障壓裂施工在高壓、大排量施工順暢。

（3）建議在壓裂設備能力、材料提質、工藝優化、措施液體加重等幾方面開展研究，以滿足后期開發過程中壓裂施工面臨的更大的挑戰。