冬季油田壓裂供水技術的研究及應用

許雪松 孫斌 寧旭輝 楊曉慧 許雪強

【摘? 要】石油是現代工業的“血液”，是國家生存和發展不可或缺的戰略資源，對保障國家經濟和社會發展以及國防安全有著不可估量的作用。油田鉆井開發工程中的體積壓裂技術在低滲透油田的開發中有著顯著的增產效果，壓裂供水是壓裂作業的重要組成部分。我國西北地區冬季氣候寒冷，為保障壓裂作業在冬季正常開展，冬季的壓裂供水研究和應用，對油田鉆井開發具有重要的意義。

【Abstract】Petroleum is the "blood" of modern industry and an indispensable strategic resource for the survival and development of a country. It plays an inestimable role in ensuring the country's economic and social development and national defense security. The volume fracturing technology in the oilfield drilling and development project has a significant increase in production in the development of low permeability oilfields， and the fracturing water supply is an important part of the fracturing operation. Northwest China has a cold winter climate， in order to ensure the normal development of fracturing operations in winter， the research and application of fracturing water supply in winter is of great significance to the oilfield drilling and development.

【關鍵詞】冬季;壓裂;供水

【Keywords】winter; fracturing; water supply

【中圖分類號】TE45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）01-0188-02

1 引言

“千方砂，萬方液”是描述油田單井壓裂所需石英砂和壓裂液的用量。目前，一口水平井壓裂用水量在2萬立方米左右，最大峰值用水量達到10～14m3/min，一級壓裂用水量約1500m3，每天完成3～4級壓裂每天用水量約6000m3。為保障壓裂作業的連續性，必須有一套安全可靠的供水系統。

在西北地區水源比較匱乏，水資源調配的距離在幾公里到幾十公里不等，進入冬季環境溫度達到冰凍臨界狀態后，供水系統常常會發生設備“凍堵”，管道“縮徑”“冰屑擁堵”的現象，克拉瑪依市禹榮有限責任公司在多年的油田壓裂供水工作中不斷地總結、改進和完善壓裂供水系統，現已形成一套完整的壓裂供水體系。為保證供水系統在冬季能夠正常運行，我們也做了大量的研究和探索，通過的理論計算和現場實驗，設計了一套冬季壓裂供水保障體系[1]。

冬季壓裂供水保障體系是采用保溫、蓄熱相結合的方式，實現加溫和散熱平衡，保障供水系統在0℃以上運行。壓裂供水系統是由集水系統和輸配水系統兩個部分組成，主要設施包括：泵站、移動蓄水池、臨時輸水管道等。

冬季壓裂供水的重點是移動蓄水池和地面臨時輸水管道。加熱保溫的主要部位包括：移動蓄水池和長距離地面臨時輸水管道加熱保溫。泵站部分可采取暖棚保溫電油暖加熱的方式，充分利用發電機組在運行過程中釋放的熱能，可以保障泵站設備的正常運行。冬季壓裂需要的供水溫度在0℃以上保證輸水系統不結冰，能夠正常配液即可。影響冬季供水系統運行的主要因素就是環境溫度，環境溫度越低供水系統散失的熱能就越多，保障系統運行所需補充的熱能就越多。通過采取保溫措施減少系統熱量的散失，同時，設置加熱站為系統補充熱能，補充的能量和散失的熱能達到平衡狀態，即可保證壓裂供水系統的正常運行，也實現最低的能源消耗[2]。

2 移動蓄水池保溫和加熱措施

支架蓄水池為露天敞開式水池，原水不斷匯入蓄水池，壓裂用水從水池底部抽取。蓄水池面積較大，采取全封閉式不易實施，在蓄水池四周采用的鋼管架外側覆蓋毛氈進行保溫，采用熱水鍋爐及管道系統對池內水體直接進行加熱。蓄水池的熱量損失主要包括：水表面蒸發損失的熱量;蓄水池池壁和池底傳導損失的熱量;補充新水加熱所需要的熱量。初步設定蓄水池水溫為1℃，冬季室外環境溫度-30℃，計算出蓄水池維持冬季運行所需要的熱量。

①蓄水池水表面蒸發損失的熱量Qs：

②蓄水池池底、池壁、管道和設備等傳導所損失的熱量：應按蓄水池水表面蒸發損失熱量的20%計算確定。

QY=20%Qz

③補充新水加熱所需要的熱量鮮水加熱所需要的熱量Qb：

④蓄水池維持恒溫需要的總熱量Q總：Q總=Qs+Qy+Qb

根據計算得出蓄水池維持恒溫需要的總熱量Q總，配置相應功率的鍋爐和板式換熱器，連接循環泵及供熱管道系統對蓄水池進行加熱。對蓄水池的加熱方式，是在蓄水池底部設置加熱盤管，通過循環熱水直接對蓄水池內的水進行加熱，能夠保障冬季嚴寒條件下蓄水池能夠正常運行[3]。

3 輸水管道的防凍措施

壓裂供水系統中的輸水管道包括水源至蓄水池部分的集水管道，蓄水池至壓裂作業面的輸配水管道，均為地面敷設的臨時管道，長度從幾百米到幾公里不等，輸水管道采用多為PE管或聚氨酯軟管，管徑從DN100～DN350不等。

當冬季平均環境溫度在0～-5℃時，保持管道的水持續流動，可以防止管道發生“縮徑”或結冰的現象。供水系統可采取雙線布設，在壓裂作業面停止的情況下，采取“雙線內循環”的方式維持系統內水的流動，可以起到很好的防凍效果。

當冬季平均環境溫度低于-5℃時，管道內壁結冰并且逐漸增厚形成“縮徑”，在系統啟停過程中就會發生冰屑擁堵的現象。在平均環境溫度低于-5℃時就必須對管道采取保溫和加熱的措施。

管道保溫采用5cm厚巖棉管保溫，巖棉管外粘貼錫箔紙，封口處采用自粘膠封閉。管道沿地面敷設，為防止雪水浸濕巖棉，在巖棉管外側包裹一層防滲膜，封口部位的搭接寬度大于200mm，搭接部位置于管道下方，50cm一道采用鐵絲綁扎牢固防止松脫。

輸水管道的熱量損失計算：

根據計算得出管道沿線的熱量Qg值，配置相應功率的鍋爐和板式換熱器，通過“過水熱”的方式對進入供水系統內的水進行加熱。鍋爐采用智能化溫度控制系統，通過檢測管道的水溫調節鍋爐燃燒器供油量，讓鍋爐為系統提供持續穩定的熱能，并實現最優的能耗。

鉆井壓裂在夏季作業時間一般在10天左右，冬季壓裂作業時間在15天左右，整個加熱站應易于拆裝、便于調運。加熱站需配置一臺100kWA發電機為鍋爐運行提供電源，配置一個8方油罐為鍋爐提供燃油。本系統所用的鍋爐及換熱裝置采用集裝箱模塊化設計。集裝箱內配置常壓熱水鍋爐、板式換熱器、內置油管、內置水箱、配電箱、循環泵、進出水工藝管道及附件。鍋爐的智能化溫度控制系統，可根據系統設定的進出口的溫度調節燃燒器的狀態，自動供油裝置和自動補水裝置，可以保證系統運行的安全性，也達到了節能降耗的目的。

2020年11月20日在新疆油田瑪湖1井區進行了冬季壓裂供水試點，當地夜間最低溫度達到-10℃。萬方水池為水源，萬方蓄水池水面已結冰，泵站進水溫度已接近0℃，在加熱站未啟動前，供水系統采用循環輸水措施防凍，此時，管道已開始結冰，部分外露閥體和管件已發生“凍堵”。壓裂供水系統日供水流量3000m3，在萬方池起點泵站位置設置第一加熱站，配置1臺5t燃油鍋爐，為管道內的水進行加熱。啟動第一加熱站，通過第一加熱站加熱后的水溫已達到5℃。從水池至壓裂井場距離2.7km，管道末端高架蓄水池入口處的水溫保持1～2℃。第二加熱站設置在水池附近，加熱站配置1臺2t燃油鍋爐，在高架蓄水池底部外側纏繞熱水循環盤管為高架蓄水池提供熱能，高架蓄水池外側覆蓋棉氈保溫，高架蓄水池水面和池壁體未發生結冰現象。

2020年12月2日瑪湖1井區冬季壓裂實驗點壓裂工作全部完成，立即完成供水量60000m3，系統日平均供水量達到5000m3。當地室外最低溫度已經達到-15℃，期間兩個加熱站持續為壓裂供水系統提供熱源，系統管道和蓄水池均未發生“凍堵”狀況，壓裂工作順利完成，為冬季油田壓裂提供連續穩定的源保障，為油田壓裂冬季施工提供成功案例。

【參考文獻】

【1】馬英偉.石油開發中體積壓裂技術的應用[J].石化技術，2018（8）：107-108.

【2】李強，楊明華，萬傳華，等.頁巖氣井區壓裂集中供水方案的研究與設計[J].油氣田地面工程，2019，38（02）：59-65.

【3】佚名.全國民用建筑工程設計技術措施[J].建設科技，2015（10）：39-41.