頁巖油全電動壓裂裝備配置與作業技術研究

張國友

(中石化四機石油機械有限公司)

0 引 言

我國頁巖油資源勘探潛力巨大，大規模水力壓裂技術是實現其增產作業的主要手段。但由于我國頁巖油埋藏深、流動性差，開采難度較大，開發所配套的全電動壓裂裝備還處于探索中。本文以勝利油田頁巖油壓裂開發為研究對象，從電動裝備施工現狀、壓裂作業模式、裝備配置、施工參數及管線連接等方面，提出了適用于頁巖油開發的電動壓裂裝備整體配套方法，解決了頁巖油壓裂裝備配套方法缺乏、自動化水平低的問題，對國內頁巖油開發壓裂裝備配套具有借鑒意義。

1 電動壓裂作業現狀

1.1 裝備分布現狀

電動壓裂作業在頁巖油和頁巖氣的開發上已經得到了非常廣泛的應用[1-3]。電動壓裂裝備以其超大功率、低成本、綠色高效和零排放的優點得到廣泛認可。國內電動壓裂工作量增長迅速，目前全電動壓裂機組的保有量為28套(單套44 700 kW)，合計約125×104kW。2022年，電動壓裂在川渝地區頁巖氣壓裂市場的占比為70%以上。但在頁巖油開發作業中，電動壓裂裝備的應用還較少，還處于起步階段。表1展示了電動壓裂裝備分布現狀。

表1 電動壓裂裝備分布

1.2 頁巖油氣壓裂規模對比

隨著國內頁巖油氣的持續開發，平臺井組規模擴大，持續作業更長、施工壓力逐步增大大排量(≥18 m3/min)、強加砂(>2.2 t/m)、新液體體系，使壓裂參數發生變化，從單井向平臺井組延伸。具體頁巖油施工規模對比見表2。勝利頁巖油顯著的特點為井組規模大(8～20口井/平臺)、排量大。

表2 國內頁巖油壓裂規模對比

勝利頁巖油產區是我國頁巖油氣重要的產區之一。勝利頁巖油區塊地形平坦，交通發達，供電方便。結合頁巖氣的施工經驗，對該區塊的大井組和叢式井組，電動壓裂相對傳統的柴驅壓裂具有明顯的成本優勢[4-10]。

2 壓裂裝備作業模式

2.1 “井工廠”壓裂作業模式

為提高改造效率和降低作業成本，頁巖油開發通常采取“井工廠”壓裂作業模式。為加強縫間應力干擾，提高裂縫復雜程度，將單口井的壓裂次序由順序壓裂改變成跳躍式壓裂。隨著“井工廠”模式的推廣，優化壓裂次序和布井方式，發展出常規拉鏈式、改進拉鏈式壓裂技術，進一步促進形成復雜縫網。

樊頁1試驗井組8口井采用“井工廠”作業模式，優選“三三二”壓裂作業方案，采用多井口同步壓裂技術，同時創新實施“三同步”循環交替壓裂施工，促進復雜縫網形成，增強壓裂施工效果。“三三二”壓裂施工方案即將本井組的8口井分為3個施工單元，分單元分階段進行壓裂施工。“三同步”循環交替壓裂即同步運行壓裂、泵送橋塞射孔、泵注二氧化碳3道施工工序，降低工序停等，提高施工效率。

2.2 集中供水與返排液處理模式

樊頁1試驗井組地區水資源豐富，“井工廠”壓裂需要動用液量大(單井用液量3 000 m3)，采用儲液罐儲液所需液罐數量大，耗費大量準備時間。為保障水源的連續性，井場周圍通過水渠供水，水源通過周圍河流直接送到井場的水罐中，所需設備由供水泵、輸水管線、水分配器、水管線過橋等輔助設備構成。

“井工廠”壓裂后返排液液量大。為減少污水排放，提高水資源利用率，需要對壓裂返排液進行處理[8]，主要針對液體返排和混氣液體排放。根據壓裂返排液返排成分，確定返排液處理工藝，研制出壓裂返排液處理裝置。主要處理工藝為“混凝沉淀+污泥脫水+過濾殺菌”。對于黏度和酸堿性達不到要求的廢水，可采用配套預處理工藝，即預氧化+調節pH值。處理后的液體可通過加入離子屏蔽劑達到壓裂配液水質標準，實現電動壓裂的零排放、零污染。

3 電動壓裂裝備配置

頁巖油開發壓裂施工具有壓裂作業功率大、排量大、砂量多、壓力高、連續作業時間長、配套裝備多等特點[3-4]，要結合井數、時效、壓力、排量和裝備特性配置機組裝備[11]。

主壓裝備配置12臺5000型電動壓裂橇、5臺2500型壓裂車(2臺主壓備用、3臺泵送)；輔助裝備方面，配置1臺HS26型電動混砂、1套180 m3電動輸砂裝置、1套雙擴式儀表控制裝置以及全自動供液裝置、高壓管匯遠程控制裝置；二氧化碳泵注設備方面，配置4臺2000型壓裂車、1臺排量8 m3/min二氧化碳增壓裝置、1臺儀表控制車。

3.1 大功率壓裂裝備

勝利頁巖油壓裂為典型的7～24 h連續作業工況，在進行功率配置時需要預留更多的功率儲備，使裝備能夠長時間連續作業并配合易損件的更換。壓裂機組的功率儲備根據工作時間的長短逐步增大，機組應用依據SY/T 5211《壓裂成套裝備設備功率儲備系數》標準不低于1.5，其具體原則可參照表3。

表3 壓裂裝備功率儲備系數參照表

在配置壓裂裝備時，根據工作壓力來選擇泵柱塞直徑，不同柱塞對應不同壓力等級，高沖次會降低效率、產生沖擊并加速磨損，通常希望壓裂裝備以低沖次來完成施工。要滿足施工排量要求，可以通過更換大柱塞直徑、增加裝備數量的方式實現。更換大柱塞直徑，可增大同沖次下的排量，但壓裂裝備的最高工作壓力又相應降低，現場應用時應結合具體情況分析。

壓裂平均施工壓力不超過所選擇裝備壓力等級的80%，否則需配置更高壓力等級的裝備。在樊頁1試驗井組作業的壓裂裝備為中石化四機石油機械有限公司2500型/5000型壓裂裝備，其中5000型壓裂裝備為主力裝備，配置?127.0 mm柱塞；2500型壓裂車為補充車型，配置?101.6 mm柱塞。根據5000型電動壓裂裝備的設計說明書，繪制流量、壓力隨大泵沖次變化圖，如圖1所示。

圖1 5000型電動壓裂裝備不同柱塞流量、壓力變化圖

3.2 連續輸砂裝置

頁巖油開發壓裂作業的加砂強度大幅提升，現場吊砂工作量和效率成為工程瓶頸，采用常規運砂車供砂方式已經不能滿足頁巖油開發的大型壓裂作業需求。樊頁1試驗井組使用的連續輸砂裝置采用雙倉砂罐+連續輸砂的方式，砂罐理論容積180 m3，最多可同時儲存6種砂子。實測連續輸砂，裝置最大輸砂量可達210 m3/h。

加砂時，砂袋首先被吊運至位于砂罐下部的破袋器破袋，隨后砂子進入底部的斗式提升機，再由斗式提升機提升至砂罐頂部加砂，有效解決了高空吊砂風險大、加砂效率低等問題；適用大砂量連續加砂需求，完全滿足頁巖油壓裂作業供砂需求。

3.3 大排量混砂裝置

現場混砂裝置配備了1臺額定排量為26 m3/min的HS26電動混砂橇和1臺額定排量為20 m3/min的柴驅混砂車。HS26電動混砂裝置采用負壓進砂+高速混合+保壓輸送一體化混排系統，具有攪拌精準混合功能，最大砂比可達40%。采用砂泵與清水泵雙系統協同運行，清水供液可切換流程實現不進罐增壓排出，滿足“一半清水，一半砂液”的工藝流程。

3.4 自動供液系統

現場供液系統采用雙層水罐結構，儲罐容積2 000 m3，滿足施工要求。供液系統配備了液位自動控制系統，實現了一鍵式供液(見圖2)。壓裂液儲罐供水裝置、液位、管匯、閥門等組件全面采用集群化遠程檢測與控制系統，供液流程模擬可視化，實現液位隨施工自動供液計量控制，提升了壓裂供液的精度與施工效果。

圖2 自動供液系統

3.5 供配電及變頻房

現場變頻房整合了高壓變電系統、變頻傳動控制系統和低壓配電系統。井場所有供電由35 kV專線提供，所供電網容量不少于40 000 kW，可提供不少于9路10 kV出線柜。

壓裂變頻房的高壓變電系統可接入10 kV電網，輸出AC 3.3 kV、400 V/50 Hz電源。變頻傳動及控制系統采用先進的全數字變頻控制，利用通信網絡技術和程序控制技術的結合，將電動壓裂橇的高壓變電系統、變頻傳動部分、PLC控制系統、遠程操作部分有機聯系在一起，實現電動壓裂橇的智能化控制。遠程可以監控單獨電橇的用電量、功率、電壓、電流等參數。低壓配電系統配置1套380 V開關柜，包含380 V總開關和電動壓裂裝備的用電負荷開關，滿足AC 400 V/220 V 50 Hz用電設備的要求。現場配置的變頻房采用“一拖二”結構，1臺變頻房可控制2臺壓裂裝置的運行，有效減少占地面積。

3.6 智能化儀表控制中心

智能化儀表控制中心用于遠距離控制、顯示和采集施工參數，是壓裂設備的控制中心[5]?，F場雙擴式儀表橇采用雙擴展結構，內部空間擴大1倍，集成了供配電、主力裝備、閥門控制、儲液供砂、CO2增壓、供酸供液、數據采集等控制和顯示系統，結合大平臺壓裂工程，實現壓裂作業裝備的整體控制和數字化呈現。

儀表控制中心采用集群控制算法，結合井場電驅+柴驅同時配置的情況，構建電驅與柴驅裝備“一個網絡，兩種終端”的網絡架構。壓裂機組設備可實現自由組網，機組遠程智能PC操作，所有設備信息組網共享，可實現40臺油電混合壓裂主輔裝備的集中控制；技術人員可在電腦和手機客戶端實時監視裝備在線情況，各項數據可及時傳到儀表控制中心。

3.7 高壓管匯系統

高壓管線的作用是將壓裂泵車泵出的高壓流體輸送至井口，因為流體壓力大、輸液量大，高壓管線是壓裂施工中最易出問題的部位[6]。在安裝高壓管線時，要確保管線緊貼地面并做固定處理，受力部位不架空，用井架游動滑車懸吊井口彎頭，從而減少管線在高壓下的震動；并且高壓管線周邊要留足空間，以防止意外斷脫造成的高壓甩動。因高壓管線易出故障，為保證順利施工，應儲備一些諸如高壓彎頭、旋塞閥、短節等易損設備，每種高壓件的儲備量應不低于使用量的10%。

(1)高壓壓裂管匯。高壓管匯橇由3個高壓管匯模塊單元組成。管匯為大通徑結構，內通徑180 mm，工作壓力等級140 MPa；具備20個高壓管匯接口，管匯接口與壓裂撬排出口相連，配置16個液控平板閥+4個液控旋塞閥，可實現遠程開關。

(2)分流管匯。分流管匯一次連接3口井(1井、3井、7井)，每路分流管匯安裝手動、液控平板閥及6口壓裂頭1個，通過液控平板閥實現遠控，如圖3所示。

圖3 分流管匯流程及管匯圖

(3)放噴管匯。放噴管匯由試氣隊連接，接測試流程(補屑器、除砂器、分離器等)。放噴通過井口4個手動閘板閥分兩路，與測試流程管匯連通，要實現放噴管匯遠控，需采用液控閘板閥替代手動閘板閥。

現場配置的140 MPa遠程控制高壓管匯系統采用可視化模擬壓裂液流道界面，控制壓裂大通徑高壓管匯的閥門。在局部施工出現故障時，可通過遠程帶壓操控關閉閥門，及時隔離故障設備，增強連續作業能力，避免人工進入高壓區關閥作業，提升安全系數。

4 結論與認識

(1)建立了適用于頁巖油開發壓裂工況的裝備配置方案，采用油電混合作業模式，以電動壓裂裝備為主、柴驅壓裂泵車為輔，配套各類輔助裝備，完成頁巖油開發壓裂作業，為頁巖油開發電驅壓裂裝備的應用奠定了基礎。

(2)采用“井工廠”壓裂施工模式，實行多口井交替同步壓裂，在促進復雜縫網形成、增強壓裂施工效果的同時可有效提高壓裂施工效率。

(3)國產電動壓裂裝備可充分滿足頁巖油開發壓裂作業需求，與傳統的柴驅壓裂設備相比，電動壓裂裝備具有作業成本低、效率高、零污染、零排放的特點。電動壓裂是未來頁巖油儲層改造實現低成本綠色開發的發展趨勢。