工廠化壓裂關鍵地面裝備技術現狀及應用研究

關曉輝

（大慶油田裝備制造集團吉林分公司，黑龍江 大慶 163000）

工廠化壓裂最早起源于美國，最開始采用的是水力壓裂實驗方式，通過水的壓力提升油氣井的開采效率。在生產技術不斷提升的情況下，對壓裂設備提出了新的要求，包括壓裂液的壓力以及壓液量等。壓裂裝備中包含的設備主要有混砂、泵注等設備類型。工廠化壓裂施工中包含的設備數量多，施工時間長，風險大，因此壓裂設備要達到一定的施工要求，工廠化壓裂地面裝備作為重要的設施，在技術和工藝方面也獲得巨大的發展，為后續工廠化壓裂工程開展提供有效的參考。

1 工廠化壓裂關鍵地面裝備技術現狀

1.1 連續供水裝備

工廠化壓裂技術施工中需要應用大量的水，同時要控制儲液罐的數量，有利于對運輸成本和面積的節約。我國工廠化壓裂作業中需要結合施工場地的水源以及地形等結構，建設儲液罐和蓄水池，形成多元化的供水方式。并形成配套的移動蓄水池和大容量的蓄水罐，并設置供水泵和分水器，保證供水的效果。移動蓄水池在施工中可以重復利用，而且因為蓄水池可以移動，不需要在現場挖掘，避免造成對施工現場環境的破壞。對保護生態環境以及不宜實施挖掘作業的地區具有重要作用。

1.2 連續混配設備

我國工廠化壓裂技術與國外壓裂作業技術間存在一定的差別，我國壓裂液主要采用濃縮壓裂液、胍膠壓裂液以及滑溜水壓裂液等不同的形式，結合不同的施工裝備和工藝采用不同的壓裂液，其中我國當前應用最廣泛的壓裂液為混合配制的胍膠壓裂液體系。采用混合罐和射流混合器結合的混配方式，同時也包括靜態混合等多種混合模式。為了更好地滿足工廠化壓裂排放模式，需要滿足連續施工要求。結合我國的壓裂液工藝和配置等需求進行配置。可以通過對原有混配車的改進，提升混配排量，同時還可以形成混配撬以及連續混配車等，轉變傳統的混配車作業方式，保證作業施工現場的作業效果和安全性。并構建1+N的現場管理模式，做好干料與液體介質的添加，在施工中邊施工邊添加，精確調整注入精度，防止采用傳統的配液方式，影響配液速度，加大勞動強度和施工面積，也可以有效避免環境污染。

1.3 連續供砂設備

工廠化壓裂施工中對砂的需求量多，同時需要保證比較快的加砂速度。在加砂的過程中，還需要多次倒砂罐。這種加工方式容易導致間斷，無法實現連續鋪砂，使施工效果受到影響。因此，為了工廠化壓裂施工的順利開展，要做好加砂工藝的改良，將運砂、輸砂以及混砂結合，形成連續的供砂裝備，保證供砂的效率。提升裝備的研發質量，滿足工廠化壓裂加砂需求。首先，要采用大容量的儲砂罐，當前，工廠化壓裂作業中常用的儲砂罐具有多種形式，包括臥式、立式以及螺旋輸砂蛟龍式等，不同罐的容積也存在一定的差異性，最大的可以達到200m3，輸砂的速度可以達到每分鐘5m3，滿足不同粒徑砂礫的輸送和存儲效果。其次，采用連續輸砂車。工廠化壓裂輸砂裝備要符合工廠化壓裂的輸送速度，并配置連續的輸送裝置。當前我國在連續輸砂裝置中已經開發了多種不同的裝備。其一，為輸砂半掛車，可以將輸砂速度控制在每分鐘5.8m3左右。該技術的優勢既表現在輸砂的速度方面，又表現在設備的填料方面，可以在兩側進行同時喂料，提升運輸速度。同時，還可以對輸砂量以及儲藏量等進行實時監測。改進后，該設備的作業高度進一步提升，可以滿足7m的運輸要求，并完成不同角度的作業。其二，為連續輸砂撬，該設備的運輸速度相對于連輸砂車效率更大，速度可以達到每分鐘8m3的運輸效果。同時，還可以自動調節連續供砂量。最后，全自動連續輸砂撬。該設備的輸送速度最快，最高可以達到每分鐘15m3，而且連續工作時間可以延長到9h以上，產生的誤差比較小。

1.4 連續泵入設備

工廠化壓裂施工中對排放量的需求比較大，一般都可以達到每分鐘7m3以上，部分壓裂施工的排放量甚至可以超過每分鐘20m3。從我國當前的工廠化壓裂作業情況來看，應用混砂車規格主要為100～130桶，煤炭混砂車的施工排放量難以達到每分鐘17m3的規格。如果施工中一旦排放量超過每分鐘17m3，必須同時啟動兩臺設備，造成成本的提升和場地占地面積的擴展。當前針對這個問題，已經研發出大排量的混合車，可以達到240桶的規格。該設備的流量速度大大提升，可以達到每分鐘38m3。此外，該設備不需要采用傳統的拖車形式，設置了更靈活的車載結構，可以滿足我國的道路運行要求。我國工廠化壓裂施工中，采用的設備主要為2000型和2500型壓裂車的形式，為了有效節約場區占地，一般不會使用多種設備，較少的設備便可以完成工廠化壓裂施工要求。同時，當前我國中石油、中石化等又開發了部分大功率微型的壓裂車，盡可能縮小體積，提升作業效率，保證作業穩定性。高低壓管匯總連接方式比較復雜，而且高壓管長期受到水的沖擊壓力，容易造成嚴重的震動受損，同時也可能會因為占地面積過大，影響現場管理。工廠化壓裂施工中一般高低壓管匯總采用6頭或者8頭的形式。其中一個匯總成的管道可以與2000型以上壓裂車高壓注入連接，1臺混砂車可以同時對應6～8臺，保證良好的供液效果。壓排量可以達到每分鐘5～8立方米。總成高壓管匯的壓力一般會超過140MPa。如果工廠化壓裂的排量超過每分鐘10～16m3，采用兩套設備便可以達到要求。此外，為了有效降低工廠化壓裂排量的管線連接以及占地問題，還可以采用法蘭式高低壓管的匯總成方式，滿足壓裂施工要求。

1.5 壓裂返排液回收裝置

工廠化壓裂的用水量比較大，同時，要保證用水量的連續性，因此，在施工過程中壓裂形成的返排量也會增加，導致返排液的速度快，造成資源浪費。因此，當前已經研發出高效的返排液回收裝置，可以將返排液集中收集，避免造成水資源浪費，保證施工效率，同時滿足環保理念。針對這種情況，我國當前已經有多個油田研發了工廠化壓裂回收壓裂液配套裝置。比如，可以在油田的致密油以及致密氣工廠化壓裂施工中采用該技術手段，并研發了精細過濾與液體回收罐裝置，可以對返排液進行更全面收集，而且經過處理后這些水可以循環10次以上。有效減少單井施工用水的50%左右，為致密油氣資源的有效開發和應用提供有力的條件。

2 工廠化壓裂關鍵地面裝備技術應用策略

工廠化壓裂關鍵地面裝備技術在壓裂施工中的應用，需要針對傳統的設備模式，進一步進行技術創新，形成一體化的設備形式，保證施工效率。

2.1 進一步優化儲供液設備

工廠化壓裂關鍵地面裝備技術的應用中，可以嘗試對儲液系統進行優化，形成過渡性存儲的方式，保證施工中可以持續供給，同時不需要設置大體積罐體，達到更好的供應效果。傳統液罐方式大部分體積比較大，設有吸入和排出兩個不同的端口。設備的單個容積一般為50m3，在運輸的過程中，可以采用一罐一車的運輸方式，施工中需要30以上個罐體聯合工作，難以準確控制儲量。改良后的水罐為SHQ210柔性水管，采用折疊骨架、集底座管網以及柔性水囊等結構組成，設備的容積可以達到210m3。同時軟囊可以隨時更換，采用的材質韌性強，使用壽命一般可以達到8年左右。在安裝中，可以采用吊車進行安裝，并利用拉桿鎖固定，簡單、快速。并配置可視化液位計，實現對設備運行情況的遠程監控，自動監控運營問題并報警，可以實現自動化管理模式，此外，相對于傳統的罐體，可以有效節約占地面積75%左右。

2.2 采用電動混砂設備

工廠化壓裂關鍵地面裝備技術的應用中混砂設備也是其中一項重要的設備。通過電驅輸砂設備的采用可以實現在輸砂過程中的密閉操作，并構建自動化的控制系統。在系統的運行中，包括地面上的砂袋破碎、砂的舉升與運輸、砂罐存儲以及開閘放砂4個階段。這種電動混砂方式相對傳統的砂塔作業，操作的方式更簡單，可以實現自動化遠程操控，提升輸砂的效率。同時，設備中采用密閉式的壓裂支撐劑管理手段，可以有效預防雨水等進入污染或者造成施工中的粉塵外泄等。在施工操作中，不需要多個工位人員的操作和管理，減少吊裝作業內容，消除高空作業安全隱患。此外，機械設計是模塊化形式，將出砂裝置設置在裝置底部，并與混砂組合應用，利用電動裝置進行控制，提升支撐劑的切換效果，每分鐘的加砂量可達到2m3的左右。

2.3 高壓泵注直連技術

從我國當前的工廠化壓裂技術施工情況來看，高壓管匯接井口可以采用6根同徑高壓管。壓裂施工中，如果停泵或者加砂比增大的情況下，如果仍然采用小通徑的管線運行容易造成堵塞的問題，而且采用的管線數量多，也會造成多個節點。管線的節點位置相對非節點位置，更容易損壞。因此，當前的技術改進中已經形成一體化的大同徑萬向直通管匯的方式，一般內通徑可以達到130mm，能夠滿足壓裂施工的排放需求。同時，降低壓裂施工管線間的摩擦，縮短管件連接流程，提升壓裂的施工效率。大通經管匯一般利用萬向法蘭組合連接，將各模塊拼接到一起，縮短安裝施工時間。水力壓裂處理中的設備包括遠程監控管理技術、攪拌機、高壓泵等設備以及閥門、軟管等結構。壓裂施工主要是通過壓裂液體實現壓力的傳導。高壓會影響儲層的結構，在結構層中形成裂紋，提升滲透效果。水力壓裂施工中，高壓泵是最核心的設備，直接影響壓裂效果，壓裂泵的工作原理為，通過攪拌機將低壓流體抽出，吸入后通過壓力泵的加壓，將流體從壓裂鉆孔噴出，進入到施工位置。

2.4 壓裂裝備技術發展方向

工廠化壓裂關鍵地面裝備技術應用中需要向一體化發展方向轉化，通過標準機型的設計提升裝備的整體質量，降低人工操作的工作量，同時，激勵更多設計人員加入產品的設計和研發中。標準機型設計一般可以結合國內外的設備優勢，提取先進點，加強技術總結和匯總。并從控制系統方面，提升技術水平。科學技術的不斷發展下，當前發達國家在壓裂設備關鍵地面裝備技術的控制中，基本上實現了系統化和數字化的控制模式。同時，對作業提出了較高的標準，傳統的手動和半自動管理模式已經無法滿足當前的需求。我國壓裂設備關鍵地面裝備技術也需要向數字化的方向發展，形成可視化的操作模式。壓裂裝置控制技術可以將關鍵地面裝備技術的機械管理控制與作業系統融合在一起，實現項目開展的合作。控制技術是壓裂裝置以及整體施工的關鍵性衡量標準。因此，我國在工廠化壓裂關鍵地面裝備技術的應用中，也需要制定科學的發展計劃，保證壓裂裝備技術的有效應用，提升施工水平。

3 結語

綜上所述，我國工廠化壓裂關鍵地面裝備技術是當前壓裂技術應用中的重要組成部分。從當前的技術應用情況來看，相對最傳統的技術，各方面都有所進步，可以提升施工的運行速度，減小施工設備的占地面積，提升運行效果。但是，相對西方發達國家的設備技術應用情況來看，其中仍然存在諸多的問題，影響最終施工效率。因此，還需要結合當前國際上的領先技術水平，數字化發展模式等，進一步探究更科學的技術方式。在節約成本的情況下，保證設備運行的安全性。