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1、第 35 卷 第 6 期 2013 年 11 月石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Petro-king Oilfield Technology Ltd., Shenzhen 518054, China）Abstract: To fulfill the necessary of large scale staged fracturing operation in the shale gas horizontal wells, the main frac-turing equipment (fracturing units) was optimized according t
2、o the concrete requirements of construction well. And then a series of accessorial equipment were matched such as fracturing fluids blending system, low pressure fluids supplying system, vertical sand tanks. The optimized equipment and technology meet the requirements of large scale staged fracturin
3、g operation in the shale gas horizontal wells, which is characterized by high pumping rate, large fluids volume, huge proppants volume, various fluids and various proppants involved and long operational time. The new technique was successfully applied in wells Fuye HF-1, Pengye HF-1, and Yanyeping-1
4、. So experiences have been accumulated on the large scale shale gas horizontal wells fracturing equipments outfitting and application, and services capability on the large scale shale horizontal wells stimulation have been enhanced. For well factory model of shale gas development in the future, frac
5、turing equipments outfitting and technologies at present are fallen behind the requirement, which need to be improved.Key words: shale gas; large-scale fracturing; fracturing equipment; horizontal well; staged-fracturing页岩气储层具有典型的低孔低渗物性特征， 所 有的井都需要实施压裂改造才能使天然气被开采出 来。北美页岩气开发的成功经验表明， 水平井加分段大型压裂技术是页岩气勘
6、探开发的关键技术。与 常规低渗透油气藏水平井分段压裂施工不同， 页岩 气水平井分段压裂具有大排量、 大液量、 大砂量、 低79曾雨辰等：页岩气水平井大型压裂设备配套及应用砂比、 使用多种液体和多种粒径支撑剂、 施工时间长 等特点。压裂施工所配套的设备及地面流程要适应 页岩气压裂的这种特点才能满足页岩气水平井储层 压裂现场施工需要。 “中原井下” 现有的 7 套压裂机组， 泵车总数达 到 50 台， 主力机型为 2500HHP 和 2000HHP 压裂 车， 总施工水马力达到 105600HHP。由于压裂设 备分布在不同的施工区域， 在具体井施工时， 需要 根据现场实际对参与施工的设备配置进行优
7、化、 调 配。2010 年起“中原井下” 就涉足到中石化第一批 页岩气直井方深 1 井、 黄页 1 井的大型压裂工程服 务中， 对页岩气井大型压裂所需设备及地面流程进 行了初步配套。在此基础上， 针对页岩气水平井分 段大型压裂的需要， 对压裂设备及地面流程做了进 一步的配套完善， 完成了涪页 HF-1 井、 彭页 HF-1 井、 延页平 1 井 3 口页岩气水平井的分段大型压裂 施工。1 主要压裂设备1.1 压裂泵车 目前压裂泵车主力机型为 2500HHP 和 2000HHP 压裂车。页岩气水平井的压裂特点使压裂设备的工 作状况发生了较大的变化， 压裂泵车持续工作时间 长， 需要更多的泵车进行
8、储备。压裂泵车配置除考 虑压裂设计总功率外， 还需根据泵车的连续工作时 间选择泵车功率储备系数（见表 1） ， 由此确定压裂 泵车的型号和数量。表 1 压裂泵车功率系数确定原则连续工作时间 /h功率储备系数12 1.21.434 1.41.656 1.61.86 1.82.0在使用泵车时可以参考 SPM 压裂泵 （QWS2500 CLASSIC） 工作周期曲线（见图 1） 来确定单台泵车 的压力、 排量和工作时间。图中蓝色区域对大泵的 使用最为有利， 大泵可以长时间工作。泵车施工压 力在最大工作压力 80% 以下， 并且泵车排量在允许 的最大排量 80% 以下， 有利于保证大泵的使用寿命。 但
9、通常这个条件难以满足， 特别是压力方面， 这就需 要从大泵的工作时间进行有效安排， 尽量减小高功 率下的工作时间。图 1 QWS2500 CLASSIC 泵工作周期曲线2500HHP 压裂车使用 101.6 mm 柱塞时最大 排量 2.47 m3/min， 对应工作压力 45.3 MPa；最高工 作压力 123 MPa， 对应工作排量 0.867 m3/min。使用 95.25 mm 柱塞时最大排量 2.17 m3/min， 对应工作 压力 51.5 MPa；最高工作压力 140 MPa， 对应工作 排量 0.76 m3/min。2000HHP 压裂车最大排量 2.48 m3/min， 对应工
10、作压力 36 MPa；最高工作压力 103 MPa， 对应工作排量 0.48 m3/min。依据上述原则， 选用 2500HHP 压裂车作为页岩气水平井分段大型 压裂用车， 在 2500HHP 压裂车数量不足的情况下用 2000HHP 压裂车进行补充。 1.2 混砂车 目前尚未配套额定排量 20 m3/min 的混砂车， 额 定排量 16 m3/min 的混砂车为主力机型， 按 85% 的 能力进行考虑， 单台混砂车可以进行施工排量 13 m3/min 的压裂施工， 页岩气压裂注液量大、 施工时间 长， 需要备用 1 台混砂车。如果施工排量在 1326 m3/min 之间， 则需要 2 台混砂
11、车同时工作， 同样需要 备用另外的混砂车。 1.3 仪表车 仪表车用于远距离采集和显示施工参数， 进行 实时数据采集、 施工监测及裂缝模拟并对施工的全 过程进行分析。由于不同的压裂设备配套不同的仪 表车操控、 采集系统， 不能互联、 互换使用， 因而需要 根据泵车、 混砂车的型号配置相应的仪表车。当不 只一台仪表车用于施工时， 将操控混砂车的仪表车 作为主仪表车， 通过对讲机通话方式下达指令给其 他仪表车实现对压裂泵车的操控。 1.4 管汇车 管汇车主要用于运载和吊装高压管汇、 管件。 目前配套用于页岩气井压裂的高压管汇、 管件额定 工作压力为 103 MPa。对于大排量、 大液量的页岩 气井
12、压裂， 为减少含砂液体高速度、 长时间对高压管 件的冲刷磨蚀， 采用双管汇系统， 通过 4 根 76 mm 高压管线连接至压裂井口。石油钻采工艺 2013 年 11 月（第 35 卷） 第 6 期802 辅助压裂设备2.1 压裂液混配设备 页岩气井大型压裂需要大排量、 大液量连续作 业， 传统的液体配制及使用方式不能满足施工需要。 国外通常采用连续混配车与化学添加剂比例泵车与 混砂车相连， 井场液罐只需存储清水， 化学添加剂通 过混配车与比例泵车在施工过程中精确在线加入， 实现了压裂液的即配即注， 而连续混配车的最大配 液排量与混砂车的额定排量必须匹配。目前配套的 CSGT-480 压裂液混配
13、车， 设计额定排量为 8.0 m3/ min， 实际使用排量不超过 6 m3/min， 尽管是当前国 内最大排量的压裂液混配车， 还是与混砂车的额定 排量不匹配。在页岩气井压裂施工中主要用于线性 胶或凝胶基液的配制， 配液速度比传统配液工艺快 35 倍。使用一定量的胶液储罐预先配满， 施工时随 时配液补充至罐内， 不会影响施工。 另外就是使用额定排量 16 m3/min 的撬装酸泵 来配制滑溜水。用粉剂 PAM 作为降阻剂的滑溜水 则使用压裂液混配车进行配制。 2.2 低压供液系统 为满足施工排量 1015 m3/min 的需要， 定制加 工了一批 254 mm 低压汇管及配套 254 mm
14、胶皮 管线。通过低压汇管的串联， 可实现供液罐之间及 与混砂车的合理有效连接。2 台额定排量为 864 m3/ h 的离心泵用于储水池向液罐供水。这些配套设施确保了页岩气井大排量、 大液量施工的连续供液。 2.3 立式砂罐 页岩气井压裂通常采用 2 种或 3 种粒径的支撑 剂， 采用砂罐车给混砂车供砂， 往往需较多砂罐车数 量及加砂台次， 在倒换砂罐车时还会造成加砂不均 匀现象出现， 加上山区井场条件也使砂罐车使用受 限。定制加工了 2 具 100 m3立式砂罐， 可以对 2 种 支撑剂进行分装， 依靠重力自流， 单罐的供砂速度可 达 3 m3/min。当需要加 3 种粒径的支撑剂时， 其中
15、用量最少的 1 种采取吊装加入混砂车砂斗的方法， 初步满足了现场压裂加砂的需要。3 现场施工3.1 工艺方案 3 口页岩气水平井均选用了泵送快钻桥塞分 段压裂工艺、 139.7 mm 套管注入方式对水平段页 岩层进行逐段大型压裂改造。涪页 HF-1 井和彭页 HF-1 井第 1 段采用连续油管传输射孔， 延页平 1 井 第 1 段采用爬行器拖动射孔枪电缆传输射孔， 射后 进行第 1 段压裂。从第 2 段起至后续各段均采用水 力泵送式快钻桥塞隔离 + 电缆射孔联作后进行压裂 的工艺， 逐段进行封堵、 射孔、 压裂作业。每口井第 1 段主压裂前均进行小型压裂试验， 每个压裂段先注 入酸液进行预处理
16、， 再进行主压裂施工。待所有段 都压裂完成后， 最后再进行钻塞、 排液、 试气作业。3 口井的主要压裂设计参数见表 2。 表 2 3 口页岩气井主要压裂设计参数井号压裂井段 / m压裂 段数段内 射孔压裂液支撑剂施工排量 / m3 min1总液量 / m3施工 砂比 /%支撑剂量 /m3每段全井涪页 HF-12 433.253 570102 簇滑溜水 + 冻胶陶粒1014 3752.5515.9249.1491.0彭页 HF-12 431.523 446123 簇滑溜水 + 线性胶 石英砂8.512 7000.718.753755.6523.2延页平 11 738.02 323.0624 簇滑溜水 + 清洁压裂液陶粒1213 2032.010.06070390.0各井施工由多支专业技术队伍协同完成， 其中 “中原井下” 负责压裂作业， 国际知名服务公司负责 桥塞 + 射孔联作作业， 试气作业以及连续油管施工 由其他国内专业队伍负责。 涪页 HF-1 井采用了每段一致的压裂
