页岩气水力压裂地面工程关键技术

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1、页岩气水力压裂地面工程关键技术页岩气水力压裂地面工程关键技术 随着化石能源价格上涨和油气开发技术的不断进步， 页岩气已成为非常规油气资源领域中的重要组成部分。目前美国和加拿大是页岩气规模开发的两个主要国家，1821 年，第一口页岩气井钻于美国东部，至今已经有 180 多年历史。进入 21 世纪以来，以美国为代表的西万国家在页岩气开发领域走在世界前列， 其成熟的水平井与水力压裂技术得以将页岩气商业化。 美国页岩气资源量超过28万亿立方米， 2010年美国页岩气产量达到 1380亿立万米，超过我国天然气产量。 页岩气藏在美国的成功开发依赖于水平井与水力压裂技术的应用。 页岩气藏因其储层物性差、孔隙

2、度和渗透率极低，需要应用水力压裂技术才能经济开采。2003 年，随着水平井成为页岩气开发的主要完钻井万式， 水力压裂开始成为页岩气水平井主要增产措施。 水力压裂是利用含有减阻剂、 黏土稳定剂和必要的表面活性剂的水作为压裂液， 这项技术可以在不减产的前提下节约 30%的开发成本，在低渗透油气藏储层改造中取得很好的效果。 页岩气开发的地面工程围绕着水力压裂和气体储运而开展， 其中水力压裂注入系统及压裂液的应用决定了页岩气开发的经济效益， 是一项非常重要的开发环节。 水是页岩气开发压裂液中的必要组成部分，压裂过程中需要消耗大量的水量，随着人类对环保的日益重视，将返出液处理净化后可以进行循环利用已成为

3、一种共识。 这方面避免了污染排放， 另一方提高了页岩气的开发效益目前返出液的净化和利用已成为页岩气经济开发的一项关键技术。 一、页岩气水力压裂地面工程关键技术与装备 一、页岩气水力压裂地面工程关键技术与装备 由于页岩气藏岩性特别致密，对作业井的压裂特征参数不清楚，试验潜在风险高、难度大，加上页岩气藏压裂作业井规模大、排量高，需要动用的设备也多，在工艺设计、地面配套等方面需要进行针对性的分析。 与常规油气的水力压裂相比， 页岩气藏压裂作业属于高排量(10mmin)、超大规模(2000m)，因此对于注入设备选型提出很高要求。 根据 chesapeake 经验，水力压裂一口水平井，平均需要 3785

4、m的水量。作业者通常在中等深度(一般在 500010000 英尺， 约 15243048m)的高压页岩中泵入低粘度水基减阻流体和支撑剂进行增产处理。 高压条件下泵入的液体在页岩中产生裂缝。 这些裂缝可以从井筒向外在页岩中延伸上千英尺，从而达到驱气的效果。通过水力压裂，水和沙子的混合物在高压下被注入到页岩气井，并在岩石中形成细小的裂纹，并将页岩气带至地表。 措施等则要求设备图 1 为水力施中，将 100则被放置在井压裂设备和求也越来越高备很多， 仅专用力压裂开发示0 多个装满水井场中心周围和工具是完成高。为此，国内用特殊施工车图 1图 2 美国 Ba示意图，图 2 为水的罐运往井。 成压裂施工的

5、内外制造了许车辆就达数十1 水力压裂开arnell 页岩大型为美国 Barn井场并放置在重要部件。 随许多专门的水十辆之多。 这些开发示意图 型水力压裂作业nett 页岩大型井场周围。泵随着压裂工艺水力压裂设备些设备能造成业现场 型水力压裂作泵送装置、管艺的不断发展备及工具。压成高压条件，作业现场。在管汇和监测设展， 对设备工压裂用的动力泵送高压液在压裂设备工具的机械液体，快速砂车撑剂现场并要0 型量轻最大动机达 3入井高。速均匀搅拌混车、平衡车、1、压裂泵、压裂泵车车压裂车是压剂挤入裂缝。压裂泵是压场施工时对压要求性能稳定目前我国从型、SS-1200轻、压力高、功大排量 2.48m图 3 为

6、美国机额定功率为3.5m/min。在2、混砂车、混砂车 混砂车的作井。所有压裂输砂量一般混砂液体。根据仪表车等。车车 压裂的主要设压裂车主要压裂车的工作压裂泵的技术定、工作可靠从美国 SS、B型，中原的功率大的特点m/min，在周国 Eagle Ford为 3000 马力，在 Eagle Fo作用是根据施裂车均由混砂般在 3050t/h据它们在压裂设备，它的作用要由运载，动作主机。绝大术性能要求很靠。 BJ，DAWELFT-1800X-C点。其中河南周口勘探地区图 3 美d 项目现场的，实际工作为ord 项目中发施工设计要求车供给压裂液h，排量选 3m裂施工中的不用是向井内注力、传动、泵多数压

7、裂车装高， 必须具有LL、DAGA 等CH 型、BL-南油田引进的区获得了成功美国 Eagle For的压裂泵车。为 2700 马力发挥了极其关， 将压裂液和液，所以要求m/min 左右不同功能，其注入高压的压泵体、操作面装备的压裂泵有压力高、 功等公司引进了-1600 型，华的 H0-2000 机功应用。 d 项目压裂泵其图 4 美国力，最大压力关键的作用。和支撑剂按一求混砂车性能右。 其关键装备主压裂液，将地面板等五大件泵为卧式三缸率大、 耐腐蚀了压裂车。如华北的道威尔机型，额定压国 Eagle For力达到 138MP一定比例混合能好、工作可主要有压裂车地层压开，并件组成。 缸单作用柱塞

8、蚀、 抗磨等特如四川的 SS尔 B516 均具压力 103.4MPrd 项目混砂Pa，最大流量合后供锆压裂可靠、机械化车、混并把支塞泵。特点，-100有重Pa，砂车发量可裂车泵化程度成，贮液送到控制罐内工作套管一方差，反洗和判如计联络图 4 为美国一般用运载液罐的压裂液到压裂车的上制排量。输砂内。输砂时要3、平衡车、平衡车 分层压裂施作条件下，封管环形空间向方面， 当封隔器为了保护封改善封隔器洗或反压井，4、仪表车、仪表车 仪表车是在判断井下施工计量压力、液络装置。 国 Eagfe For载汽车的发动液泵送到混砂上水管线。 供液砂系统装有螺旋要求满足砂量施工中，压裂封隔器强度要受向上窜。封隔器

9、器上、 下压差封隔器， 平衡车器的工作条件排除故障。在压裂施工时工情况，正确液量、排量、砂图 4 美rd 项目混砂车机做动力。供砂罐内， 支撑剂液泵和砂泵出旋输砂器或风量、上砂均匀管柱最上部封受影响。如果器上部的套管差过大时， 可能车从油套管环。另外，当施时供现场工程技指导施工的特砂量、混砂比美国 Eagfe For车，主要由供供液系统包括剂和压裂液在出口管线上装风动输砂器，、砂量可调封隔器的上、果封隔器受到管压力突增，能使压裂层段环形空间注入施工中出现砂技术人员准确特种车辆。仪比等的仪表装rd 项目混砂车供液系统、输括供液泵、混在混砂罐内进装有流量计和将砂子从地。传动系统有、下压力不一到破坏

10、，压裂可能导致套段的高压液体入一定压力的砂堵、砂卡等确、 及时的掌仪表车上装有装置。此外还输砂系统及传混砂装置、砂进行混合， 砂和自动控制阀地面或某一高有机械传动和一样，且相差裂管柱中的高套管断裂或其体通过夹层上的液体， 平衡等事故时，平掌握各种施工有计量压裂参还装有扩大器传动系统三部砂泵等。供液砂泵再把混合阀， 以便测流高度，输送到和液压传动两差很大。在这高压液体就会其它恶性事故上窜， 破坏夹衡封隔器的部平衡车可立即工参数， 帮助参数的各种仪器、送活器等部分组液泵将合液泵流量和混砂两种。 这样的会通过故。另夹层。 部分压进行了解仪表，等通讯组成70%于水以降程是化学氧剂矿物裂后5、管汇车、管

11、汇车 管汇是压裂成。因为是组二、水力二、水力一个典型的%90%的水在水力压裂，处降低 25%的水是否满足，对压裂返出液学添加剂约 1剂、碳化物稳物组分充分接后，其返出液裂时高压液流组装在汽车上压裂返出压裂返出液液的页岩气水平在过程中消耗处理后的淤泥可水资源成本。对处理合格后液的处理， 需要%。用于高压稳定剂、稀醛液接触后，返出液夹带着溶解流汇集通过的上的，所以称液液地面处地面处理理平钻井在钻探和耗。而返出液可通过无害化对从地层返的污水如何表 1 压图 5 页岩要一套较复杂压液中的化学液等。压裂液时物理化学性解的固体颗粒总机关，由高管汇车。要求理理及再利用及再利用技技和水力压裂过液经过水处理化处

12、理埋存至返回的污水，处理，是我们裂返出液再利岩气水力压裂杂的工艺措施学添加剂有 2液在进入地层性质和会发生(氯、硫酸盐高压三通、四求管汇耐高压技技术术 过程中需要使理设施后进行至地下。通过采用何种处们面临的关键用水质量要求地面工艺流程施。 压裂液中水250 余种，常层后，经历了生改变，且此盐、和钙)，金四通、单流阀压、机械强度使用 4000-15行净化，处理过水资源的重理工艺，常规键难题。 水含量约 90常用的有减阻了高温高压，此变化很难预金属(钙、镁、阀、控制阀等度高、适应性5000m水，理后的水可重重复获取利用规的污水处理0%， 砂含量约阻剂、杀菌剂与地层水和预测。经过水钡、锶)，悬等部件

13、性好。 其中重复用用，可理流约 9%，剂、除地层水力压悬图6Fra对返等。ac Pure顸处返排液的水质在净化处理相比之下，处理系统浮固质条件进行了理方式上，主要热蒸馏的方固体物等。 美国严格的限定图 6 要有常规的页方法回收率最表国URS Cor。 Frac Pure 预页岩气返出液高，但能量消表 2 净化处理过rporation在开预处理系统 液处理方法有消耗也较大。过程比较 开发Marcellu有过滤法、反。其主要特点us页岩气田反渗透法、蒸点如表 2。 时，蒸馏法WT(出液机物由于压裂后(integrated 液处理流程其其预处理过物和总悬浮固后返出液成分Water Tech其核心是采

14、取过程采用化学固体物(TSS)。图 7 分复杂，其净化hnologies co取预处理、热图学溶剂消除重。一部分返出Barnet 气田的化回收利用技orpora 伯)公蒸馏的万法来图 8 返出液处金属和溶解在出液经该处理的水力压裂 技术仅有西万公司研发了一来进行水质净处理流程 在水中的固体理系统后可达万少数公司掌一套 FracPure净化。 体颗粒， 然后达到回收利用掌握。如美国e 技术，图 8后通过过滤去用的水质条件国的 I8 返除有件，进入到热蒸馏装置回输至水池进行循环利用：而其余高浓度卤水可运输至盐场进行结晶提纯，其最终循环水回收率可达 25%左右。 Devon 公司在 Barnett

15、气田开展了系列的压裂清水的循环利用的应用研究， 极大地解决了压裂用水的问题。Barnett 页岩气藏在进行压裂措施改造后很快就会产水，压裂过程中泵入的 20%30%的清水在压后生产的 23 周内就可以产出。 其净化工艺主要采用沉降法， 大致流程为：返出液进人到絮状凝结罐，与添加进入的凝结剂混合，然后进入到高速澄清器，经分离后过滤器后进行循环利用，每天可处理 3000 桶返出液。在开展压裂的前 30 天，流体的平均回收率达到-11.9%。 中国页岩气资源前景广阔， 但要形成工业化还有一段路要走， 需要进行大量的研究准备工作。水平井与水力压裂技术被认为是今后页岩气商业化应用的必要万向。要大规模、低成本地开展水力压裂， 必须提高我国的压裂泵车组的装备实力， 尤其是提升高扬程卧式三缸单作用柱塞泵的研发实力，提高自王知识产权。此外，页岩气开发过程消耗了大量的水资源，未来需更加重视水力压裂返出液的净化与循环利用， 选择台适的技术模式， 在避免水污染排放的同时降低了页岩气的开发成本。 (陈可钦陈可钦 / 中国海洋石油总公司中国海洋石油总公司) (马强马强 李东亮李东亮 / 中海油研究总院中海油研究总院)