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页岩气水力压裂地面工程关键技术

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
资源描述:
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 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 (>10m³超大规模 (>2000m³),因此对于注入设备选型提出很高要求。 根据 验,水力压裂一口水平井,平均需要 3785m³的水量。作业者通常在中等深度 (一般在 5000~10000 英尺, 约 1524~3048m)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 图,图 2 为水 的罐运往 井。 成 压裂施工的内 外制造了 许车 辆就达数 十水力压裂 开岩大 型为美国 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 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 、 压力高、 功大 排量 为美 国机 额定功率 在2、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 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 原的功 率大的特 点³/ 周国 000 马力 ,在 是根据 施裂 车均由混砂般 在 30~50t/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 。 J, 其中河 南周 口勘探地 区图 3 美项目现场 的, 实际工作 为目中 发施 工设计要求车供给压裂 液,排量选 3工中的 不用 是向井内 注力、传动、 泵多数压裂车 装高, 必须具 有L、 、 田引进 的区 获得了成 功美 国 裂泵车。为 2700 马 力发 挥了极其 关, 将压裂液 和液 ,所以要 求m³/ 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 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 到 138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 塞蚀 、 抗磨等 特如 四川的 516 均 具压 力 目混 砂a,最大流 量合 后供锆压 裂可 靠、机械 化车 、混并 把支塞 泵。特 点, 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 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 仪表车是 在判 断井下施 工计 量压力、 液络 装置。 国 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d 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 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d 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,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 管汇是压 裂成 。因为是 组二、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 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 地面处 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 及再利用 技和水力压裂 过液 经过水处 理化 处理埋存 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 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50 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5000m³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 部件性 好。 其中重 复用用 ,可理 流约 9%,剂 、除地层水 力压悬 图6等。c 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 页 岩气返出 液高,但能量 消表 2 净化处理 过预 处理系统 液 处理方法 有消 耗也较大 。过 程比较 开 发 滤法、 反。 其主要特 点透法、 蒸点 如表 2。 时,蒸 馏法 液机 物由于压裂 后 处理流程 其其预处理 过物 和总悬浮 固后 返出液成 分心是采 取过 程采用化 学固 体物 (图 7 分 复杂,其净 化处理、热图学 溶剂消除重。 一部分返 出田 的化回收利用 技 )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 。 体 颗粒, 然 后达 到回收利 用掌 握。如美 国技术,图 8后 通过过滤 去用 的水质条 件国 的 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。 司在 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。 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 2~3 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 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 / 中国海洋石油总公司 ) (马强 李东亮 / 中海油研究总院 )
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