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页岩气水平井压裂装备配套与应用技术研究

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页岩气水平井压裂装备配套与应用技术研究完成单位:工艺研发中心二零一二年十二月 页岩气水平井压裂装备配套与应用技术研究编写人:杨保军主要参加人:杨保军 银本才 赵正龙 陈波 于洋 张洪新 唐世东审核:赵正龙 目 录一、项目概况 .............................................要研究内容及取得成果 ...............................) 、压裂装备配套方案应用与分析 ........................裂泵车配置 .......................................表车 .............................................压系统 ...........................................) 、混砂车 .......................................) 、连续混配车 ...................................) 、低压供液系统 .................................) 、立式砂罐的研究应用 ..........................汇、压裂专用井口连接器及高压管线 ................) 、井场布置研究与分析 ...............................场应用效果及技术指标、经济效益 ....................论和认识 ..........................................目概况2012年,中原井下成功实施了 5口泵送桥塞+射孔联作工艺技术的页岩气水平井,均获得了圆满成功。为了确保页岩气水平井压裂施工,我处对压裂设备及设施进行了配套,通过现场应用,压裂设备配套能满足目前页岩气水平井基本施工要求,但也存在排量几乎不能达到 15m3/砂量单搅龙最大只能 3m3/过分析现有压裂配套设备设施应用情况,找出配套存在问题及不足,提出配套完善方案,为下一步页岩气水平井更大规模、更大排量施工顺利进行提供依据。二、主要研究内容及取得成果(一)、压裂装备配套方案应用与分析1、压裂泵车配置泵送桥塞+电缆射孔联作水平井分段压裂规模较大,因每段压裂后泵送桥塞、射孔导致施工时间更长,一般每天最多施工 0m3/段液量 1000 每段砂量 100每段使用多种液体(滑溜水与线性胶或冻胶)和多种粒径的支撑剂(70/100 目、40/70 目、30/50 目组合使用) 。2012年年初,页岩气水平井压裂泵车主力机型为 2500型和2000型压裂车。2012 年 8月,第三套 2500型压裂机组出厂投入使2用,10 月,2 套 2500型 15台泵车参与元页 0段压裂施工。该井最高施工压力达 97工瞬间最大排量达到 比 2500型和 2000型泵车档位及压力表,2000 型泵车动力下降,明显不能满足施工需求;2500 型 4档排量 压仍能达到 1006 台压裂车总水马力达到 40000 1 2500力、排量对照表压力(排量(m 3/压力(排量(m 3/位 4"1 137 23 37 23 37 23 24 09 9 9 4 1 16台 2500型(4"柱塞)泵车各种限压下施工排量限压(90 80 70 60 50档位 4 5 6 6 7泵效 858790% 93% 93论排量(m 3/m 3/3 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。3表 3 压裂泵车功率系数确定原则泵车连续工作时间(h)1 工作周期曲线(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,大泵可以长时间的工作。泵车施工压力在额定工作压力 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。但通常这个条件难以满足,特别是压力方面,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 工作周期曲线100%80% 90%0100%90%80%45%05%工作时间区25%工作时间区10%工作时间区功率 100%功率 45%大泵有效使用区排量压力依据上述原则,对照表 1、表 2、表 3确定选用 2500")柱塞压裂车作为水平井分段大型压裂用车,能充分满足目前页岩气水平井压裂施工所需的高压、大排量、充足富余水马力要求的需要。 建议:根据施工需求,合理安排泵车数量及施工档位。页岩气井每段施工规模大、排量大、施工时间长,泵车水马力应保持 20余量。42、仪表车仪表车用于远距离遥控压裂车和混砂车,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具有不同的仪表车操控、采集系统,不能互联、互换使用,现场 2套压裂机组共同施工时,采用主机组压裂车接入仪表车泵车控制系统,辅助机组使用便携式泵车操作箱。问题:2 套 2500泵车控制系统不能真正实现接入一个控制操作系统,进行统一控制、监控及操作;四机厂泵车控制系统及便携式控制箱多次出现施工中间掉线、断网等现象,造成泵车短时间内失控,可能会造成施工事故。建议:检修、升级控制系统;3、低压系统(1) 、混砂车目前尚未配套额定排量 20m3/定排量 16m3/ 85%的泵效计算,混砂车施工排量≤13.6 m3/够满足 10时,为保证页岩气水平井压裂施工液量大、施工时间长的需求,现场备用了1台混砂车。但是,对于施工排量要求达到 15m3/须 2台混砂车同时使用。元页 是采用 2台混砂车同时供液,才保证了瞬间 页 1台混砂车,在供液管线较长的情况下,满足 12m3/其是混配车不能在线补液时,排量降的较多,且不稳定。2500型混砂车共性问题:混砂车输砂搅龙能力 10000前5页岩气水平井多采用石英砂、树脂覆膜砂、陶粒砂,粒径为 100目、400,密度范围 4 施工排量与混砂车最大砂比对应表施工排量 10 11 12 13 14 15 16 17 18砂比 3418642109 操作不熟练,不能针对混砂车设备现状,进行有效、及时、稳定操作。焦页 1合罐液位大幅变化,排量波动较大,造成立即停砂顶替观察。分析原因:页岩气采用段塞式加砂,施工后期起步砂比高达 20%,混砂车搅龙瞬间启动需较大动力,动力系统或液压系统动力分配不及时、不稳定,后对于超过 10%的砂比起步,采用每次 5%的台阶多次连续输入的方式,基本解决操作问题。图 2 焦页 1 图 3 焦页 1发动机或液压系统动力分配存在问题,每次加砂均出现排量大幅震荡或降落后再恢复现象,直接影响正常施工的进行,极有可能造成施工砂堵;图 4 焦页 1 文 203强混砂车操作技能学习;加强混砂车突发事件应急操作措施制定及演练;改进混砂车动力或液压系统。7(2) 、连续混配车目前配套的四机厂 际使用配置滑溜水排量最大 7m3/性胶为6m3/ 尽管为当前国产最大排量的压裂液混配车,仍与混砂车的额定排量不匹配。 连续混配车自投产以来,先后施工泌页 页 页 页 页 1液量已超过 150000焦页 1台上打气泵损坏原因,突然停泵,险些造成施工事故(见下图,排量线被修改过,排量几乎降为零) ,目前正进行检修。图 6 焦页 1连续混配车从一开始只是进行每段施工前的配液到目前施工前配液、施工中在线补液,今后发展目标是施工前不配液,施工中完全实现在线应用,作用越来越大,其性能也越来越影响施工排量及施工质量。建议:配套适合混砂车排量的连续混配车;对于施工前配液、施工中在线补液的混配车,因设备连续高效运转,考虑备用,否则极易出现设备损坏后造成施工事故;对于大型酸压施工,考虑实现8酸液连续混配在线施工,加工定制连续配酸混配车。(3) 、低压供液系统对于页岩气水平井,配备 2台额定排量为 800m3/满足目前施工需求,焦页 1台供液泵启动不着,推迟了半小时施工。 定制加工了一批 10"低压汇管及配套 10"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。低压供液部分采用滑溜水与线性胶液分区供液,供液类型清晰、不易混乱,倒换快捷。缺点:10″汇管均采用马牙扣连接、卡子固定的方式,在施工排量突然变化时,出现汇管抖动幅度较大,卡子松动,管线有脱扣迹象;后采用钢丝两端拉紧紧固,并用铁丝将卡子与汇管法兰紧固固定,抖动脱扣现象有所好转,但未根本解决问题,涪页 页 页 1 7 供液汇管拐弯处钢丝加固 图 8 汇管之间钢丝加固图 9 已固化的汇管快速接头9建议:10″软管必须采用固化整体接头,不能采用卡子固定方式,彻底杜绝供液软管憋开,造成供液中断的隐患。 焦页 1”型,为保证远端滑溜水供液,在低压汇管流程上连接了供液泵(800m3/h) ,在使用 2段后,因发动机与传动的连接键断裂脱落,造成供液泵停用,因供液泵直接连在流程上,七离心泵出口位置较高,一定程度影响了供液排量,供液泵连接键修好后,在供液泵两端加工连接三通,确保了供液泵正常使用和非正常使用时的供液排量。图 10 焦页 11 供液泵连接在汇管上 图 12 改进后的供液泵连接方式10问题:供液泵发动机与传动使用尼龙连接键,不能适应大排量连续供液强度需要,造成尼龙连接键断裂。建议:供液泵发动机与传动连接改用万向节连接方式,可有效解决供液泵在现场长时间、大排量连续施工强度需要;供液泵连接在汇管中间,专家供液压力,值得再试验验证效果。 涪页 冠 2500型混砂车 4″流量计计量,并传输到仪表车采集系统。元页 ″流量计再连接混砂车吸入接口,但因元页 性胶、冻胶体系,均不能浓缩,因此没有验证使用效果。浓缩页岩气压裂液体系能有效减少配液工作量,并能降低连续混配车工作量,通过补充清水,最大限度保证液罐液面,从而保证稳定、大排量供液。图 13 4″流量计连接在流程上 图 14 4″流量计问题:因浓缩液与清水按 1:9的比例,由供液泵(800m 3/h)泵送,因此变换液体、小排量及排量变化时,浓缩液比例不能准确及时控制。建议:配备专用小比例泵,能准确泵送 m3/例泵的排量控制简介、快速;泵送采用 4″管线,接入混砂车吸11入接口,管线上安装 4″流量计,流量计信号与仪表车采集系统配套,能保证浓缩液排量准确、及时显示出来;研究、开发页岩气浓缩压裂液体系,降低供液、配液难度。 涪页 中交联剂 度比较大,添加剂泵不易直接泵送,贝克公司做法:采用工业白油按1:1比例混合稀释,并用隔膜泵泵送添加。联剂在压裂六队施工的金页平 1井上采用水泥车搅拌循环稀释,并泵送入混砂车混合罐内解决的。因涪页 场未准备稀释搅拌罐和隔膜泵。小型压裂施工前,将白油和 :1比例加入到 0.6 过齿轮泵循环 2能均匀混合,后又提高白油稀释比例为 2:1并循环 2不能充分混合。后购买民用拌灰的搅拌罐,通过更换齿轮调试,并将白油和 :1比例加入循环,约 1小时,200L 白油和 200用酸化准备队的隔膜泵直接将稀释后的 稀释、配制工艺上彻底解决了该问题。图 15 5 联剂) 图 16 搅拌罐(装 联剂)图 17 隔膜泵(泵送 联剂)12建议:提前与设计方结合,针对液体及各种添加剂的性能、使用工艺进行详细了解,确定添加剂泵种类、数量,从工艺上满足施工要求;各种常用添加剂泵应进行储备,如:隔膜泵、齿轮泵、小尺寸柱塞泵等,建议制作专用添加剂泵车,看广泛应用于页岩气井、大型酸压井及其他大型水平井压裂施工现场。图 18 威德福公司添加剂泵车 图 19 司添加剂泵车(4) 、立式砂罐的研究应用页岩气水平井压裂则通常采用 2种或 3种粒径的支撑剂,研究、13定制加工的 2具 100以对 2种支撑剂进行分装,依靠重力自流,单罐的供砂速度 3 m3/需要加 3种粒径的支撑剂时,其中用量最少的粉砂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。图 20 200页 1页 页 页1口井,均得到了较好应用,但运输车辆较多、组装费时费力、不易查看罐内砂量;因其单具砂罐最大流速 3 m3/于施工排量 12 m3/5%,无法满足施工需求;焦页 1000 目和 30具立式砂罐只能装一种砂,也限制了现场施工需求;立式砂罐闸门采用人工开关,因闸门轴杆较长,开关较慢,影响施工加砂,尤其是页岩气井施工排量大,每次开关时间影响 10几方液量。建议:对于现有立式砂罐改造闸门开关方式,可用液控或气控;内部或外部改造,单具砂罐可分装 2种粒径砂;加工新立式砂罐,加大流速至 5 m3/保施工排量 18 m3/比,单具砂罐能根据需要选装 1罐闸门采用液控或气控,根据砂比需要随意控制闸门开合度。144、管汇、压裂专用井口连接器及高压管线目前配套用于水平井压裂的高压管汇、管件额定工作压力为103够满足压裂施工需要。对于大排量、大液量的页岩气水平井压裂,为减少含砂液体高速度、长时间对高压管件的冲刷磨蚀,必须采用双管汇系统,通过 4路 3″高压管线连接至压裂专用井口。 涪页 工中间因高压弯头、高压短节、旋塞阀等出现滴渗、刺漏进行更换时,储备更换的高压设施明显不足。涪页 时间、大排量施工中出现问题:泵头裂;旋塞阀试压时主轴断裂飞出;高压弯头刺漏;高压短节刺漏等等。延页平 1井发生泵车液力端排出法兰螺栓断裂;涪页 5 施工中损坏高压设备、设施统计表序号 规格序号 单位 数量1 2500型泵头 套 32 2000型泵头 套 33 高压弯头 只 64 旋塞阀 只 5155 高压短节 只 36 低压管线 根 47 台上发动机 台 2图、21 断裂前的旋塞阀(蓝圈内)图 22 断裂后的旋塞阀手柄 图 23 断裂后的旋塞阀本体元页 和焦页 1吸取前面 2 口井出现事故的经验,所有高压件(泵头除外,泵头进行工作量统计和探伤、测壁厚等检测)全部采用新件,并对 2 套总管汇及 4 路高压管线连接方式进行调整尝试,杜绝了高压出现刺漏、断裂等事故,降低了管线大幅剧烈震动。建议:建立非常规压裂井专项压裂储备库,储备一批高压弯头、高压旋塞阀、高压短节等高压设施,专门用于非常规压裂施工,杜16绝长时间用于酸化、酸压、常规加砂压裂后的高压件在非常规压裂施工中的使用,涪页 后的经验:高压弯头、旋塞阀。类似大规模、高泵压、大排量页岩非常规井施工,每一种高压件的备用件应不低于使用总量的 10低压设施备用件应不低于总使用量的 5%;对于压裂车泵头建立使用档案,对于施工泵压 80以上压力使用超过 40 口或 80下使用超过 80 口井次的泵头,在非常规压裂井施工前予以更换。 压裂六通:涪页 、彭页 使用普通压裂井口四通进行连接,元页 、焦页 1使用专门加工定制的压裂六通,其通径为 180过 2 口井使用,目前已通过压裂,量 用后目测和手摸检查,未见明显磨蚀痕迹。 参考国内外压裂施工现场图片,压裂专用井口连接头主要分平式和立式两种,多为五通或六通,平式连接头加工工艺简单,易磨蚀;立式连接头属于异型,不易加工,通过改变压裂液体流动、冲刷方向,能减缓磨蚀,延长使用寿命。页岩气压裂目前施工排量一般在 10期可能需 15据 3″高压管线允许最大通过流量( m 3/,目前页岩气井均采用 4路高压管线连接至井口,若排量达 15m3/考虑加工专用压裂八通连接头,依据加工难易程度和目前压裂六通使用后磨蚀检查,建议采用平式连接头。图 24 压裂六通在元页 17图 25 国外几种压裂专用立式压裂连接器 页岩气压裂排量大、设备多,需 2 个高压总管汇,高压管线需连接多路,为平衡 2 个高压总管汇内流量, 4 路高压管线进行了串联,但受施工压力高、排量大影响,现场施工效果不好,高压管线抖动较大,分析是压裂液在管线内相互流动冲击影响,元页 尝试2 个高总管汇至井口的高压管线不在串联,直接至井口压裂六通回合,因压裂液直接进入井口,避免相互冲击影响,高压管线抖动现象得到较好改善,焦页 1继续验证,效果较好,高压管线仅有轻微颤动,通过分析国外页岩气压裂图片,高压管线也是总管汇直接至井口,而不相互串联。建议:压裂高压管线不相互串联,各自从总管汇直接连接井口。18图 26 元页 、焦页 1高压管线串联及独立连接(二)、井场布置研究与分析页岩气井因施工规模大、设备多,施工现场布置也必须根据施工规模、施工排量等要求进行合理布置,确保施工顺利进行。对于施工水源及一级供水,采用多级供液泵、铺接管道能有效解决供水难题。焦页 1采用专业供水队伍,即节省设备、设施投入,又能专业解决山区大落差管道铺设及大排量稳定供水难题。目前页岩气井单段施工规模在 1000工排量在 10m3/撑剂分 3种粒径(单种粒径支撑剂最多 90 ) ,一般配备 12 台混砂车(1 台备用) ,压裂液分滑溜水、线性胶、冻胶,所以现场一般配备 40 0具左右,一般采取“L”型或“Ⅱ”型,施工场地 60本能满足施工要求。但是也存在液罐具混砂车太远,上水排量受限,排量局限在 12 m3/依靠连续混配车在线补充 5-7 m3/保证施工排量稳定。19图 27 元页 ”型液罐布置图高 压 危 险 区井 场 入 口元 坝泥浆仪 表 车 污 水 池20方压裂车 压裂车压裂车压裂车压裂车 压裂车压裂车压裂车 压裂车 压裂车 压裂车 压裂车压裂车 压裂车 压裂车 混砂车10 车吊 车 清 水 罐 1清 水 罐 2清 水 罐 3清 水 罐 4清 水 罐 5清 水 罐 6清 水 罐 7冻 胶 罐 1调 节 罐 5调 节 罐 6救护车消防车消防车供液泵立 式酸 罐酸 泵管汇车 管汇车 消 防 通 道材料房 材 料 房 工 具 房 远 控 房 压裂车调 节 罐 3调 节 罐 4调 节 罐 1调 节 罐 2冻 胶 罐 2冻 胶 罐 3集 合 点1 集 合 点2空 呼 房值 班 房一 级 节 流 管汇二 级 节 流 管汇热交换器 三 相 分 离器至 副 放喷 池 至 主 放喷 池6泥浆4泥浆 5泥浆 7泥浆压裂车 冻 胶 罐 4冻 胶 罐 5混配车供水泵区消 防 池80方 浓 缩 液 罐 1浓 缩 液 罐 2浓 缩 液 罐 3浓 缩 液 罐 4浓 缩 液 罐 5胶 液 罐 5胶 液 罐 6胶 液 罐 7胶 液 罐 8胶 液 罐 9 采 集 房锅 炉 发 电 房油 管 排 区 冻 胶 罐 6胶 液 罐 1胶 液 罐 2胶 液 罐 3胶 液 罐 4柴 油 罐图 28焦页 1”型液罐布置图页岩气压裂国外泵注排量:10—20 m3/高为 32 m3/量:每段 2000 井最大达 60000 撑剂每段 60—180 井 900—1800 场布置多采用 2 套机组分别独立施工、井口汇合。表 6 国外页岩气井压裂数据统计表20目前,我处页岩气压裂现场布置主要采用“L”型液罐、压裂车对称直型摆放,若施工规模 2000工排量 15m3/段加砂 150存在混砂车供液距离远、混砂车砂比低、压裂车上水远、立式砂罐不足、混配车不足,井场需 600 地最小 80因素,不能满足施工需求。施工现场布置图确定后,应严格遵照落实,元页 两排液罐摆放距离过远,造成混砂车远离供液汇管,最短上水管线 12m。图 28 元页 混砂车连接 2 根上水管线研究页岩气大型压裂现场摆放方式,分下面几种:“一”字型 (井场长条形,现场设备一条线摆开,现场设备集21中,低压流程连接较远,远端压裂车上水困难,高压管线多路连接混乱)十”字型(井场为方形,井口在方形边框角落,压裂设备分2 处直角摆放,补液分 2 处,流程连接复杂) Ⅱ”或“Δ”字型(井场不受限,井口位于一边中部,机组 2侧连接,供液集中,低压流程简洁,供液方便;高压多路管线连接清晰、方便)佳布置方式,国外多采用,见图 29。“工”字型(井场窄长,压裂机组两端摆设,高、低压流程连接简洁、方便;补液、补砂分 2 处,补液流程较远)选的布置方式。图 29 国外页岩气大型压裂现场摆放模式22建议:因页岩气井多在山区,场地多为狭长,现场宜采用“工字”型或“Δ”字型,2 套低压供液系统联合或独立供液、2 套机组独立施工、独立加砂;加工可承重压裂液罐,采用双层罐,减少液罐多占地大、液罐远供液效率低;加工新立式砂罐配套 2套机组独立施工;施工现场布置必须满足施工需求,必须严格按照布置方案落实。三、现场应用效果及技术指标、经济效益2012年,我处配套的页岩气压裂装备参与了涪页 页 页 页 1圆满完成压裂任务的同时,也创造了一系列新指标。页岩气井施工新指标:1、水平井段最长:1178m (元页 、水平井最深/垂深:4982m/页 、压裂段数最多:15 段(焦页 1、施工排量最大:(元页 35、施工压力最高:页 、单日施工段数最多:3 段(彭页 页 1、单井施工总液量最多:(焦页 1、单井加砂量最多:(焦页 1、施工阶段砂比最高:32%(元页 0、最大单段加砂量:(焦页 11、单段最大液量:1427m 3(焦页 12、钻塞时间最短:9 个桥塞 36h(元页 3、压后效果最好、产气量最高: 04m3/d, 404m3/d,油压 (焦页 1。4口页岩气井完成压裂新指标动用了大量压裂配套设备:涪页台 2500型、10 台 2000型,水马力 37500页 台 2500型、3 台 2000型,水马力 26000页 5台 2500型,水马力 37500页 1500型,水马力 30000 7 页岩气井使用压裂设备设施明细表井号主压车仪表车混砂车管汇车液罐酸罐砂罐混配车供液泵其他辅助车辆合计使用(台套)涪页 7 3 2 2 28 4 2 1 4 12 75彭页 1 1 2 2 27 8 2 1 3 9 6724元页 5 2 2 1 37 6 2 1 3 11 80焦页 12 1 1 1 30 6 2 1 4 13 71表 8 页岩气井施工数据统计表井号 压裂井段 m 压裂级数施工排量m3/页 0 2 8040 6465 口页岩气井,涪页 8000 m3/d;彭页 0000 m3/d;元页 m3/d,油 13 m3/页 00000 m3/创造巨大压裂经济效益的同时,也产生了巨大的社会效益。25四、结论和认识1、页岩气压裂因规模大、施工设备设施多,从场地布置到每一台设备具体摆放位置,从因液体、支撑剂种类多影响布置到高低压管线连接每个环节,均因施工压力高、排量大而不同,每口井因工具施工需要,细化每个环节。2、随着页岩气井压裂施工的进行,将产生一些不能预见的问题和难题,也将会有新的要求,页岩气井压裂设备配套及现场施工技术是一个循序渐进、不断完善的过程。3、页岩气压裂现场设备多,压裂现场布置也是一项技术,设备合理布置决定施工成功的细节,一旦制定,应严格执行,若现场有变化,应重新论证制定,不能草率摆放设备,造成施工被动。4、压裂设备设施配套需要兼顾不同的压裂工艺和压裂液体系,实现即配即注、减少作业环节、防止压裂液浪费,实现环境保护,同时要对排出液的处理再利用设备设施进行研制和配套。5、针对页岩气压裂大规模、大液量、大排量、大砂量(多粒径)等技术特点,面向页岩气“同步压裂”及“井工厂”模式发展要求,还需加强以下配套:适应山区道路、井场的,可 2层承重的压裂液罐;满足单车排量 20m3/上的混砂车;配套单车排量15m3/套满足压裂工艺及钻塞需求的连续油管车及工具;进一步完善多级供液系统。
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