严寒条件下大型压裂保温技术研究与应用

韩凤臣（大庆油田有限责任公司开发事业部）

目前，大庆油田大型压裂年施工井数已达到1 200 口井以上，地表多为低洼草原和稻田，夏季泥泞垫方和耕地征用费用高，冬季是进行施工的较好时机；大型压裂施工规模大、作业周期长，施工区域地处偏远、分布零散，生产保障设施薄弱，常规的蓄水池保温、锅炉车和电伴热加温等工艺，仅能满足-15 ℃以内施工需求[1-3]，造成每年11月中旬到来年3 月中旬被迫停工。为满足油田上产需求，减少地面条件限制，从开发需求、压裂效果、安全环保、经济效益等方面综合考虑[4]，研究了-35 ℃条件下地面全流程的配套保温工艺技术。

1 流程热损失和关键节点分析

1.1 热损失情况

冬季施工时，地面流程内的工作液与环境温差大，易通过胶质和金属等外壳散热降温、直至结冻[5]，其中材质的热传导系数、温差、压力、施工排量、结构流程、外部风力和风向等都是热损失的主要影响因素。基于冬季施工流程，考虑实际工况参数（λ、壁厚、温差等）和现场匹配，建立完善了热损失计算模型。

对施工排量为8 m3/min、液量8 000 m3的水平井体积压裂，按功能特点将压裂现场划分为5个施工区域，统计工况参数，进行热损失情况模拟，确定了蓄水池、配液车、缓冲罐、高压直管、高压管汇等热损失的主要部位，占全部热损失的97.45%。大型压裂地面流程热损模拟分析见表1。

1.2 关键节点分析

在流程或装置的突出部位、细管线或缩径处，严寒造成冷凝挂壁直至冻堵，分析主要存在于供水口、缓冲罐口、仪表阀体、高低压管汇、防喷管、压裂泵塞和泵筒等部位。根据热损失和易冻堵情况，确定4大类、25项关键节点，实施针对性的精准提温和保温措施。施工流程的关键保温节点见表2。

表1 大型压裂地面流程热损模拟分析

表2 施工流程的关键保温节点

2 地面流程保温控制技术

国外压裂保温多采用供水多级加热、压缩空气实时排空地面管汇等整体配套设备[6-7]，投入费用高、操控复杂，且压裂车组无法驻场连续施工。结合大庆油田区块偏远特点，建立液体耐寒升温、流程保温防冻、主体设备保温等全流程体系，配套研发高效加热装置、防冻液体添加剂、可拆卸电伴热夹克、轻质钢骨架车库等技术，形成有效衔接的冬季工厂化施工模式。

2.1 液体耐寒升温技术

2.1.1 配液水源的升温技术

研究基于柴油的高效加热撬装装置（图1），1个立式辐射室与4个卧式对流室一体化相结合，充分回收利用烟气余热，热效率80%以上，2 m3/min排量实时水温由2 ℃提高到20 ℃以上，保障蓄水罐及后续配液温度15 ℃以上。另外，高热效加热装置通过旁通装置，实现70 ℃小排量供水，保障施工间歇流程和车组循环推塞。

图1 高效加热撬装装置

2.1.2 防冻液体添加剂

利用CaCl2、C3H5(OH)3、工业酒精等添加剂，研究配置CaCl2基防冻液体，通过室内测试不同浓度、不同压力下的防冻效果，考虑成本和储层保护，确定300 g/kg 的盐溶液比例，施工间歇对关键环节进行防冻填充。

2.2 主体施工设备保温技术

2.2.1 蓄水池及配液保温

利用隔热气垫，在蓄水池上方加装盖帽控制温度损失[8]，保障蓄水和配液温度15 ℃；利用防风衬布，搭建小型保温棚，对配液装置进行挡风保温。

2.2.2 主要车辆设备保温

利用轻量化防风衬布、整体伸缩结构的轻质钢骨架，搭建连续油管车组保温棚和野外压裂车组集中车库（图2），利用车辆余热、24 kW热风幕或者水暖管线进行加热，温度达到0 ℃以上。

图2 野外压裂车组集中车库

2.3 地面流程保温技术

1）采用轻质易拆卸材料，制作成电伴热保温夹克，对连续油管注入头、合压井口、防喷管、防喷器、平板阀、节流管汇、传感器等关键设备外部，升温至50 ℃以上进行环空保温，做到温差方向逆转。

2）采用航空、热力管道行业所用陶瓷颗粒保温涂料，在缓冲罐、管线等外壁喷涂，喷涂厚度0.5～6 mm，阻隔热量穿透率在90%以上。

2.4 冬季工厂化施工模式

1）将常规胍胶压裂液改为缔合压裂液，工艺流程由之前粉料、配液、加入添加剂进入反应罐简化为即配即注，减少设施数量和连接环节[9]，进一步降低防冻难度。

2）采取多井交叉接替的24 h 工厂化连续施工模式[10]，设备不停车或间隔预热，液压开关内更换-35 ℃航空级液压油。施工停歇2 h 以上时，车组进库保温；施工等停8 h 以上时，利用高压氮气吹扫管线排空，并在传感器、开关等部位利用防冻液进行充填。冬季大型压裂工厂化施工见图3。

图3 冬季大型压裂工厂化施工

3 现场应用及效益

3.1 应用效果

2017 年以来，在大庆油田长垣外围的茂23、树9-2 等区块完成冬季大型压裂621 井次，实现野外-35 ℃条件下单井常态化施工，无冻堵情况发生，入井液温度保持在5 ℃以上，单井平均初期日增油4.1 t，与夏季情况持平。

3.2 经济效益

通过采用此模式，单井施工周期缩短2.1 天，统筹考虑冬季施工增加费用、夏季垫方和青苗赔偿费用，平均单井减少投入9.8 万元；共计抢投低洼稻田区域新建产能45.8×104t，做到当年钻井、当年基建，对比原计划提前2年投产。

4 结论

1）通过液体耐寒升温、流程保温防冻、主体设备保温等全流程保温技术体系，实现冬季-35 ℃条件下的大型压裂高效施工，且减少了地层冷伤害。

2）严寒季节大型压裂正常施工，规避了低洼区夏季垫方修路和青苗赔偿费用，保障区块整体提前投产，对油田夺油上产提供巨大助力，具有较高的经济和社会效益。

3）研发了大型压裂冬季施工系列保温配套设备，形成了施工整体保障模式、操作规程和管理制度，具备快速推广能力。