冬季油田压裂供水技术的研究及应用

许雪松 孙斌 宁旭辉 杨晓慧 许雪强

【摘  要】石油是现代工业的“血液”，是国家生存和发展不可或缺的战略资源，对保障国家经济和社会发展以及国防安全有着不可估量的作用。油田钻井开发工程中的体积压裂技术在低渗透油田的开发中有着显著的增产效果，压裂供水是压裂作业的重要组成部分。我国西北地区冬季气候寒冷，为保障压裂作业在冬季正常开展，冬季的压裂供水研究和应用，对油田钻井开发具有重要的意义。

【Abstract】Petroleum is the "blood" of modern industry and an indispensable strategic resource for the survival and development of a country. It plays an inestimable role in ensuring the country's economic and social development and national defense security. The volume fracturing technology in the oilfield drilling and development project has a significant increase in production in the development of low permeability oilfields， and the fracturing water supply is an important part of the fracturing operation. Northwest China has a cold winter climate， in order to ensure the normal development of fracturing operations in winter， the research and application of fracturing water supply in winter is of great significance to the oilfield drilling and development.

【关键词】冬季;压裂;供水

【Keywords】winter; fracturing; water supply

【中图分类号】TE45                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）01-0188-02

1 引言

“千方砂，万方液”是描述油田单井压裂所需石英砂和压裂液的用量。目前，一口水平井压裂用水量在2万立方米左右，最大峰值用水量达到10～14m3/min，一级压裂用水量约1500m3，每天完成3～4级压裂每天用水量约6000m3。为保障压裂作业的连续性，必须有一套安全可靠的供水系统。

在西北地区水源比较匮乏，水资源调配的距离在几公里到几十公里不等，进入冬季环境温度达到冰冻临界状态后，供水系统常常会发生设备“冻堵”，管道“缩径”“冰屑拥堵”的现象，克拉玛依市禹荣有限责任公司在多年的油田压裂供水工作中不断地总结、改进和完善压裂供水系统，现已形成一套完整的压裂供水体系。为保证供水系统在冬季能够正常运行，我们也做了大量的研究和探索，通过的理论计算和现场实验，设计了一套冬季压裂供水保障体系[1]。

冬季压裂供水保障体系是采用保温、蓄热相结合的方式，实现加温和散热平衡，保障供水系统在0℃以上运行。压裂供水系统是由集水系统和输配水系统两个部分组成，主要设施包括：泵站、移动蓄水池、临时输水管道等。

冬季压裂供水的重点是移动蓄水池和地面临时输水管道。加热保温的主要部位包括：移动蓄水池和长距离地面临时输水管道加热保温。泵站部分可采取暖棚保温电油暖加热的方式，充分利用发电机组在运行过程中释放的热能，可以保障泵站设备的正常运行。冬季压裂需要的供水温度在0℃以上保证输水系统不结冰，能够正常配液即可。影响冬季供水系统运行的主要因素就是环境温度，环境温度越低供水系统散失的热能就越多，保障系统运行所需补充的热能就越多。通过采取保温措施减少系统热量的散失，同时，设置加热站为系统补充热能，补充的能量和散失的热能达到平衡状态，即可保證压裂供水系统的正常运行，也实现最低的能源消耗[2]。

2 移动蓄水池保温和加热措施

支架蓄水池为露天敞开式水池，原水不断汇入蓄水池，压裂用水从水池底部抽取。蓄水池面积较大，采取全封闭式不易实施，在蓄水池四周采用的钢管架外侧覆盖毛毡进行保温，采用热水锅炉及管道系统对池内水体直接进行加热。蓄水池的热量损失主要包括：水表面蒸发损失的热量;蓄水池池壁和池底传导损失的热量;补充新水加热所需要的热量。初步设定蓄水池水温为1℃，冬季室外环境温度-30℃，计算出蓄水池维持冬季运行所需要的热量。

①蓄水池水表面蒸发损失的热量Qs：

②蓄水池池底、池壁、管道和设备等传导所损失的热量：应按蓄水池水表面蒸发损失热量的20%计算确定。

QY=20%Qz

③补充新水加热所需要的热量鲜水加热所需要的热量Qb：

④蓄水池维持恒温需要的总热量Q总：Q总=Qs+Qy+Qb

根据计算得出蓄水池维持恒温需要的总热量Q总，配置相应功率的锅炉和板式换热器，连接循环泵及供热管道系统对蓄水池进行加热。对蓄水池的加热方式，是在蓄水池底部设置加热盘管，通过循环热水直接对蓄水池内的水进行加热，能够保障冬季严寒条件下蓄水池能够正常运行[3]。

3 输水管道的防冻措施

压裂供水系统中的输水管道包括水源至蓄水池部分的集水管道，蓄水池至压裂作业面的输配水管道，均为地面敷设的临时管道，长度从几百米到几公里不等，输水管道采用多为PE管或聚氨酯软管，管径从DN100～DN350不等。

当冬季平均环境温度在0～-5℃时，保持管道的水持续流动，可以防止管道发生“缩径”或结冰的现象。供水系统可采取双线布设，在压裂作业面停止的情况下，采取“双线内循环”的方式维持系统内水的流动，可以起到很好的防冻效果。

当冬季平均环境温度低于-5℃时，管道内壁结冰并且逐渐增厚形成“缩径”，在系统启停过程中就会发生冰屑拥堵的现象。在平均环境温度低于-5℃时就必须对管道采取保温和加热的措施。

管道保温采用5cm厚岩棉管保温，岩棉管外粘贴锡箔纸，封口处采用自粘胶封闭。管道沿地面敷设，为防止雪水浸湿岩棉，在岩棉管外侧包裹一层防渗膜，封口部位的搭接宽度大于200mm，搭接部位置于管道下方，50cm一道采用铁丝绑扎牢固防止松脱。

输水管道的热量损失计算：

根据计算得出管道沿线的热量Qg值，配置相应功率的锅炉和板式换热器，通过“过水热”的方式对进入供水系统内的水进行加热。锅炉采用智能化温度控制系统，通过检测管道的水温调节锅炉燃烧器供油量，让锅炉为系统提供持续稳定的热能，并实现最优的能耗。

钻井压裂在夏季作业时间一般在10天左右，冬季压裂作业时间在15天左右，整个加热站应易于拆装、便于调运。加热站需配置一台100kWA发电机为锅炉运行提供电源，配置一个8方油罐为锅炉提供燃油。本系统所用的锅炉及换热装置采用集装箱模块化设计。集装箱内配置常压热水锅炉、板式换热器、内置油管、内置水箱、配电箱、循环泵、进出水工艺管道及附件。锅炉的智能化温度控制系统，可根据系统设定的进出口的温度调节燃烧器的状态，自动供油装置和自动补水装置，可以保证系统运行的安全性，也达到了节能降耗的目的。

2020年11月20日在新疆油田玛湖1井区进行了冬季压裂供水试点，当地夜间最低温度达到-10℃。万方水池为水源，万方蓄水池水面已结冰，泵站进水温度已接近0℃，在加热站未启动前，供水系统采用循环输水措施防冻，此时，管道已开始结冰，部分外露阀体和管件已发生“冻堵”。压裂供水系统日供水流量3000m3，在万方池起点泵站位置设置第一加热站，配置1台5t燃油锅炉，为管道内的水进行加热。启动第一加热站，通过第一加热站加热后的水温已达到5℃。从水池至压裂井场距离2.7km，管道末端高架蓄水池入口处的水温保持1～2℃。第二加热站设置在水池附近，加热站配置1台2t燃油锅炉，在高架蓄水池底部外侧缠绕热水循环盘管为高架蓄水池提供热能，高架蓄水池外側覆盖棉毡保温，高架蓄水池水面和池壁体未发生结冰现象。

2020年12月2日玛湖1井区冬季压裂实验点压裂工作全部完成，立即完成供水量60000m3，系统日平均供水量达到5000m3。当地室外最低温度已经达到-15℃，期间两个加热站持续为压裂供水系统提供热源，系统管道和蓄水池均未发生“冻堵”状况，压裂工作顺利完成，为冬季油田压裂提供连续稳定的源保障，为油田压裂冬季施工提供成功案例。

【参考文献】

【1】马英伟.石油开发中体积压裂技术的应用[J].石化技术，2018（8）：107-108.

【2】李强，杨明华，万传华，等.页岩气井区压裂集中供水方案的研究与设计[J].油气田地面工程，2019，38（02）：59-65.

【3】佚名.全国民用建筑工程设计技术措施[J].建设科技，2015（10）：39-41.