工厂化压裂关键地面装备技术现状及应用研究

关晓辉

（大庆油田装备制造集团吉林分公司，黑龙江 大庆 163000）

工厂化压裂最早起源于美国，最开始采用的是水力压裂实验方式，通过水的压力提升油气井的开采效率。在生产技术不断提升的情况下，对压裂设备提出了新的要求，包括压裂液的压力以及压液量等。压裂装备中包含的设备主要有混砂、泵注等设备类型。工厂化压裂施工中包含的设备数量多，施工时间长，风险大，因此压裂设备要达到一定的施工要求，工厂化压裂地面装备作为重要的设施，在技术和工艺方面也获得巨大的发展，为后续工厂化压裂工程开展提供有效的参考。

1 工厂化压裂关键地面装备技术现状

1.1 连续供水装备

工厂化压裂技术施工中需要应用大量的水，同时要控制储液罐的数量，有利于对运输成本和面积的节约。我国工厂化压裂作业中需要结合施工场地的水源以及地形等结构，建设储液罐和蓄水池，形成多元化的供水方式。并形成配套的移动蓄水池和大容量的蓄水罐，并设置供水泵和分水器，保证供水的效果。移动蓄水池在施工中可以重复利用，而且因为蓄水池可以移动，不需要在现场挖掘，避免造成对施工现场环境的破坏。对保护生态环境以及不宜实施挖掘作业的地区具有重要作用。

1.2 连续混配设备

我国工厂化压裂技术与国外压裂作业技术间存在一定的差别，我国压裂液主要采用浓缩压裂液、胍胶压裂液以及滑溜水压裂液等不同的形式，结合不同的施工装备和工艺采用不同的压裂液，其中我国当前应用最广泛的压裂液为混合配制的胍胶压裂液体系。采用混合罐和射流混合器结合的混配方式，同时也包括静态混合等多种混合模式。为了更好地满足工厂化压裂排放模式，需要满足连续施工要求。结合我国的压裂液工艺和配置等需求进行配置。可以通过对原有混配车的改进，提升混配排量，同时还可以形成混配撬以及连续混配车等，转变传统的混配车作业方式，保证作业施工现场的作业效果和安全性。并构建1+N的现场管理模式，做好干料与液体介质的添加，在施工中边施工边添加，精确调整注入精度，防止采用传统的配液方式，影响配液速度，加大劳动强度和施工面积，也可以有效避免环境污染。

1.3 连续供砂设备

工厂化压裂施工中对砂的需求量多，同时需要保证比较快的加砂速度。在加砂的过程中，还需要多次倒砂罐。这种加工方式容易导致间断，无法实现连续铺砂，使施工效果受到影响。因此，为了工厂化压裂施工的顺利开展，要做好加砂工艺的改良，将运砂、输砂以及混砂结合，形成连续的供砂装备，保证供砂的效率。提升装备的研发质量，满足工厂化压裂加砂需求。首先，要采用大容量的储砂罐，当前，工厂化压裂作业中常用的储砂罐具有多种形式，包括卧式、立式以及螺旋输砂蛟龙式等，不同罐的容积也存在一定的差异性，最大的可以达到200m3，输砂的速度可以达到每分钟5m3，满足不同粒径砂砾的输送和存储效果。其次，采用连续输砂车。工厂化压裂输砂装备要符合工厂化压裂的输送速度，并配置连续的输送装置。当前我国在连续输砂装置中已经开发了多种不同的装备。其一，为输砂半挂车，可以将输砂速度控制在每分钟5.8m3左右。该技术的优势既表现在输砂的速度方面，又表现在设备的填料方面，可以在两侧进行同时喂料，提升运输速度。同时，还可以对输砂量以及储藏量等进行实时监测。改进后，该设备的作业高度进一步提升，可以满足7m的运输要求，并完成不同角度的作业。其二，为连续输砂撬，该设备的运输速度相对于连输砂车效率更大，速度可以达到每分钟8m3的运输效果。同时，还可以自动调节连续供砂量。最后，全自动连续输砂撬。该设备的输送速度最快，最高可以达到每分钟15m3，而且连续工作时间可以延长到9h以上，产生的误差比较小。

1.4 连续泵入设备

工厂化压裂施工中对排放量的需求比较大，一般都可以达到每分钟7m3以上，部分压裂施工的排放量甚至可以超过每分钟20m3。从我国当前的工厂化压裂作业情况来看，应用混砂车规格主要为100～130桶，煤炭混砂车的施工排放量难以达到每分钟17m3的规格。如果施工中一旦排放量超过每分钟17m3，必须同时启动两台设备，造成成本的提升和场地占地面积的扩展。当前针对这个问题，已经研发出大排量的混合车，可以达到240桶的规格。该设备的流量速度大大提升，可以达到每分钟38m3。此外，该设备不需要采用传统的拖车形式，设置了更灵活的车载结构，可以满足我国的道路运行要求。我国工厂化压裂施工中，采用的设备主要为2000型和2500型压裂车的形式，为了有效节约场区占地，一般不会使用多种设备，较少的设备便可以完成工厂化压裂施工要求。同时，当前我国中石油、中石化等又开发了部分大功率微型的压裂车，尽可能缩小体积，提升作业效率，保证作业稳定性。高低压管汇总连接方式比较复杂，而且高压管长期受到水的冲击压力，容易造成严重的震动受损，同时也可能会因为占地面积过大，影响现场管理。工厂化压裂施工中一般高低压管汇总采用6头或者8头的形式。其中一个汇总成的管道可以与2000型以上压裂车高压注入连接，1台混砂车可以同时对应6～8台，保证良好的供液效果。压排量可以达到每分钟5～8立方米。总成高压管汇的压力一般会超过140MPa。如果工厂化压裂的排量超过每分钟10～16m3，采用两套设备便可以达到要求。此外，为了有效降低工厂化压裂排量的管线连接以及占地问题，还可以采用法兰式高低压管的汇总成方式，满足压裂施工要求。

1.5 压裂返排液回收装置

工厂化压裂的用水量比较大，同时，要保证用水量的连续性，因此，在施工过程中压裂形成的返排量也会增加，导致返排液的速度快，造成资源浪费。因此，当前已经研发出高效的返排液回收装置，可以将返排液集中收集，避免造成水资源浪费，保证施工效率，同时满足环保理念。针对这种情况，我国当前已经有多个油田研发了工厂化压裂回收压裂液配套装置。比如，可以在油田的致密油以及致密气工厂化压裂施工中采用该技术手段，并研发了精细过滤与液体回收罐装置，可以对返排液进行更全面收集，而且经过处理后这些水可以循环10次以上。有效减少单井施工用水的50%左右，为致密油气资源的有效开发和应用提供有力的条件。

2 工厂化压裂关键地面装备技术应用策略

工厂化压裂关键地面装备技术在压裂施工中的应用，需要针对传统的设备模式，进一步进行技术创新，形成一体化的设备形式，保证施工效率。

2.1 进一步优化储供液设备

工厂化压裂关键地面装备技术的应用中，可以尝试对储液系统进行优化，形成过渡性存储的方式，保证施工中可以持续供给，同时不需要设置大体积罐体，达到更好的供应效果。传统液罐方式大部分体积比较大，设有吸入和排出两个不同的端口。设备的单个容积一般为50m3，在运输的过程中，可以采用一罐一车的运输方式，施工中需要30以上个罐体联合工作，难以准确控制储量。改良后的水罐为SHQ210柔性水管，采用折叠骨架、集底座管网以及柔性水囊等结构组成，设备的容积可以达到210m3。同时软囊可以随时更换，采用的材质韧性强，使用寿命一般可以达到8年左右。在安装中，可以采用吊车进行安装，并利用拉杆锁固定，简单、快速。并配置可视化液位计，实现对设备运行情况的远程监控，自动监控运营问题并报警，可以实现自动化管理模式，此外，相对于传统的罐体，可以有效节约占地面积75%左右。

2.2 采用电动混砂设备

工厂化压裂关键地面装备技术的应用中混砂设备也是其中一项重要的设备。通过电驱输砂设备的采用可以实现在输砂过程中的密闭操作，并构建自动化的控制系统。在系统的运行中，包括地面上的砂袋破碎、砂的举升与运输、砂罐存储以及开闸放砂4个阶段。这种电动混砂方式相对传统的砂塔作业，操作的方式更简单，可以实现自动化远程操控，提升输砂的效率。同时，设备中采用密闭式的压裂支撑剂管理手段，可以有效预防雨水等进入污染或者造成施工中的粉尘外泄等。在施工操作中，不需要多个工位人员的操作和管理，减少吊装作业内容，消除高空作业安全隐患。此外，机械设计是模块化形式，将出砂装置设置在装置底部，并与混砂组合应用，利用电动装置进行控制，提升支撑剂的切换效果，每分钟的加砂量可达到2m3的左右。

2.3 高压泵注直连技术

从我国当前的工厂化压裂技术施工情况来看，高压管汇接井口可以采用6根同径高压管。压裂施工中，如果停泵或者加砂比增大的情况下，如果仍然采用小通径的管线运行容易造成堵塞的问题，而且采用的管线数量多，也会造成多个节点。管线的节点位置相对非节点位置，更容易损坏。因此，当前的技术改进中已经形成一体化的大同径万向直通管汇的方式，一般内通径可以达到130mm，能够满足压裂施工的排放需求。同时，降低压裂施工管线间的摩擦，缩短管件连接流程，提升压裂的施工效率。大通经管汇一般利用万向法兰组合连接，将各模块拼接到一起，缩短安装施工时间。水力压裂处理中的设备包括远程监控管理技术、搅拌机、高压泵等设备以及阀门、软管等结构。压裂施工主要是通过压裂液体实现压力的传导。高压会影响储层的结构，在结构层中形成裂纹，提升渗透效果。水力压裂施工中，高压泵是最核心的设备，直接影响压裂效果，压裂泵的工作原理为，通过搅拌机将低压流体抽出，吸入后通过压力泵的加压，将流体从压裂钻孔喷出，进入到施工位置。

2.4 压裂装备技术发展方向

工厂化压裂关键地面装备技术应用中需要向一体化发展方向转化，通过标准机型的设计提升装备的整体质量，降低人工操作的工作量，同时，激励更多设计人员加入产品的设计和研发中。标准机型设计一般可以结合国内外的设备优势，提取先进点，加强技术总结和汇总。并从控制系统方面，提升技术水平。科学技术的不断发展下，当前发达国家在压裂设备关键地面装备技术的控制中，基本上实现了系统化和数字化的控制模式。同时，对作业提出了较高的标准，传统的手动和半自动管理模式已经无法满足当前的需求。我国压裂设备关键地面装备技术也需要向数字化的方向发展，形成可视化的操作模式。压裂装置控制技术可以将关键地面装备技术的机械管理控制与作业系统融合在一起，实现项目开展的合作。控制技术是压裂装置以及整体施工的关键性衡量标准。因此，我国在工厂化压裂关键地面装备技术的应用中，也需要制定科学的发展计划，保证压裂装备技术的有效应用，提升施工水平。

3 结语

综上所述，我国工厂化压裂关键地面装备技术是当前压裂技术应用中的重要组成部分。从当前的技术应用情况来看，相对最传统的技术，各方面都有所进步，可以提升施工的运行速度，减小施工设备的占地面积，提升运行效果。但是，相对西方发达国家的设备技术应用情况来看，其中仍然存在诸多的问题，影响最终施工效率。因此，还需要结合当前国际上的领先技术水平，数字化发展模式等，进一步探究更科学的技术方式。在节约成本的情况下，保证设备运行的安全性。