井工厂压裂技术详解

尽管我国页岩气基础资源雄厚，就页岩气的勘探开发而言，中国目前还谈不上规模化、集约化的发展。为实现中国开发页岩气资源大规模开发利用，以下几点是推动页岩气产业快速发展的主要因素：先借鉴国外先进开采经验，进行有效的资源评价，从而确定资源分布区域，再根据不同地质状况选择经济合理开采技术及增产方式；在开发较为成熟的矿区开展页岩气开发先导试验，或与国外公司展开技术合作，积累页岩气优选、评价开采技术和分析经验，建立符合我国页岩气开发并行之有效的配套技术，为规模开发作好充分准备；合理利用成熟的常规天然气开采技术，这是由于页岩气勘探开发与天然气勘探开发有相似之处。天然气一般是以游离气为主，生成于泥岩，储存于砂岩或灰岩之中，而页岩气生成于泥岩之中，其绝大部分是属于吸附气为主。页岩气开采的主体技术与常规天然气开采基本相似。在常规天然气开采技术方面，我国有一系列的配套成熟技术。因此，进行页岩气的水平井钻井技术、压裂改造技术具备一定的基本条件；国家再制定相关的扶持政策，增大相关设备投入并设立专项资金，鼓励倡导有关石油公司及相关科研院所进行页岩气资源的勘探开发，不仅可缓解我国油气供应压力，还可为我国能源资源提供重要补充。

1.基本概念

井工厂作业是指在开发阶段由于对油气分布认识十分清楚，为降低钻完井及井场建设成本，提高作业效率，批量钻丛式井并批次完井压裂的钻完井模式。在井工厂模式下，钻井设计、井身结构基本采用统一批量设计的方法，在设备定制、物料采购方面统一规格，这样既能缩短设备的交付时间、降低不同型号设备采购、运输和管理费用，还能节约因设计变动而增加的费用。相对于传统井作业，井工厂作业有其自身特点：丛式井场设计、定制钻机及压裂设备（滑动钻机、车载钻机、高马力压裂车、柔性水罐、集中供电系统、集中返排液处理等）、交叉作业（钻井、压裂、连续油管）等。北美的油气开发实践证明，采用井工厂作业模式，能大幅度降低油气井的交付周期及钻井成本。

（1）批量化 指成批数量施工和生产作业。批量作业包括批量钻井作业、批量完井作业、多井同时返排作业和压裂生产等。批量化作业首先是技术整合，其次才能实现批量化。石油钻井、压裂等施工作业是高度技术密集型作业。要建立批量化作业，必须将技术高度集成化，做到流水线上人、机有效组合，不论是在线作业还是离线作业，都要充分体现人的能动性和设备的灵活性相互结合，即使是非同步性的作业也要以弹性的方式做到有机组合，使技术要素在各个工序节点上实现不间断的作业。

（2）交叉作业 交叉作业是井工厂作业又一特色，它通过精细化的HSE管理、质量及过程控制得以实现。根据当地条件，通过分析优选井工厂作业交叉作业项目，结合设备、场地及HSE考虑，认为3项交叉作业（钻井＋完井＋生产）具有更好的适应性。其主要特点是：钻井效率更高、钻机搬家次数更少、需定制钻机、更早实现产气、减少生产延迟。

2.井工厂作业的适用范围

从专业角度上看，井工厂作业适用于钻井、压裂、试油、试气、采油和采气；从钻井角度讲，适用于大型、超大型丛式井组，丛式水平井组。井工厂作业便于施工、生产和管理，特别适用于低渗透率、低品位的非常规油气资源的开发作业。

3.技术保证

传统常规钻完井设备无法满足井工厂作业模式的要求，因为大部分作业需线上进行，不能交叉作业且搬家等待时间较长，这些都难以满足批量钻井、离线作业的要求。因此井工厂作业在技术上应满足以下要求。

（1）需定制设备：它需要满足能够快速移动、快速组装功能；

（2）特殊井场：作业场地需满足适合井工厂作业要求的井场；

（3）批量作业性能：具有批量钻井、批量完井、多井批量返排与生产；

（4）离线作业性能：这样能减少传统作业等待时间（如固井作业、立管试压、连接井下工具串、钻杆连接成柱等）；

（5）标准化的井身结构设计，确保使用标准化的钻完井设备及材料。

4.北美页岩气井工厂压裂流程与设备

北美地区页岩气压裂地面流程见图6—30。

图6—30　井工厂压裂流程

1）连续泵注系统

该系统包括压裂泵车、混砂车、仪表车、高低压管汇、各种高压控制阀门、低压软管、井口控制闸门组及控制箱。使用的压裂设备大都是拖车式，其中压裂泵车以2 250 HP为主；混砂车的输出排量有16 m3/min和20 m3/min两种，输砂能力分别为7 200 kg/min和9 560 kg/min；高低压管汇上带增压泵（由独立柴油机带动），以解决混砂车远离泵车时供液压力不足的问题；羊角式井口内径与套管相同，方便下入各种尺寸的工具，液控闸门可使开关井口安全方便；内径102 mm的高压主管线，可显著减少管线的磨损，延长使用寿命，保证压裂的连续性。

2）连续供砂系统(www.xing528.com)

主要由巨型砂罐、大型输砂器、密闭运砂车、除尘器组成（图6—31～图6—34）。

巨型砂罐由拖车拉到现场，它的容量大（单个容积80 m3），特别适用于大型压裂；大型输砂器可实现大规模连续输砂，自动化程度高，具有双输送带和独立发动机，输砂能力为6 750 kg/min；密闭运砂车可单次拉运22.5 t砂，与巨型固定砂罐连接后，利用风能把支撑剂送到固定砂罐中；除尘器与巨型固定砂罐顶部出风口连接，从而把砂罐里带粉尘的空气吸入除尘器进行处理。

3）连续配液系统

由水化车为主，还包括液体添加剂车、液体胍胶罐车、化学剂运输车、酸运输车等辅助设备。水化车是用于将液体胍胶（LGC）或降阻剂及其他各种液体添加剂稀释溶解成压裂液的设备。其体积庞大，自带发动机，吸入排量可为6.5 m3/min以上，可实现连续配液，适用于大型压裂。其他辅助设备把压裂液所需各种化学药剂泵送到水化车的搅拌罐中。

图6—31　巨型砂罐（容积80m3）示意图

图6—32　大型输砂器示意图

图6—33　密闭运砂车示意图

图6—34　除尘器示意图

4）连续供水系统

由水源、供水泵、污水处理机等主要设备，以及输水管线、水分配器、水管线过桥等辅助设备构成。

水源：可将周围河流或湖泊的水直接送到井场的水罐中，或者在井场附近打水井并挖大水池来蓄水。对于多个丛式井组可以利用水池，如压裂后放喷的水直接排入水池并在经过处理后重复利用。供水泵把水送到井场的水罐中，现场使用的水泵进口一般是304.8 mm，出口是254 mm，排量为21 m3/min，扬程110 m，自吸高度8 m。污水处理机用来净化压裂放喷出来的残液水，主要是利用臭氧将其进行处理并沉淀后重复利用。

5）工具下入系统

主要由电缆射孔车、井口密封系统（防喷管、电缆放喷盒等）、吊车、泵车、井下工具串（射孔枪、桥塞等）、水罐等组成。

该系统工作过程是：井下工具串连接并放入井口密封系统中，将放喷管与井口连接好，打开井口闸门，工具串依靠重力进入直井段，启动泵车用KCl水溶液把桥塞等工具串送到井底。

6）后勤保障系统

主要由燃料罐车、润滑油罐车、配件卡车、餐车、野营房车、发电照明系统、卫星传输、生活及工业垃圾回收车等组成。井工厂压裂的作业时间较长，一般在10～40天，后勤保障系统可以为人员和设备连续工作提供良好的支持。