页岩气水平井压裂装备配套与应用技术研究.docx
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页岩气水平井压裂装备配套与应用技术研究
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1
二、主要研究内容及取得成果1
(一)、压裂装备配套方案应用与分析1
1、压裂泵车配置1
2、仪表车3
3、低压系统4
(1)、混砂车4
(2)、连续混配车6
(3)、低压供液系统7
(4)、立式砂罐的研究应用12
4、管汇、压裂专用井口连接器及高压管线13
(二)、井场布置研究与分析17
三、现场应用效果及技术指标、经济效益21
四、结论和认识23
一、项目概况
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/min、加砂量单搅龙最大只能3m3/min等问题,通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2段.每段施工排量10-15m3/min、每段液量1000-3000m3、每段砂量100-200m3,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用,10月,2套2500型15台泵车参与元页HF-1井10段压裂施工。
该井最高施工压力达97MPa,施工瞬间最大排量达到15.5m3/min。
对比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1.02m3/min,抗压仍能达到100MPa,16台压裂车总水马力达到40000HHP。
表12500HHP压裂车档位、压力、排量对照表
档位
压力(MPa)
排量(m3/min)
压力(MPa)
排量(m3/min)
3.75"
4"
1
137
0.486
123
0.553
2
137
0.608
123
0.692
3
137
0.762
123
0.867
4
124
0.901
109
1.025
5
99
1.131
86.9
1.27
6
79
1.41
69.7
1.605
7
64
1.738
56.6
1.977
8
51
2.172
45.27
2.471
表216台2500型(4"柱塞)泵车各种限压下施工排量
限压(MPa)
90
80
70
60
50
档位
4
5
6
6
7
泵效
85-87%
87-90%
90%
93%
93-95%
理论排量(m3/min)
16.3
20.32
25.6
25.6
31.52
实际排量(m3/min)
13.8-14.2
17.6-18.2
23
23.8
29.3-29.9
压裂泵车配置除考虑压裂设计总功率外,还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。
表3压裂泵车功率系数确定原则
泵车连续工作时间(h)
1-2
3-4
5-6
6h以上
压裂车功率储备系数
1.2-1.4
1.4-1.6
1.6-1.8
1.8-2.0
在使用泵车时可以参考SPM压裂泵(QWS2500"CLASSIC")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1QWS2500"CLASSIC"泵工作周期曲线
依据上述原则,对照表1、表2、表3确定选用2500HHPØ101.6mm(4")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20-30%富余量。
2、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/min的混砂车,额定排量16m3/min的混砂车为主力机型,按85%的泵效计算,混砂车施工排量≤13.6m3/min的压裂施工,能够满足10-13m3/min施工需求,同时,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/min甚至更高时,必须2台混砂车同时使用。
元页HF-1井施工时,就是采用2台混砂车同时供液,才保证了瞬间15.5m3/min施工排量需求,焦页1HF井只有1台混砂车,在供液管线较长的情况下,满足12m3/min比较困难,尤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10000kg。
目前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、40-70目、30-50目,密度范围1.45-1.7kg/m3。
表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
34-29
31-26
28-24
26-22
24-21
22-19
21-18
20-17
19-16
混砂车操作问题:
Ø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1HF井施工多次出现加砂瞬间,混合罐液位大幅变化,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1HF井第八段施工曲线
图3焦页1HF井第十四段施工曲线
Ø
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1HF井第十五端施工曲线
图5文203-59施工曲线
建议:
加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。
(2)、连续混配车
目前配套的四机厂CSGT-480压裂液混配车,设计额定排量为8.0m3/min,实际使用配置滑溜水排量最大7m3/min,线性胶为6m3/min。
Ø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。
Ø连续混配车自投产以来,先后施工泌页HF-1井、涪页HF-1井、彭页HF-1井、元页HF-1井、焦页1HF井配液及中原内部多口滑套水平井配液工作,配液量已超过150000m3,在焦页1HF井施工第十四段中期,因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1HF井第八段施工曲线
Ø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/h的离心泵用于储水池向液罐供水,能满足目前施工需求,焦页1HF井出现1台供液泵启动不着,推迟了半小时施工。
Ø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HF-1井、元页HF-1井、焦页1HF井均多次出现管线憋脱的现象。
图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
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。
Ø焦页1HF井因液罐摆成“L”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1HF井第十四段是曲线
图11供液泵连接在汇管上图12改进后的供液泵连接方式
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。
Ø涪页HF-1井浓缩液采用酸泵供液、皇冠2500型混砂车4″流量计计量,并传输到仪表车采集系统。
元页HF-1井采用供液泵接4″流量计再连接混砂车吸入接口,但因元页HF-1井使用工程院滑溜水、线性胶、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134″流量计连接在流程上图144″流量计
问题:
因浓缩液与清水按1:
9的比例,由供液泵(800m3/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0.1—2m3/min的液体,比例泵的排量控制简介、快速;泵送采用4″管线,接入混砂车吸入接口,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。
Ø涪页HF-1井使用贝克的线性胶,其中交联剂XLW-30稠度、粘度比较大,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。
XLW-30交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HF-1井施工准备中未能详细了解到XLW-30交联剂的性能及添加工艺,现场未准备稀释搅拌罐和隔膜泵。
小型压裂施工前,将白油和XLW-30交联剂按1:
1比例加入到0.6m3的方池,通过齿轮泵循环2-3小时,不能均匀混合,后又提高白油稀释比例为2:
1并循环2-3小时,仍不能充分混合。
后购买民用拌灰的搅拌罐,通过更换齿轮调试,并将白油和XLW-30交联剂按1:
1比例加入循环,约1小时,200L白油和200L交联剂XLW-30混合均匀。
采用酸化准备队的隔膜泵直接将稀释后的XLW-30交联剂泵入混砂车混合罐内,从稀释、配制工艺上彻底解决了该问题。
图155m3搅拌池(装XLW-32交联剂)图16搅拌罐(装XLW-30交联剂)
图17隔膜泵(泵送XLW-30交联剂)
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19BJ公司添加剂泵车
(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、定制加工的2具100m3立式砂罐,可以对2种支撑剂进行分装,依靠重力自流,单罐的供砂速度3m3/min。
当需要加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20200m3立式砂罐在元页HF-1井、焦页1HF井施工现场
立式砂罐在涪页HF-1井、彭页HF-1井、元页HF-1井、焦页1HF井4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3m3/min,对于施工排量12m3/min砂比最大只能25%,无法满足施工需求;焦页1HF井设计40-70目砂量较大,100目和30-50目砂量较小,单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5m3/min以上,确保施工排量18m3/min30%砂比,单具砂罐能根据需要选装1-2种粒径砂,砂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。
4、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103MPa,能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。
Ø涪页HF-1井施工现场储备不足,施工中间因高压弯头、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HF-1井超高压、长时间、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HF-1井施工结束后统计:
表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
3
2
2000型泵头
套
3
3
高压弯头
只
6
4
旋塞阀
只
5
5
高压短节
只
3
6
低压管线
根
4
7
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HF-1井和焦页1HF井吸取前面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HF-1井后的经验:
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10-20%。
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80MPa及以上压力使用超过40口或80MPa以下使用超过80口井次的泵头,在非常规压裂井施工前予以更换。
Ø压裂六通:
涪页HF-1井、彭页HF-1井使用普通压裂井口四通进行连接,元页HF-1井、焦页1HF井使用专门加工定制的压裂六通,其通径为180mm,经过2口井使用,目前已通过压裂,33903.6m3,砂量1663.69m3,使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10-12m3/min,后期可能需15-18m3/min;根据3″高压管线允许最大通过流量(2.9-3.2m3/min),目前页岩气井均采用4路高压管线连接至井口,若排量达15-18m3/min,需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HF-1井
图25国外几种压裂专用立式压裂连接器
Ø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HF-1井尝试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1HF井继续验证,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。
图26元页HF-1井、焦页1HF井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1HF井采用专业供水队伍,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1000-1500m3,施工排量在10-12m3/min,支撑剂分3种粒径(单种粒径支撑剂最多90m3/段),一般配备12-15台主压车,2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40m3液罐40具左右,一般采取“L”型或“Ⅱ”型,施工场地60mX50m基本能满足施工要求。
但是也存在液罐具混砂车太远,上水排量受限,排量局限在12m3/min左右,并依靠连续混配车在线补充5-7m3/min排量或低压汇管连接供液泵中途加压,以保证施工排量稳定。
图27元页HF-1井“Ⅱ”型液罐布置图
图28焦页1HF井“L”型液罐布置图
页岩气压裂国外泵注排量:
10—20m3/min,最高为32m3/min,液量:
每段2000m3以上,单井最大达60000m3,支撑剂每段60—180m3,单井900—1800m3。
井场布置多采用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
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2000-2500m3,施工排量15-18m3/min,单段加砂150-200m3,则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60-70具40m3液罐、场地最小80mx90-100m等因素,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HF-1井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HF-1井混砂车连接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)-----不合理的布置方式。
“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)-----------可选的布置方式。
“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)----最佳布置方式,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)---------可选的布置方式。
图29国外页岩气大型压裂现场摆放模式
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HF-1井、元页HF-1井、彭页HF-1井、焦页1HF井页岩气水平井多段分段压裂施工,在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HF-1井)
2、水平井最深/垂深:
4982m/3661.8m(元页HF-1井)
3、压裂段数最多:
15段(焦页1HF井)
4、施工排量最大:
15.5m3/min(元页HF-1井)
5、施工压力最高:
97.4MPa(元页HF-1井)
6、单日施工段数最多:
3段(彭页HF-1井、焦页1HF井)
7、单井施工总液量最多:
19972.3m3(焦页1HF井)
8、单井加砂量最多:
965.82m3(焦页1HF井)
9、施工阶段砂比最高:
32%(元页HF-1井)
10、最大单段加砂量:
113.3m3(焦页1HF井)
11、单段最大液量:
1427m3(焦页1HF井)
12、钻塞时间最短:
9个桥塞36h(元页HF-1井)
13、压后效果最好、产气量最高:
14mm油嘴放喷气产量20.3×104m3/d,4mm油嘴气量10.53×104m3/d,油压25.1MPa。
(焦页1HF井)。
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HF-1井动用了7
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