页岩气水力压裂地面工程关键技术

页岩气水力压裂地面工程关键技术摘要随着化石能源价格上涨和油气开发技术的不断进步，页岩气已成为非常规油气资源领域中的重要组成部分。目前美国和加拿大是页岩气规模开发的两个主要国家，1821年，第一口页岩气井随着化石能源价格上涨和油气开发技术的不断进步，页岩气已成为非常规油气资源领域中的重要组成部分。目前美国和加拿大是页岩气规模开发的两个主要国家，1821年，第一口页岩气井钻于美国东部，至今已经有180多年历史。进入21世纪以来，以美国为代表的西万国家在页岩气开发领域走在世界前列，其成熟的水平井与水力压裂技术得以将页岩气商业化。美国页岩气资源量超过28万亿立方米，2010年美国页岩气产量达到1380亿立万米，超过我国天然气产量。页岩气藏在美国的成功开发依赖于水平井与水力压裂技术的应用。页岩气藏因其储层物性差、孔隙度和渗透率极低，需要应用水力压裂技术才能经济开采。2003年，随着水平井成为页岩气开发的主要完钻井万式，水力压裂开始成为页岩气水平井主要增产措施。水力压裂是利用含有减阻剂、黏土稳定剂和必要的表面活性剂的水作为压裂液，这项技术可以在不减产的前提下节约30的开发成本，在低渗透油气藏储层改造中取得很好的效果。页岩气开发的地面工程围绕着水力压裂和气体储运而开展，其中水力压裂注入系统及压裂液的应用决定了页岩气开发的经济效益，是一项非常重要的开发环节。水是页岩气开发压裂液中的必要组成部分，压裂过程中需要消耗大量的水量，随着人类对环保的日益重视，将返出液处理净化后可以进行循环利用已成为一种共识。这方面避免了污染排放，另一方提高了页岩气的开发效益目前返出液的净化和利用已成为页岩气经济开发的一项关键技术。一、页岩气水力压裂地面工程关键技术与装备由于页岩气藏岩性特别致密，对作业井的压裂特征参数不清楚，试验潜在风险高、难度大，加上页岩气藏压裂作业井规模大、排量高，需要动用的设备也多，在工艺设计、地面配套等方面需要进行针对性的分析。与常规油气的水力压裂相比，页岩气藏压裂作业属于高排量10MMIN、超大规模2000M，因此对于注入设备选型提出很高要求。根据CHESAPEAKE经验，水力压裂一口水平井，平均需要3785M的水量。作业者通常在中等深度一般在500010000英尺，约15243048M的高压页岩中泵入低粘度水基减阻流体和支撑剂进行增产处理。高压条件下泵入的液体在页岩中产生裂缝。这些裂缝可以从井筒向外在页岩中延伸上千英尺，从而达到驱气的效果。通过水力压裂，水和沙子的混合物在高压下被注入到页岩气井，并在岩石中形成细小的裂纹，并将页岩气带至地表。图1水力压裂开发示意图图2美国BARNELL页岩大型水力压裂作业现场图1为水力压裂开发示意图，图2为美国BARNETT页岩大型水力压裂作业现场。在压裂措施中，将100多个装满水的罐运往井场并放置在井场周围。泵送装置、管汇和监测设备等则被放置在井场中心周围。压裂设备和工具是完成压裂施工的重要部件。随着压裂工艺的不断发展，对设备工具的要求也越来越高。为此，国内外制造了许多专门的水力压裂设备及工具。压裂用的动力机械设备很多，仅专用特殊施工车辆就达数十辆之多。这些设备能造成高压条件，泵送高压液体，快速均匀搅拌混砂液体。根据它们在压裂施工中的不同功能，其关键装备主要有压裂车、混砂车、平衡车、仪表车等。1、压裂泵车压裂车是压裂的主要设备，它的作用是向井内注入高压的压裂液，将地层压开，并把支撑剂挤入裂缝。压裂车主要由运载，动力、传动、泵体、操作面板等五大件组成。压裂泵是压裂车的工作主机。绝大多数压裂车装备的压裂泵为卧式三缸单作用柱塞泵。现场施工时对压裂泵的技术性能要求很高，必须具有压力高、功率大、耐腐蚀、抗磨等特点，并要求性能稳定、工作可靠。目前我国从美国SS、BJ，DAWELL、DAGA等公司引进了压裂车。如四川的SS1000型、SS1200型，中原的FT1800XCH型、BL1600型，华北的道威尔B516均具有重量轻、压力高、功率大的特点。其中河南油田引进的H02000机型，额定压力1034MPA，最大排量248M/MIN，在周口勘探地区获得了成功应用。图3美国EAGLEFORD项目压裂泵图3为美国EAGLEFORD项目现场的压裂泵车。其图4美国EAGLEFORD项目混砂车发动机额定功率为3000马力，实际工作为2700马力，最大压力达到138MPA，最大流量可达35M/MIN。在EAGLEFORD项目中发挥了极其关键的作用。2、混砂车混砂车的作用是根据施工设计要求，将压裂液和支撑剂按一定比例混合后供锆压裂车泵入井。所有压裂车均由混砂车供给压裂液，所以要求混砂车性能好、工作可靠、机械化程度高。输砂量一般在3050T/H，排量选3M/MIN左右。图4美国EAGFEFORD项目混砂车图4为美国EAGFEFORD项目混砂车，主要由供液系统、输砂系统及传动系统三部分组成，一般用运载汽车的发动机做动力。供液系统包括供液泵、混砂装置、砂泵等。供液泵将贮液罐的压裂液泵送到混砂罐内，支撑剂和压裂液在混砂罐内进行混合，砂泵再把混合液泵送到压裂车的上水管线。供液泵和砂泵出口管线上装有流量计和自动控制阀，以便测流量和控制排量。输砂系统装有螺旋输砂器或风动输砂器，将砂子从地面或某一高度，输送到混砂罐内。输砂时要求满足砂量、上砂均匀、砂量可调。传动系统有机械传动和液压传动两种。3、平衡车分层压裂施工中，压裂管柱最上部封隔器的上、下压力不一样，且相差很大。在这样的工作条件下，封隔器强度要受影响。如果封隔器受到破坏，压裂管柱中的高压液体就会通过套管环形空间向上窜。封隔器上部的套管压力突增，可能导致套管断裂或其它恶性事故。另一方面，当封隔器上、下压差过大时，可能使压裂层段的高压液体通过夹层上窜，破坏夹层。为了保护封隔器，平衡车从油套管环形空间注入一定压力的液体，平衡封隔器的部分压差，改善封隔器的工作条件。另外，当施工中出现砂堵、砂卡等事故时，平衡车可立即进行反洗或反压井，排除故障。4、仪表车仪表车是在压裂施工时供现场工程技术人员准确、及时的掌握各种施工参数，帮助了解和判断井下施工情况，正确指导施工的特种车辆。仪表车上装有计量压裂参数的各种仪表，如计量压力、液量、排量、砂量、混砂比等的仪表装置。此外还装有扩大器、送活器等通讯联络装置。5、管汇车管汇是压裂时高压液流汇集通过的总机关，由高压三通、四通、单流阀、控制阀等部件组成。因为是组装在汽车上的，所以称管汇车。要求管汇耐高压、机械强度高、适应性好。二、水力压裂返出液地面处理及再利用技术一个典型的页岩气水平钻井在钻探和水力压裂过程中需要使用400015000M水，其中7090的水在过程中消耗。而返出液经过水处理设施后进行净化，处理后的水可重复用于水力压裂，处理后的淤泥可通过无害化处理埋存至地下。通过水资源的重复获取利用，可以降低25的水资源成本。对从地层返回的污水，采用何种处理工艺，常规的污水处理流程是否满足，对处理合格后的污水如何处理，是我们面临的关键难题。表1压裂返出液再利用水质量要求图5页岩气水力压裂地面工艺流程压裂返出液的处理，需要一套较复杂的工艺措施。压裂液中水含量约90，砂含量约9，化学添加剂约1。用于高压液中的化学添加剂有250余种，常用的有减阻剂、杀菌剂、除氧剂、碳化物稳定剂、稀醛液等。压裂液在进入地层后，经历了高温高压，与地层水和地层矿物组分充分接触后，返出时物理化学性质和会发生改变，且此变化很难预测。经过水力压裂后，其返出液夹带着溶解的固体颗粒氯、硫酸盐、和钙，金属钙、镁、钡、锶，悬图6FRACPURE顸处理系统浮固体物等。美国URSCORPORATION在开发MARCELLUS页岩气田时，对返排液的水质条件进行了严格的限定。图6FRACPURE预处理系统在净化处理方式上，主要有常规的页岩气返出液处理方法有过滤法、反渗透法、蒸馏法等。相比之下，热蒸馏的方法回收率最高，但能量消耗也较大。其主要特点如表2。表2净化处理过程比较图7BARNET气田的水力压裂由于压裂后返出液成分复杂，其净化回收利用技术仅有西万少数公司掌握。如美国的IWTINTEGRATEDWATERTECHNOLOGIESCORPORA伯公司研发了一套FRACPURE技术，图8返出液处理流程其核心是采取预处理、热蒸馏的万法来进行水质净化。图8返出液处理流程其预处理过程采用化学溶剂消除重金属和溶解在水中的固体颗粒，然后通过过滤去除有机物和总悬浮固体物TSS。一部分返出液经该处理系统后可达到回收利用的水质条件，进入到热蒸馏装置回输至水池进行循环利用而其余高浓度卤水可运输至盐场进行结晶提纯，其最终循环水回收率可达25左右。DEVON公司在BARNETT气田开展了系列的压裂清水的循环利用的应用研究，极大地解决了压裂用水的问题。BARNETT页岩气藏在进行压裂措施改造后很快就会产水，压裂过程中泵入的2030的清水在压后生产的23周内就可以产出。其净化工艺主要采用沉降法，大致流程为返出液进人到絮状凝结罐，与添加进入的凝结剂混合，然后进入到高速澄清器，经分离后过滤器后进行循环利用，每天可处理3000桶返出液。在开展压裂的前30天，流体的平均回收率达到119。中国页岩气资源前景广阔，但要