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11大型压裂施工装备的配套与连接主题词：大型压裂施工、装备配置、工作参数选择、高低压管汇连接工程师王云海22我国大型压裂施工总量和规模上都在扩大。目前还没有大型压裂施工装备配置与连接规范，无法达到经济安全作业要求。本文结合国内外在大型压裂数据及项目研制和试验所取得的成果，从装备配置、施工参数选择及管线连接方面，提出我国大型压裂装备施工配置方案及地面管汇连接要求。摘要3一、国内外大型压裂施工现状“大型压裂施工”主要体现在压裂作业所需要功率大、液量和砂量多、压力高、连续作业时间长、配套装备多等方面。“大型压裂施工”界定标准1、施工总功率：10000hp2、最大施工压力：90MPa3、施工总液量：2000m34、施工排量：8m3/min5、压裂总时间：6h满足上述五个条件中任何两个或多个，即为“大型压裂施工”4国外在页岩油气开发中通过优化作业流程、设备配置和规范系统连接等方法达到提高作业效率和降低施工成本目的。北美主力装备单机功率2000-2250hp，大型施工按照总功率的2倍进行配置，混砂车排量20m3/min。由于辅助装备配套完善，控制系统实现参与施工作业所有装备的集中控制从而实现大型作业的规模化开发。一、国内外大型压裂施工现状5随着国内非常规油气田大面积开发，水平井多段压裂使大型施工得到应用。国内年作业总量达到100井次以上，施工作业的规模也在逐渐增大，连续作业时间达到十小时以上、万方液量、大排量、高压力的井已经成为常态。国内典型大型压裂井的施工情况地区四川页岩气井四川水平井重庆页岩气井河南页岩油井机组工作13m3/min16m3/min12m3/min12m3/min最高工作90MPa69MPa90MPa76MPa总配置功率37500hp24000hp33500hp33970hp工作时间20h30h30h20h施工总液量13900m323600m315700m314500m3一、国内外大型压裂施工现状6国内配置功率、施工液量、连续作业时间、等参数已经具备规模性开发的要求。国产大功率压裂机组已成为施工中主力机型。大型压裂装备的成功应用有效解决了作业效率低和施工成本高的难题。但是在压裂装备的配置和合理应用上还存在诸多的问题，辅助时间长，施工规范不完善，造成规模性开发进程迟缓。一、国内外大型压裂施工现状7从装备的配置、工作参数的选择、配液供砂等方面提出我国大型压裂施工装备配置方案。相同压力下2500型和3000型较2000型压裂车的排量增大25%和50%。选择单车功率更大的压裂车可以减少施工设备数量。装备数量降低减少管汇和设备维保费用，提高作业效率降低成本。1、主体装备的选择与配置二、大型压裂装备配置方案8施工功率hp1000010000-15000015000-2000020000机型选择2000及以下2000型2000型及以上2500型及以上压裂车数量6台或以上8台或以上10台以上13台或以上必须保证足够的压裂车数量，以避免单车故障造成机组整体功率不足。总装备功率按照所需功率的1.5-2倍配置，在大型压裂施工中单车所占功率不能超过所需功率的20%。二、大型压裂装备配置方案9混砂车是为压裂车提供满足工艺要求的压裂液。在大型压裂施工中，国内在用HS16型（100桶）混砂车工作在80-100%的负荷。在实际的施工中最大排量只能达到13m3/min，国产HS20型（130桶）样机已经投入工业应用。二、大型压裂装备配置方案10为保证施工安全，在配置上使用两台混砂车进行并联，单车能力满足排量120%以上。工作中两台混砂车同时工作在50%以下负荷，如一台混砂车出现故障时可以单车完成施工作业。二、大型压裂装备配置方案11混砂车自动控制系统和精确计量是衡量先进性的关键。由于施工段数增多，工艺流程愈加复杂，混砂车自动控制配置成为必备功能。作业过程中，操作员只需部分实施手工操作，其它均采用自动控制来保证密度和添加剂的自动流程。二、大型压裂装备配置方案12仪表车是控制系统中心。大型压裂施工参与压裂车数量通常达到10台以上，常规的手动操作模式在时间上已经无法满足多阶段的精确控制。仪表车实现自动编组控制对于多机组施工非常重要。编组控制是将参与作业的所有压裂车分组（通常分为3-5组），将所需总功率划分成多个区间，各组以不同功率交替作业。二、大型压裂装备配置方案13统一控制模式，同步加减档位，当单车或某组设备出现故障时，其它组自动增加档位，如此交替作业，可以保证多台设备的长时间连续安全运行。工作前将泵注程序录入到泵控单元，进行编组控制，操作员只需要常规的干预既可以完成整个流程。远程数据传输及视频监控已经成为仪表车必备配置，宽大空间及必要生活设施为指挥和操作者提供良好工作环境。二、大型压裂装备配置方案142、工作参数的选择压裂被定义为间隙工况。随着非常规油气开发，压裂工况已经向连续工况过渡，压裂装备平均使用功率已经下降到50%左右。为使装备能够长时间连续工作及易损件的更换，压裂机组的功率储备应根据工作时间的长短逐步增大。连续工作时间2h2-4h4-8h8h功率储备系数1.31.4-1.61.6-1.81.8-2.0二、大型压裂装备配置方案15工作压力和档位限制是选择和使用装备的重要指标。压裂车是根据工作压力来选择泵柱塞直径，不同柱塞对应不同压力等级。高冲次会降低效率、产生冲击并加速磨损，通常希望压裂车以低档位来完成施工，要满足施工排量要求，只有使用更高档位或增加车数量。另一种方案是更换大柱塞直径，增大同档位下排量，但压裂车最高工作压力又相应降低。性能曲线1020304050607080901001100.51.01.52.02.53.03.54.0排量(M3/MIN)压力(MPA)44.55二、大型压裂装备配置方案16结合作业区域情况，根据平均和最高压力来配置压裂泵和选择工作参数。将压力等级分为70MPa、105MPa和137MPa三个级别。所选择的作业区域最高工作压力不能超过所选择的压力等级，该区域平均施工压力不要超过所选择压力等级的60%。否则，应该选择更高压力等级的配置方案。传统压裂模式大型压裂模式二、大型压裂装备配置方案转化173、配液与供砂新型压裂液在大型压裂施工中得到应用，也为大排量压裂液在线混配创造了条件。国内已经能够提供3-8m3/min的“干+液”混配装置，更大排量采用2台或增加过渡罐方式来满足作业要求。在添加剂液态化情况下，可以实现20m3/min的即混即配功能。“液+液”混合的配液方式在国外已经得到广泛应用，所以建议大型压裂施工中应配置连续配液装置。二、大型压裂装备配置方案183、配液与供砂目前国内大型施工中大多采用50-200方砂罐连续供砂，也使用吊车或运砂车进行添加。无法实现多种支撑剂输送及同时为两台混砂车供砂。国外在连续供砂装备方面有完善的装备和配套。配置适合我国井场条件和工艺的连续供砂装置将减少施工准备时间，提高施工作业安全。二、大型压裂装备配置方案19三、地面管汇系统连接地面管汇连接包括高压和低压管汇两部分。其功能是将施工装备及井口进行连接，实现液体和添加剂的输送和泵注。地面管汇系统连接涉及设备布置、流程、介质、流速、安全等多个环节，连接上应该结合井场条件和施工工艺综合考虑。由于我国油田井场受诸多条件限制，无法制定统一的设备布置和连接方案。结合国内外大型施工作业情况，给出一种布置方案和管线连接方案作为参考。20建议压裂车分布在管汇系统的两侧，混砂车、配液及供砂系统布置在左侧或者右侧，配置连续输砂和配液装置可以大幅减少液罐的数量，减少连接管线的数量。三、地面管汇系统连接21规范连接：吸入软管采用4寸管线，标准扣型FIG206，两端分别采用“公扣（M）和母扣（F）”，吸入软管长度采用4米、6米和8米三种规格，可以采用对接加长来满足距离要求。装备压裂车吸入管汇车低压管汇混砂车吸入排出集流管汇液罐及其它扣型FIG206FFIG206MFIG206FFIG206MFIG206F规范扣型减少过渡连接1.低压管汇连接三、地面管汇系统连接22试验证明，单根吸入软管最大流量2m3/min，单根排出软管最大流量5m3/min。考虑粘度、距离及备用接口等因素，软管连接数量应扩大到所需最少数量的1.5-2倍。软管连接应尽量缩短，加长或距离较远情况使用增压泵，管汇车所配置低压管汇组应该满足8台以上压裂车连接需求，建议采用Ⅱ结构，以实现两台或多台管汇组串联。关注连接数量三、地面管汇系统连接23压裂高压管汇主要包括FIG1502和FIG2002两种扣型，适用于105MPa和140MPa两种压力等级。对于施工压力超过90MPa以上的作业建议采用140MPa高压管汇。1.高压管汇连接管汇压力等级三、地面管汇系统连接24建议高压管汇的液体流速小于12.8m/s，尽可能使用大直径管线，降低流速和水力冲击，必要时可以采取双管路甚至多管路模式，最大限度降低压力损失。对于进入井口的高压管汇应根据总排量的要求通过多路管汇连接高压管汇组。高压管汇通径（in）建议流量上限（m3/min）105MPa140MPa21.370.6632.943.544.9/不同直径和压力等级的高压管汇流量限制管汇满足流速限制三、地面管汇系统连接25采用环形结构的高压管汇组可以根据排量的要求分别从2路或多路输出，同时减小单一管汇的压力波动。在管汇组上需设置机械式安全阀并将泄压口接入到低压管汇组。环形管路可以实现多路输出在管路上设置机械式安全阀三、地面管汇系统连接26多路进入井口的高压管线之间采用连通管线可以减少单路设备的停机造成的流量减少，从而分流其它管路的流量，达到各个管路的平衡。同时在各个分支管路上配置单向阀和旋塞阀，避免单条管路故障造成的施工停止。多路入井管线相互连通主通道4寸管线应用三、地面管汇系统连接2727非常规油气开发需要实施大型压裂作业。由于国内还没有形成压裂作业规模性开发的模式，如何配置压裂装备、合理分配压裂车档位以及辅助装置配套连接等都还在实践中总结和优化。希望通过本文所总结的数据和作业要求能够为压裂工程服务提供装备配置与连接方面的技术支持。结束语