冬季油田壓裂供水技術(shù)的研究及應(yīng)用

許雪松 孫斌 寧旭輝 楊曉慧 許雪強(qiáng)

【摘? 要】石油是現(xiàn)代工業(yè)的“血液”，是國(guó)家生存和發(fā)展不可或缺的戰(zhàn)略資源，對(duì)保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展以及國(guó)防安全有著不可估量的作用。油田鉆井開發(fā)工程中的體積壓裂技術(shù)在低滲透油田的開發(fā)中有著顯著的增產(chǎn)效果，壓裂供水是壓裂作業(yè)的重要組成部分。我國(guó)西北地區(qū)冬季氣候寒冷，為保障壓裂作業(yè)在冬季正常開展，冬季的壓裂供水研究和應(yīng)用，對(duì)油田鉆井開發(fā)具有重要的意義。

【Abstract】Petroleum is the "blood" of modern industry and an indispensable strategic resource for the survival and development of a country. It plays an inestimable role in ensuring the country's economic and social development and national defense security. The volume fracturing technology in the oilfield drilling and development project has a significant increase in production in the development of low permeability oilfields， and the fracturing water supply is an important part of the fracturing operation. Northwest China has a cold winter climate， in order to ensure the normal development of fracturing operations in winter， the research and application of fracturing water supply in winter is of great significance to the oilfield drilling and development.

【關(guān)鍵詞】冬季;壓裂;供水

【Keywords】winter; fracturing; water supply

【中圖分類號(hào)】TE45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）01-0188-02

1 引言

“千方砂，萬方液”是描述油田單井壓裂所需石英砂和壓裂液的用量。目前，一口水平井壓裂用水量在2萬立方米左右，最大峰值用水量達(dá)到10～14m3/min，一級(jí)壓裂用水量約1500m3，每天完成3～4級(jí)壓裂每天用水量約6000m3。為保障壓裂作業(yè)的連續(xù)性，必須有一套安全可靠的供水系統(tǒng)。

在西北地區(qū)水源比較匱乏，水資源調(diào)配的距離在幾公里到幾十公里不等，進(jìn)入冬季環(huán)境溫度達(dá)到冰凍臨界狀態(tài)后，供水系統(tǒng)常常會(huì)發(fā)生設(shè)備“凍堵”，管道“縮徑”“冰屑擁堵”的現(xiàn)象，克拉瑪依市禹榮有限責(zé)任公司在多年的油田壓裂供水工作中不斷地總結(jié)、改進(jìn)和完善壓裂供水系統(tǒng)，現(xiàn)已形成一套完整的壓裂供水體系。為保證供水系統(tǒng)在冬季能夠正常運(yùn)行，我們也做了大量的研究和探索，通過的理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套冬季壓裂供水保障體系[1]。

冬季壓裂供水保障體系是采用保溫、蓄熱相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)加溫和散熱平衡，保障供水系統(tǒng)在0℃以上運(yùn)行。壓裂供水系統(tǒng)是由集水系統(tǒng)和輸配水系統(tǒng)兩個(gè)部分組成，主要設(shè)施包括：泵站、移動(dòng)蓄水池、臨時(shí)輸水管道等。

冬季壓裂供水的重點(diǎn)是移動(dòng)蓄水池和地面臨時(shí)輸水管道。加熱保溫的主要部位包括：移動(dòng)蓄水池和長(zhǎng)距離地面臨時(shí)輸水管道加熱保溫。泵站部分可采取暖棚保溫電油暖加熱的方式，充分利用發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中釋放的熱能，可以保障泵站設(shè)備的正常運(yùn)行。冬季壓裂需要的供水溫度在0℃以上保證輸水系統(tǒng)不結(jié)冰，能夠正常配液即可。影響冬季供水系統(tǒng)運(yùn)行的主要因素就是環(huán)境溫度，環(huán)境溫度越低供水系統(tǒng)散失的熱能就越多，保障系統(tǒng)運(yùn)行所需補(bǔ)充的熱能就越多。通過采取保溫措施減少系統(tǒng)熱量的散失，同時(shí)，設(shè)置加熱站為系統(tǒng)補(bǔ)充熱能，補(bǔ)充的能量和散失的熱能達(dá)到平衡狀態(tài)，即可保證壓裂供水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也實(shí)現(xiàn)最低的能源消耗[2]。

2 移動(dòng)蓄水池保溫和加熱措施

支架蓄水池為露天敞開式水池，原水不斷匯入蓄水池，壓裂用水從水池底部抽取。蓄水池面積較大，采取全封閉式不易實(shí)施，在蓄水池四周采用的鋼管架外側(cè)覆蓋毛氈進(jìn)行保溫，采用熱水鍋爐及管道系統(tǒng)對(duì)池內(nèi)水體直接進(jìn)行加熱。蓄水池的熱量損失主要包括：水表面蒸發(fā)損失的熱量;蓄水池池壁和池底傳導(dǎo)損失的熱量;補(bǔ)充新水加熱所需要的熱量。初步設(shè)定蓄水池水溫為1℃，冬季室外環(huán)境溫度-30℃，計(jì)算出蓄水池維持冬季運(yùn)行所需要的熱量。

①蓄水池水表面蒸發(fā)損失的熱量Qs：

②蓄水池池底、池壁、管道和設(shè)備等傳導(dǎo)所損失的熱量：應(yīng)按蓄水池水表面蒸發(fā)損失熱量的20%計(jì)算確定。

QY=20%Qz

③補(bǔ)充新水加熱所需要的熱量鮮水加熱所需要的熱量Qb：

④蓄水池維持恒溫需要的總熱量Q總：Q總=Qs+Qy+Qb

根據(jù)計(jì)算得出蓄水池維持恒溫需要的總熱量Q總，配置相應(yīng)功率的鍋爐和板式換熱器，連接循環(huán)泵及供熱管道系統(tǒng)對(duì)蓄水池進(jìn)行加熱。對(duì)蓄水池的加熱方式，是在蓄水池底部設(shè)置加熱盤管，通過循環(huán)熱水直接對(duì)蓄水池內(nèi)的水進(jìn)行加熱，能夠保障冬季嚴(yán)寒條件下蓄水池能夠正常運(yùn)行[3]。

3 輸水管道的防凍措施

壓裂供水系統(tǒng)中的輸水管道包括水源至蓄水池部分的集水管道，蓄水池至壓裂作業(yè)面的輸配水管道，均為地面敷設(shè)的臨時(shí)管道，長(zhǎng)度從幾百米到幾公里不等，輸水管道采用多為PE管或聚氨酯軟管，管徑從DN100～DN350不等。

當(dāng)冬季平均環(huán)境溫度在0～-5℃時(shí)，保持管道的水持續(xù)流動(dòng)，可以防止管道發(fā)生“縮徑”或結(jié)冰的現(xiàn)象。供水系統(tǒng)可采取雙線布設(shè)，在壓裂作業(yè)面停止的情況下，采取“雙線內(nèi)循環(huán)”的方式維持系統(tǒng)內(nèi)水的流動(dòng)，可以起到很好的防凍效果。

當(dāng)冬季平均環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)，管道內(nèi)壁結(jié)冰并且逐漸增厚形成“縮徑”，在系統(tǒng)啟停過程中就會(huì)發(fā)生冰屑擁堵的現(xiàn)象。在平均環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)就必須對(duì)管道采取保溫和加熱的措施。

管道保溫采用5cm厚巖棉管保溫，巖棉管外粘貼錫箔紙，封口處采用自粘膠封閉。管道沿地面敷設(shè)，為防止雪水浸濕巖棉，在巖棉管外側(cè)包裹一層防滲膜，封口部位的搭接寬度大于200mm，搭接部位置于管道下方，50cm一道采用鐵絲綁扎牢固防止松脫。

輸水管道的熱量損失計(jì)算：

根據(jù)計(jì)算得出管道沿線的熱量Qg值，配置相應(yīng)功率的鍋爐和板式換熱器，通過“過水熱”的方式對(duì)進(jìn)入供水系統(tǒng)內(nèi)的水進(jìn)行加熱。鍋爐采用智能化溫度控制系統(tǒng)，通過檢測(cè)管道的水溫調(diào)節(jié)鍋爐燃燒器供油量，讓鍋爐為系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的熱能，并實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的能耗。

鉆井壓裂在夏季作業(yè)時(shí)間一般在10天左右，冬季壓裂作業(yè)時(shí)間在15天左右，整個(gè)加熱站應(yīng)易于拆裝、便于調(diào)運(yùn)。加熱站需配置一臺(tái)100kWA發(fā)電機(jī)為鍋爐運(yùn)行提供電源，配置一個(gè)8方油罐為鍋爐提供燃油。本系統(tǒng)所用的鍋爐及換熱裝置采用集裝箱模塊化設(shè)計(jì)。集裝箱內(nèi)配置常壓熱水鍋爐、板式換熱器、內(nèi)置油管、內(nèi)置水箱、配電箱、循環(huán)泵、進(jìn)出水工藝管道及附件。鍋爐的智能化溫度控制系統(tǒng)，可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的進(jìn)出口的溫度調(diào)節(jié)燃燒器的狀態(tài)，自動(dòng)供油裝置和自動(dòng)補(bǔ)水裝置，可以保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，也達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

2020年11月20日在新疆油田瑪湖1井區(qū)進(jìn)行了冬季壓裂供水試點(diǎn)，當(dāng)?shù)匾归g最低溫度達(dá)到-10℃。萬方水池為水源，萬方蓄水池水面已結(jié)冰，泵站進(jìn)水溫度已接近0℃，在加熱站未啟動(dòng)前，供水系統(tǒng)采用循環(huán)輸水措施防凍，此時(shí)，管道已開始結(jié)冰，部分外露閥體和管件已發(fā)生“凍堵”。壓裂供水系統(tǒng)日供水流量3000m3，在萬方池起點(diǎn)泵站位置設(shè)置第一加熱站，配置1臺(tái)5t燃油鍋爐，為管道內(nèi)的水進(jìn)行加熱。啟動(dòng)第一加熱站，通過第一加熱站加熱后的水溫已達(dá)到5℃。從水池至壓裂井場(chǎng)距離2.7km，管道末端高架蓄水池入口處的水溫保持1～2℃。第二加熱站設(shè)置在水池附近，加熱站配置1臺(tái)2t燃油鍋爐，在高架蓄水池底部外側(cè)纏繞熱水循環(huán)盤管為高架蓄水池提供熱能，高架蓄水池外側(cè)覆蓋棉氈保溫，高架蓄水池水面和池壁體未發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。

2020年12月2日瑪湖1井區(qū)冬季壓裂實(shí)驗(yàn)點(diǎn)壓裂工作全部完成，立即完成供水量60000m3，系統(tǒng)日平均供水量達(dá)到5000m3。當(dāng)?shù)厥彝庾畹蜏囟纫呀?jīng)達(dá)到-15℃，期間兩個(gè)加熱站持續(xù)為壓裂供水系統(tǒng)提供熱源，系統(tǒng)管道和蓄水池均未發(fā)生“凍堵”狀況，壓裂工作順利完成，為冬季油田壓裂提供連續(xù)穩(wěn)定的源保障，為油田壓裂冬季施工提供成功案例。

【參考文獻(xiàn)】

【1】馬英偉.石油開發(fā)中體積壓裂技術(shù)的應(yīng)用[J].石化技術(shù)，2018（8）：107-108.

【2】李強(qiáng)，楊明華，萬傳華，等.頁(yè)巖氣井區(qū)壓裂集中供水方案的研究與設(shè)計(jì)[J].油氣田地面工程，2019，38（02）：59-65.

【3】佚名.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施[J].建設(shè)科技，2015（10）：39-41.