2010年中国非常规天然气勘探开发技术研讨会在西安召开
张喆平
[摘 要]为了提高非常规天然气勘探开发的工作效率及质量，从而加快压裂设备研制进度，进而为我国天然气企业积累更多技术经验，便有必要在综述天然气概念的基础上，分析非常规天然气勘探开发的特点，以压裂设备为切入点，就提出具体研制要点进行深入探究。然而，从现阶段我国非常规天然气压裂设备研制水平来看，仍停留于粗放型阶段，尚存在较多问题亟待解决。
[关键词]非常规天然气；勘探开发；压裂装备
中图分类号：TE934.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）31-0030-01
近年来，随着我国经济不断发展，城市规模不断扩大，天然气企业数量不断增多，非常规天然气勘探开发水平已取得一定进步与发展。同时，为了顺应时代发展潮流，满足日益增长的天然气使用需求，非常规天然气勘探开发的工作重心逐步向研制压裂设备转变。其中，天然气，从广义概念的角度来看，指自然界天然存在气体的总称，例如：生物生成气、煤层其、泥火山气、气天气、油田气等；从狭义概念的角度来看，指蕴藏底层中非烃类及烃类气体的天然混合物[1]。天然气普遍蕴藏于地下多孔隙岩层内，少量蕴藏于煤层内，主要用于化工原料及燃料。鉴于此，本文针对非常规天然气勘探开发中研制压裂设备的研究具有重要意义。
1.非常规天然气勘探开发的特点
1.1 煤层气压裂特点
作为现阶段煤储层改造应用最为广泛的措施，压裂由常规油气储层压裂技术向煤层气增产改造技术不断发展，现已应用至我国煤层气勘探开发领域。由此可见，我国煤层气压裂勘探开发的特点较为复杂，例如：功率储备系数不足、压裂装备简化及发展方向不明朗等。一般说来，我国煤层气埋藏深度不超过300米，并且与油田相比，井场条件及道路状况较差，同一区块井位分布较为密集，可持续压裂作业时间超过24小时[2]。然而，从现阶段我国非常规天然气压裂设备研制水平来看，普遍使用常规压裂设备进行勘探开发，单机排量小且功率储备系数过低，并且受井场位置的限制，设备数量越少越好，造成勘探开发作业安全系數不足。
同时，煤层气水力压裂普遍排量较大，探勘开发作业排量不低于每分钟6至8立方米，但是受清水加砂及流速上升的影响，即便使用最大规格的3in高压管汇系统也无法取得满意效果，客观上加剧高压管汇、混砂管汇及砂泵的磨损冲刷，提高与其相关零部件更换频率。由此可见，如何做好高压管汇系统的日常保养维护工作，是技术人员在实际工作过程中所面临的主要问题，并且受压裂工艺操作简单的影响，技术人员尽可能简化添加剂系统及输砂系统配置[3]。此外，伴随现阶段我国水平钻井技术的不断发展，页岩气勘探开发技术逐步向煤层气勘探开发技术延伸，尤其是多阶段连续压裂技术及大排量是煤层气勘探开发技术的主要发展趋势。
1.2 页岩气压裂特点
与常规油气勘探开发技术相比，页岩气勘探开发技术的要求更为严格，与页岩气成藏特点存在着密切联系。作为页岩气勘探开发技术的主要组成部分，分段压裂技术及水平井同步压裂技术应用较为广泛，尤其是水平井同步压裂技术，北美地区新井使用率呈逐年递增趋势，扩大水平部分长度，客观上促使无气流或低产的页岩气井实现获取经济价值及工业价值[4]。同时，相较于传统垂直井，页岩气井需要8至20台压裂车同时勘探作业，并且伴随着单阶段长度递增，单井压裂阶段呈上升趋势。有研究资料表明，自2010年以来我国已经开始试验第30阶段或超过30阶段的压裂，客观上增加与之对应的单井压裂所需时间。
一般说来，页岩气压裂勘探开发的特点较为复杂，例如：勘探开发规模大、勘探开发排量大及安全要求严格等。应用水平井同步压裂技术能于2口或超过2口相邻水平井同步开展水力压裂，尤其是北美地区页岩气井，深度不低于1100米且勘探开发压力低于70千帕，勘探开发效果更为良好。同时，水平井多阶段分段连续压力技术的单阶段连续作业时间不低于4小时，结合突发事件、易损件更换、发动机使用工况等风险因素，要求压裂设备储备体系不低于1.4倍，否则无法满足勘探开发要求[5]。
总而言之，我国多数非常规天然气勘探开发压裂总液量超过万方级，其加砂量超过千方级，并且伴随勘探开发技术的不断发展，开发深度不断增加，以我国四川盆地页岩气为例，其深度已超过3000米。由此可见，高压力且大功率的大型压裂装备成为研制主流方向。
2.非常规天然气压裂设备研制的要点
2.1 配置方案
一般说来，与常规油气勘探开发技术相比，煤层气勘探开发压裂技术较为简单且工作压力小，煤层气压裂设备选择2000型煤层气压裂机组，以保证设备经济适用性为前提，尽可能简化设备配置。因此在实际研制的过程中，技术人员主动转变传统工作理念，坚持实事求是的工作原则，缩小压裂车载设备整体尺寸以达到增强其机动性能的目标，满足不同井场条件及煤田道路的要求，以煤层井场分布密集程度为立足点，促使压裂装备集成为多模块橇状结构，并且使用转运车或配置快速装卸装置，完成液罐及压裂装备等辅助装置的井场布置工作。
同时，车载结构的压裂装备采取台上及底盘同时取力的方法，以底盘发动机为基础带动辅助系统运行，提高压裂泵输出功率，进一步减少后期维护成本及设备购置价格。此外，以满足大排量输出要求为前提适当增加压裂泵柱塞直径，利用活性水携砂工艺研制泵阀密封件，不断优化混砂车管理系统，避免流体对管路冲刷受损，并且结合煤层气压裂工艺，合理配置添加剂系统及螺旋输砂系统，以达到简化整体结构的目标，尽可能选择双管路4in高压管汇系统减缓液体流速，预防清水携砂冲刷管汇受损。
2.2 核心技术
受非常规天然气勘探开发工作特殊性的影响，研制压裂装备的核心技术较为复杂，例如：柱塞泵技术、动力配置及整机集成技术、输砂混配技术、多机组集群控制技术、高压管汇及辅助装置配套技术等。其中，柱塞泵技术能合理选择柱塞泵参数及优化设计装备结构，采取小连杆比设计能缩短注射泵长度，而采取外置式行星齿轮结构能以减少柱塞泵宽度尺寸为前提确保柱塞泵使用性能符合设计要求，柱塞泵重量更轻且体积更小而实现压裂泵大功率车载要求。动力配置及整机集成技术能切实解决压裂作业情况下传动链动力特性匹配问题，尤其是长时间、大负荷压裂作业情况下动力储备及系统多点振动抑制问题，确保压裂泵装置大功率输出的稳定性，以达到冷却系统、优化整机配置及零部件布置的目标，进一步增强3000型车债市压裂泵车性能，并且有助于进行底盘改制技术研究工作，满足不同井场及道路条件的要求。
3.结语
通过本文探究，认识到在社会经济稳健发展的大背景下，城市规模不断扩大，天然气企业数量不断增多，非常规天然气勘探开发水平逐步成熟，社会对于非常规天然气勘探开发提出全新的要求及标准。如何研制压裂设备做好非常规天然气勘探开发工作，是技术人员在实际工作过程中所面临的主要问题。因此，综述天然气的概念，分析非常规天然气勘探开发的特点，以压裂设备为切入点，提出具体研制要点具备显著价值作用。
参考文献
[1] 王佟，王庆伟，傅雪海.煤系非常规天然气的系统研究及其意义[J].煤田地质与勘探，2014，01：24-27.
[2] 傅雪海，德勒恰提·加娜塔依，朱炎铭，申建，李刚.煤系非常规天然气资源特征及分隔合采技术[J].地学前缘，2016，03：36-40.
[3] 李杏茹，梁凯.我国非常规天然气勘探开发中存在的问题与政策建议[J].中国矿业，2013，S1：79-81.
[4] 李杏茹，刘亚改，于常亮.我国非常规天然气勘探开发形势分析[J].中国国土资源经济，2015，08：64-67.
[5] 汪洋.新常态下中国天然气勘探开发战略思考[J].中国石油石化，2016，S2：127.endprint
