我國首艘6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船的設(shè)計與應(yīng)用

常雙利

(中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300452)

我國首艘6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船的設(shè)計與應(yīng)用

常雙利

(中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300452)

根據(jù)海上油田增產(chǎn)作業(yè)的實際需求，自行設(shè)計并建造了具備自主知識產(chǎn)權(quán)的我國首艘6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船，在船型總體設(shè)計、增產(chǎn)設(shè)備選型、增產(chǎn)設(shè)備穩(wěn)性計算、增產(chǎn)液艙及供液接口設(shè)計、增產(chǎn)流程控制等方面取得了創(chuàng)新突破，實現(xiàn)了不占用海上平臺面積、不需改造平臺甲板的目標(biāo)，避免了吊裝擺放增產(chǎn)設(shè)備和交叉作業(yè)，提供了較以往更經(jīng)濟快速、質(zhì)量更穩(wěn)定的油田增產(chǎn)服務(wù)模式，極大降低了平臺作業(yè)風(fēng)險。曹妃甸11-1油田現(xiàn)場應(yīng)用表明，該增產(chǎn)船增產(chǎn)設(shè)備可最大限度地提高油藏采收率，能高效開發(fā)邊際油田，提升油田開發(fā)效益，降低作業(yè)綜合費用。

6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船；船型總體設(shè)計；增產(chǎn)設(shè)備選型；增產(chǎn)設(shè)備穩(wěn)性計算；增產(chǎn)液艙及供液接口設(shè)計；增產(chǎn)流程控制；曹妃甸11-1油田

在海洋低滲透油田儲量改造和綜合開發(fā)中，酸化、壓裂作業(yè)是一項技術(shù)成熟、效果明顯的重要增產(chǎn)措施[1]，但在海上平臺作業(yè)時需要大面積承載甲板，以適應(yīng)增產(chǎn)設(shè)備的頻繁吊裝與布局。海洋油田增產(chǎn)船配置專業(yè)的壓裂和酸化設(shè)備，具備海上壓裂和酸化防砂功能，可自航并靠泊定位于海上油田，一次出海能夠完成2口井以上的水力壓裂防砂或1口井的酸化壓裂作業(yè)，可降低海上油井綜合開發(fā)成本，在海洋油田應(yīng)用前景廣闊。但在增產(chǎn)船設(shè)計及專業(yè)設(shè)備配套領(lǐng)域，國外大型油田服務(wù)公司對中國實施了技術(shù)壟斷和嚴(yán)密封鎖，中海油田服務(wù)股份有限公司通過收集、調(diào)研、跟蹤、對比國外不同類型的油田增產(chǎn)船作業(yè)信息，借鑒國際行業(yè)的有限經(jīng)驗[2]并據(jù)實際作業(yè)需求，經(jīng)過綜合論證，自行設(shè)計并建造了我國首艘具備自主知識產(chǎn)權(quán)的6 000 kW油田增產(chǎn)船，船上主機及增產(chǎn)連續(xù)混配等主要設(shè)備均實現(xiàn)了國產(chǎn)化，打破了國外壟斷的技術(shù)壁壘，填補了國內(nèi)空白，現(xiàn)已投入運營應(yīng)用。本文重點闡述國內(nèi)首艘6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船設(shè)計、生產(chǎn)流程及現(xiàn)場應(yīng)用效果。

1 油田增產(chǎn)船設(shè)計

6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船的設(shè)計目標(biāo)是能夠滿足各種不同增產(chǎn)作業(yè)需求，如大型壓裂、防砂、酸化、氮氣等作業(yè)；船艙裝置要有增產(chǎn)設(shè)備、散料、液體添加劑的儲存與輸送設(shè)施[3]；船體要適用于無限航區(qū)，能夠通過壓裂和酸化等措施增加海上油氣井產(chǎn)量。

1.1 船型總體設(shè)計

如圖1所示，該油田增產(chǎn)船設(shè)計有一層連續(xù)主甲板，主甲板上設(shè)置2層艏樓、2層船員居住甲板室及駕駛室，主甲板之下設(shè)置機械甲板和雙層底；船機艙位于船舶首部，推進器艙位于船舶尾部。該油田增產(chǎn)船為全焊接鋼質(zhì)混合骨架式，船前體帶有球鼻首，可增加船體效率；后體水下部分設(shè)計時考慮了給螺旋槳提供較好的來流，上甲板為增產(chǎn)作業(yè)區(qū)。該油田增產(chǎn)船配有4臺主發(fā)電機和2個全回轉(zhuǎn)舵槳，在船首設(shè)有2套隧道式側(cè)推裝置，航行控制為全回轉(zhuǎn)式主電力推進，滿足AUT-0、動力定位DP-2整體所要求的FMEA(故障模式和失效影響分析)[4]。

圖1 6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船體外觀示意圖

增產(chǎn)船設(shè)計主尺度為總長81.15 m、垂線間長70.80 m、型寬18.00 m、型深7.40 m、最大吃水5.8 m，燃油艙560.0 m3、壓裂泵柴油艙36.9 m3、淡水艙360.0 m3、膠液艙710.0 m3、酸液罐200.0 m3，可存儲pH值為1～13范圍內(nèi)的酸堿液體[5]，上甲板區(qū)面積645 m2、負(fù)荷5 t/m2，2臺吊車覆蓋作業(yè)區(qū)域，設(shè)有15 m2恒溫材料房,船體總功率6 000 kW、總噸位3 300 t、最大載重量2 810 t，設(shè)計航速(T=5 m)≥14.0 kn(25.9 km/h)、續(xù)航6 000 nmile(9 654 km)、自持能力30 d，能夠滿足37人的生活及安全配套要求。

1.2 增產(chǎn)設(shè)備選型

增產(chǎn)船增產(chǎn)設(shè)備總體要滿足重心低，選型時參照經(jīng)驗公式計算出壓裂泵總功率12 200馬力，實際配置為：6臺單泵2 000馬力、最大排量1.92 m3/min、壓力100 MPa的FS2250壓裂泵，1臺最大排量9.53 m3/min的混砂橇，1套ES-22ACD的數(shù)據(jù)采集房，4套25 m3砂罐與1套水平輸砂系統(tǒng)，4套50 m3酸液罐，2套12 m3藥劑罐，1套胍膠存儲箱，1套容量60 m3、承壓100 MPa的CONFLEX高壓軟管滾筒(帶液壓快速脫離裝置)，如圖2所示。

圖2 6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船增產(chǎn)設(shè)備三維示意圖

1.3 增產(chǎn)設(shè)備穩(wěn)性計算

增產(chǎn)船各設(shè)備配置足夠強度和剛度的全焊接底座，部分增產(chǎn)設(shè)備采用箱腳方式固定，酸化壓裂設(shè)備按照入級規(guī)范要求進行靜載荷、動載荷和船檢規(guī)定的許用應(yīng)力模型校驗并局部加強。分別從船舶絕對運動和加速度以及船舶相對運動和加速度出發(fā)，按照中國船級社“鋼質(zhì)海船入級規(guī)范”相關(guān)要求[4]進行了穩(wěn)性計算。

增產(chǎn)船壓裂泵組位于船尾及右船舷側(cè)，屬最惡劣的邊緣布置，4個底角固定，以此作為典型工況并依據(jù)壓裂泵組底座工況及布置位置，結(jié)合箱系的橫向、縱向、垂向加速度，分析每一底角處的合力并計算受力大小，結(jié)果表明：每個扭鎖受到的最大垂向拉力為4.581 kN，最大合成剪力為109.61kN；標(biāo)準(zhǔn)集裝箱扭鎖的最小破斷載荷為拉伸力500 kN、剪切力420 kN，安全系數(shù)遠大于中國船級社規(guī)范至少2倍的要求；而壓裂泵組距船舶橫搖和縱搖中心軸最遠，受到的加速度和作用力為最大，因此增產(chǎn)設(shè)備總體固定穩(wěn)性滿足要求。

1.4 增產(chǎn)液艙及供液接口設(shè)計

增產(chǎn)船增產(chǎn)液艙膠液艙容積710 m3，按照原液和混合液隔艙；甲板酸液罐區(qū)域圍堰內(nèi)外涂有耐鹽酸腐蝕涂層，各增產(chǎn)液艙接頭處設(shè)防濺板和耐鹽酸腐蝕材料收集盤，配足呼吸防毒面具和眼睛沖洗裝置[6]，如圖3所示。

圖3 6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船增產(chǎn)液艙示意圖

增產(chǎn)船的液劑分別存儲在上下甲板內(nèi)。增產(chǎn)作業(yè)所需壓裂液為瓜膠液(膠液)，儲存在主甲板膠液艙內(nèi)，有膠液泵3臺(流量150 m3/h，揚程0.3 MPa)；作業(yè)所需酸化液為稀鹽酸，儲存在上甲板液罐中；作業(yè)所需陶粒支撐劑儲存在上甲板罐內(nèi)，與混砂橇之間配置有輸送系統(tǒng)；海水從船上甲板舷邊排出口供給到海水過濾器，過濾器海水接口供給到膠液艙入口；上甲板作業(yè)液罐連接到膠液艙出口，水合罐供給到膠液艙膠液入口[7]。此外，為保證增產(chǎn)作業(yè)的連續(xù)有效，在艙內(nèi)還配置有對外供油泵1臺(流量120 m3/h，揚程1.0 MPa)、專用供油泵1臺(流量10 m3/h，揚程0.3 MPa)、對外供淡水泵1臺(流量100 m3/h，揚程1.0 MPa)以及對外供鉆井/壓載水泵1臺(流量150 m3/h，揚程1.0 MPa)。

1.5 增產(chǎn)流程控制

增產(chǎn)船增產(chǎn)液艙每個膠液泵和海水泵本地均設(shè)有啟?？刂?，上甲板液罐及海水過濾器旁邊也設(shè)有遠程啟停和緊急聯(lián)停，在數(shù)據(jù)采集房集成控制各膠液泵和海水泵啟停和緊急聯(lián)停，其顯示屏顯示各膠液艙和甲板各液罐液位，并具備高低液位報警(涵蓋甲板液罐液位)、火災(zāi)報警、電話通訊等系統(tǒng)。

綜上所述，6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船具有以下特點：

1) 船舶操控安全。增產(chǎn)船采用變頻電機驅(qū)動的全回轉(zhuǎn)定距舵槳裝置，船舶DP-2操縱極為靈活，靠平臺作業(yè)穩(wěn)定性好、動力配置冗余度高，滿足高風(fēng)險作業(yè)性質(zhì)的要求。此外，船與海上生產(chǎn)平臺之間設(shè)有管線快速脫手、設(shè)備緊急關(guān)斷裝置，酸化、壓裂作業(yè)時操縱臺及甲板設(shè)有泵組應(yīng)急停止按扭，一旦管線破裂或接頭泄露即能馬上停止輸送，確保整體環(huán)境安全。

2) 增產(chǎn)經(jīng)濟實用。增產(chǎn)船能覆蓋深水區(qū)域的國內(nèi)外油田作業(yè)海域，增產(chǎn)設(shè)備操控安全且滿足環(huán)保規(guī)范要求，最大限度提高油藏采收率，能高效開發(fā)邊際油田，提升油田開發(fā)效益，作業(yè)綜合費用較低，有效降低桶油成本，因此符合作業(yè)覆蓋面廣闊、經(jīng)濟實用的原則。

3) 綜合多項功能。增產(chǎn)船實現(xiàn)了不占用海上平臺面積、不須改造平臺甲板的目標(biāo)，避免了吊裝擺放增產(chǎn)設(shè)備和交叉作業(yè)，提供了較以往更經(jīng)濟快速、質(zhì)量更穩(wěn)定的油田增產(chǎn)服務(wù)模式，極大降低了平臺作業(yè)風(fēng)險。另外，增產(chǎn)船可自行穿梭于油田群之間，還可以搭載連續(xù)油管、氮氣設(shè)備等，減少了影響正常作業(yè)的時間，降低了綜合增產(chǎn)作業(yè)的費用，使海上增產(chǎn)業(yè)務(wù)得以普遍開展。

2 增產(chǎn)船生產(chǎn)流程

6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船具備船舶定位和抗風(fēng)浪能力，出海一次能夠進行至少2口井的水力壓裂或1口井的酸化壓裂作業(yè)，實現(xiàn)海上大規(guī)模壓裂增產(chǎn)作業(yè)，克服了海上平臺空間狹窄難題，而且增產(chǎn)船作業(yè)時不需停泵，在數(shù)據(jù)采集控制機房可以實時監(jiān)控液體體系和配方施工質(zhì)量。增產(chǎn)船生產(chǎn)流程包括靠泊生產(chǎn)平臺、作業(yè)連接準(zhǔn)備、增產(chǎn)作業(yè)操作等。

2.1 靠泊生產(chǎn)平臺

增產(chǎn)船在靠、離海上生產(chǎn)平臺作業(yè)時，結(jié)合天氣、海況因素采用4臺發(fā)電機組并車工作。船就位滿足風(fēng)6級、海流1.5節(jié)海況，DP推進器連續(xù)定位24 h，船尾水平位移小于5 m，滿足與平臺管線懸掛器的位置相匹配，也可視情況選擇帶纜。作業(yè)期間，船舶搖擺縱向<15°，橫向<22°，滿足專業(yè)設(shè)備運行要求；DP-2動力定位，若一臺首側(cè)推故障，可適當(dāng)調(diào)整船首向，滿足繼續(xù)作業(yè)的能力。

2.2 作業(yè)連接準(zhǔn)備

增產(chǎn)船船尾的高壓軟管滾筒管線掛接到海上平臺舷側(cè)懸掛器，再連通到井口高壓管口，若有配液需求，則可將海上平臺的反供液低壓管線連通到增產(chǎn)船液艙接口。調(diào)試船尾液壓快速脫離裝置解鎖、鎖定，在快速脫離裝置出口處連接旋塞閥，并進行系統(tǒng)試壓(35 MPa)。另外，在增產(chǎn)泵送主管線上安裝機械式安全閥和設(shè)置電子式壓力監(jiān)測傳感器，對關(guān)鍵設(shè)備增加失效應(yīng)急切換模式。

2.3 增產(chǎn)作業(yè)操作

以增產(chǎn)船壓裂作業(yè)為例介紹增產(chǎn)作業(yè)流程，增產(chǎn)作業(yè)流程如圖4所示。

1) 膠液艙過濾海水輸送到上甲板海水緩沖罐，供給到連續(xù)混配主橇，再混合各類藥劑(胍膠粉、堿液、添加劑等)；

2) 混合液輸送到水合罐配比，再輸存到膠液緩沖罐，供給到混砂橇后與固相攪混；

3) 由甲板吊機吊送增產(chǎn)交聯(lián)劑和陶粒支撐劑添加到混砂橇，配混后的增產(chǎn)液輸送到壓裂泵入口；

4) 由數(shù)據(jù)采集房集成控制壓裂泵泵送的高壓增產(chǎn)液流經(jīng)船尾高壓軟管滾筒及快速脫離裝置；

5) 高壓增產(chǎn)液跨海輸送到平臺井內(nèi)作業(yè)管串；

6) 返排液到平臺生產(chǎn)流程處理，壓裂增產(chǎn)作業(yè)結(jié)束。

圖4 6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船壓裂增產(chǎn)作業(yè)流程示意圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用

6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船在曹妃甸11-1油田完成了多口完井防砂作業(yè)。該增產(chǎn)船在現(xiàn)場就位連接后，先給井內(nèi)頂部封隔器打壓，穩(wěn)壓10 min座封；再打壓環(huán)空驗封，接著打壓打破破裂盤；最后給鉆桿內(nèi)打壓脫手，循環(huán)測試管線聯(lián)通狀態(tài)，核算液體漏失及循環(huán)摩阻。泵注攜砂液及陶粒到篩管與裸眼的環(huán)空內(nèi)，前置液定時取樣，檢查液體成膠情況，全程監(jiān)控液體性能。泵注過程中定時監(jiān)控取樣攜砂液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按設(shè)計調(diào)整加砂速度。防砂壓裂結(jié)束后，按作業(yè)設(shè)計記錄壓降，將井口套管平衡壓力卸為0，關(guān)閉套管閥門。

CFD11-1A78H1井增產(chǎn)作業(yè)設(shè)計砂量為9 590 kg，施工排量1 m3/min，平均泵壓4.3 MPa，實際充填砂量9 592 kg(泵入10 457 kg，返出864 kg)，施工充填效率100%，取得成功。

現(xiàn)場施工結(jié)束關(guān)井60 min后，利用井口油嘴控制放噴排液，放噴管線接入海上平臺閉排系統(tǒng)，觀察放噴壓力變化。放噴初期用3 mm油嘴排液，根據(jù)壓力變化，逐漸放大油嘴放噴，排完壓裂液(返排率達80%以上)，并準(zhǔn)確計量排出液量[8]。增產(chǎn)船設(shè)施復(fù)原駛離平臺，增產(chǎn)作業(yè)結(jié)束。

通過該項增產(chǎn)措施，初步預(yù)估采收率將提高1.5倍以上。相比較以往占用海上采油平臺的增產(chǎn)施工，增產(chǎn)船整體作業(yè)時效提高近1倍，綜合成本降低近30%左右。

4 結(jié)束語

根據(jù)海洋油田增產(chǎn)作業(yè)的實際需求，縱觀全球油田增產(chǎn)船技術(shù)及規(guī)范進程，深入分析國際油田增產(chǎn)船動態(tài)及配套應(yīng)用，設(shè)計制造了國內(nèi)首艘6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船，并成功實施了海上多口生產(chǎn)井的增產(chǎn)作業(yè)，填補了國內(nèi)空白，提升了我國海洋石油生產(chǎn)大型裝備能力，實現(xiàn)了為海洋油田開發(fā)增產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)高效服務(wù)，同時也為進入國外市場、參與國際競爭奠定了堅實的裝備基礎(chǔ)。

[1] 國家發(fā)展和改革委員會.SY 5289-2008 油、氣、水井壓裂設(shè)計與施工及效果評估方法[S].北京：石油工業(yè)出版社，2008.

[2] 江懷友，李治平，盧穎，等.世界海洋油氣酸化壓裂技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].中外能源，2009,14(11)：45-49.

Jiang Huaiyou, Li Zhiping, Lu Ying, et al.Current situation and outlook of offshore acidizing and fracturing techniques over the world[J].Sino-Global Energy, 2009,14(11)：45-49.

[3] 中國船級社.油井激活劑(增產(chǎn)劑)船指南[S].北京：人民交通出版社，2013.

[4] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2012.

[5] 孫小江.最新特種用途船安全規(guī)則對分艙設(shè)計的影響分析[J].船舶與海洋工程，2014(2)：58-61,78.

[6] SOLAS國際海事組織.國際防止船舶造成污染公約[S].1974.

[7] 采油采氣專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會.SY/T 5107-2005水基壓裂液性能評價方法[S].北京：石油工業(yè)出版社，2005.

[8] 油氣田開發(fā)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會，SY/T 5579.1-2008油藏描述方法 第1部分：總則[S].北京：石油工業(yè)出版社，2008.

(編輯：葉秋敏)

Design and application of China’s first 6 000 kW offshore oilfield stimulation vessel

Chang Shuangli

(ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin300452,China)

According to the practical requirements of offshore stimulation operations, the first 6 000 kW offshore oilfield stimulation vessel with independent IPR was designed and constructed, with innovations in the overall configuration, selection of stimulation equipment, equipment stability calculations, stimulating fluid tank interface, and stimulation process control. The goals of no occupying any space on the offshore platform, as well as no transformation of the platform deck were achieved. Both equipment lifting and cross-operation were avoided, resulting in quicker and steadier oilfield stimulation service mode, and more importantly, significantly reducing operational risks. The application in CFD 11-1 oilfield shows that the stimulation vessel can maximize oil recovery, efficiently develop marginal fields, enhance development efficiency, and reduce overall operation cost.

6 000 kW offshore oilfield stimulation vessel; overall vessel design; stimulation equipment selection; stimulation equipment stability calculation; design of stimulating fluid tank and supply interface; stimulation process control; CFD 11-1 oilfield

常雙利，男，工程師，工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)從事油田生產(chǎn)裝備管理工作。地址：天津市濱海新區(qū)海洋高新區(qū)中海油服產(chǎn)業(yè)園油田生產(chǎn)事業(yè)部辦公室325室(郵編：300450)。E-mail：changshl@cosl.com.cn。

1673-1506(2016)04-0120-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.04.019

U662

A

2015-10-28 改回日期：2015-12-09

常雙利.我國首艘6 000 kW海洋油田增產(chǎn)船的設(shè)計與應(yīng)用[J].中國海上油氣，2016,28(4)：120-124.

Chang Shuangli.Design and application of China’s first 6 000 kW offshore oilfield stimulation vessel[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(4):120-124.