淺談油田壓裂船的裝備配置

隨著陸地油氣資源日益枯竭，海洋油氣田開發(fā)成為目前油氣生產領域的重點方向之一，而以壓裂、酸化為主的儲層改造技術將成為未來海洋油氣增產的重要手段之一。目前國內海洋油氣增產作業(yè)裝備集成方式主要有2種：①將設備放置在生產平臺或鉆井平臺上；②集中在一艘船舶上。而油田壓裂船以其高效性、安全性、良好的操控性和穩(wěn)定性，在海洋油氣工程領域中不斷應用推廣。目前在國內海域實施過壓裂作業(yè)的有查理德號，中海油服建造的搭載式油田增產船“海洋石油640”以及其他油服企業(yè)搭載壓裂設備的駁船。國外油田壓裂作業(yè)船隊在國內實行技術壟斷，租金昂貴。國內現有海洋壓裂裝備只能滿足常規(guī)壓裂作業(yè)，不能滿足未來大規(guī)模儲層壓裂改造作業(yè)需求，因此大力研發(fā)油田壓裂船將成為我國海洋領域重大技術裝備及設備國產化方向之一。

1 國內外壓裂作業(yè)船發(fā)展現狀

早在上世紀90年代，墨西哥灣油氣田就出現了與陸地作業(yè)模式類似的壓裂作業(yè)。以貝克休斯、斯倫貝謝、哈里伯頓為代表的跨國石油服務公司都根據不同的作業(yè)要求和海域特征設計、建造了先進的油田壓裂船。該類船具有優(yōu)越的操控性和良好的穩(wěn)定性，配備連續(xù)混配系統(tǒng)，支撐劑儲存裝置、混配系統(tǒng)，中央控制室以及數據采集系統(tǒng)，并有完備的質量控制體系和快速脫離裝置，無需海上作業(yè)平臺為其提供甲板和儲存空間，節(jié)省了昂貴的平臺租賃費用，在墨西哥灣、巴西、西非、北海等國家和地區(qū)得到廣泛應用。據統(tǒng)計，目前國外有30余艘油田壓裂船，搭載船型和一體化船型并存，配套的壓裂設備以柴驅驅動方式為主，連續(xù)混配系統(tǒng)具備耐酸功能。

國內對于油田壓裂船的研究起步較晚，目前已有學者就油田壓裂船的動力定位系統(tǒng)、綜合電站系統(tǒng)、快速脫離裝置等方面展開研究，其中關于船載壓裂設備的研究已初見成果，但對于壓裂裝備的輕量化、模塊化，以及壓裂過程中船舶與壓裂設備間的信息集成及接口技術缺乏創(chuàng)新研究，目前還沒有生產出符合船舶規(guī)范的電驅壓裂泵。因此本文針對以上問題進行探討分析。

2 壓裂作業(yè)系統(tǒng)裝備配置概述

針對海上壓裂作業(yè)的特點，圍繞海洋油氣壓裂作業(yè)系統(tǒng)及工程適用性開展研究，從壓裂作業(yè)裝備輕量化、模塊化，壓裂作業(yè)系統(tǒng)與船舶系統(tǒng)接口技術、信息集成，壓裂作業(yè)系統(tǒng)電磁環(huán)境檢測，供酸裝置幾個方面進行技術探討，下面將對上述內容分別進行論述。

2.1 壓裂作業(yè)裝備輕量化、模塊化

海洋油氣壓裂作業(yè)裝備數量大、種類多，在有限的船舶空間內，進行作業(yè)裝備優(yōu)化配置是壓裂作業(yè)系統(tǒng)的一個難點。為節(jié)省面積和空間，作業(yè)裝備應盡可能選用技術先進、體積小、重量輕、功率大、效率高的機械設備，利用功能分解再重組的原則，將壓裂作業(yè)系統(tǒng)進行模塊化劃分。在此基礎上對各個模塊進行結構優(yōu)化，采用高強度材料，達到輕量化設計的目的。目前國內各大壓裂設備制造廠商都在爭先研發(fā)輕量化、模塊化、高壽命的壓裂泵，如煙臺杰瑞的2 500型柴驅壓裂泵和四機公司的3 000型柴驅壓裂泵，單橇總量都能控制在15 t以內，泵頭采用不銹鋼材質，使用壽命由400 h提升至800～1 000 h。國內電驅壓裂設備研發(fā)、制造能力優(yōu)于國外，以3 675～4 410 kW的電驅壓裂泵為主。

2.2 壓裂作業(yè)系統(tǒng)與船舶系統(tǒng)接口技術

油田壓裂船的功能系統(tǒng)主要包括船舶固有配套系統(tǒng)和壓裂作業(yè)系統(tǒng)，油田壓裂船功能系統(tǒng)框圖如圖1所示。船舶傳統(tǒng)配套系統(tǒng)與壓裂作業(yè)系統(tǒng)間交叉系統(tǒng)為：監(jiān)控系統(tǒng)、供電系統(tǒng)及其他動力系統(tǒng)，系統(tǒng)間存在交叉接口，針對此類接口，制定統(tǒng)一的接口形式，明確接口的尺寸規(guī)格及材料標準；確定各壓裂設備的功率和電壓，進而確定供電接口；壓裂監(jiān)控系統(tǒng)則通過現場總線接口連接船舶綜合平臺管理系統(tǒng)，用來指示、報警、控制和記錄設備的工作狀態(tài)和參數，實現船舶載體功能與壓裂作業(yè)功能的統(tǒng)一監(jiān)控、有效結合，降低船舶設備配置冗余。

圖1 油田壓裂船功能系統(tǒng)框圖

2.3 壓裂作業(yè)系統(tǒng)與船舶信息集成

針對船舶與壓裂作業(yè)系統(tǒng)信息交互種類繁多、信息交互復雜的特點，對壓裂作業(yè)系統(tǒng)信息與船舶信息的交互傳輸及共享模式進行分析，確定交互信息的內容、數據類型、信息量、時延等參數，按照信息重要程度、安全等級對信息進行分類重組，明確信息交換格式、協(xié)議，形成統(tǒng)一的信息接口標準，制定一套基于數據分發(fā)服務的信息安全敏感分級和信息分類傳輸機制，實現船舶與壓裂作業(yè)系統(tǒng)的信息集成共享，更加能夠體現出智能船舶的先進性、適用性。目前國內還沒有研發(fā)壓裂作業(yè)系統(tǒng)與船舶信息集成的系統(tǒng)軟件，如中海油服在役的HYSY640，曾論證改建成油田壓裂船的MMC887和PX121 等PSV船型，其壓裂作業(yè)系統(tǒng)和船舶信息系統(tǒng)互為獨立。

2.4 壓裂作業(yè)系統(tǒng)電磁環(huán)境檢測

根據壓裂作業(yè)系統(tǒng)自身特點，借鑒軍用系統(tǒng)電磁兼容檢測方案的設計經驗，科學采用電磁環(huán)境效應和電磁兼容安全裕度的思想，進行壓裂作業(yè)系統(tǒng)電磁環(huán)境檢測。根據壓裂作業(yè)系統(tǒng)的設備組成、布置及系統(tǒng)功能、電磁兼容特性等，研究分析壓裂作業(yè)系統(tǒng)的電磁發(fā)射特性、敏感度及可能出現的電磁干擾因素，以保障壓裂作業(yè)系統(tǒng)工作中的電磁兼容性。目前中海油服正在設計研究全電驅一體化油田壓裂船船型，該船采用中壓配電板綜合電站設計(壓裂設備和船舶共用發(fā)電系統(tǒng))，主電站發(fā)電功率超過26 MW。由于此類船舶的作業(yè)特點，因此在設計階段必須考慮諧波電流對電網的影響。

2.5 供酸裝置

油田壓裂船酸化作業(yè)時酸液腐蝕性強，對排放、人員及船體安全要求高。采用閉環(huán)自動控制技術、智能防溢出液位控制技術、遠程自動控制技術及耐酸控制元件，在明確酸化作業(yè)中酸的種類和用量的前提下，結合船舶總體布置，完成供酸系統(tǒng)方案配置，實現精確配酸遠程自動控制，滿足海洋配酸工藝和船載配酸作業(yè)安全的要求。

3 結束語

借鑒國外油田壓裂船的設計、建造經驗，結合國內海洋低滲油氣藏儲層壓裂改造需求，研發(fā)、設計、制造符合我國低滲油氣藏開發(fā)的先進油田壓裂船。該船的研制對提升國內大型海洋石油裝備設計研發(fā)能力、推進關鍵設備國產化具有重要意義，可打破國外技術壁壘，解決“卡脖子”問題。

我國油田壓裂船的研制及配套設備還存在諸多關鍵技術亟待解決，建議從以下幾個方面繼續(xù)深入開展工作。

1)提升海洋壓裂裝備的研發(fā)能力，使之向集成化、數字化、信息化方向發(fā)展，開發(fā)適用于船舶規(guī)范的電驅壓裂泵。受制于功率大小及環(huán)保要求，只有國外部分柴驅壓裂設備符合船舶規(guī)范要求，符合船舶規(guī)范的大功率電驅壓裂設備國內外還沒有研發(fā)，電驅壓裂設備更有利于數智化的發(fā)展，因此大力研發(fā)符合船舶規(guī)范的電驅壓裂設備給國內壓裂設備制造企業(yè)帶來巨大商機。

2)開展海上油田壓裂作業(yè)試驗，系統(tǒng)收集試驗數據并進行總結歸納，結合使用中存在的問題對設計進行優(yōu)化。中國海油集團公司已經部署了“十四五”期間的海上低滲油氣藏開發(fā)試驗工作的相關要求，明確了任務書和時間表。并提出了“十五五”和“十六五”期間海上低滲儲層改造技術規(guī)劃及產業(yè)化應用目標。

3)結合國內海洋低滲油氣藏開發(fā)需求，明確油田壓裂船功能定位及作業(yè)能力，使增產專用設備與船舶高度集成，實現船舶一體化、智能化控制。目前中海油服正在研究全電驅一體化的專業(yè)油田壓裂船配套方案。