油田壓裂船電驅(qū)設(shè)備配套及工藝流程設(shè)計(jì)研究

呂會敏，宮 慧，才忠杰，劉 亮

(中海油田服務(wù)股份有限公司， 天津 300459)

國內(nèi)已探明的整裝海洋油氣田開發(fā)已進(jìn)入中后期，近年來油氣探明儲量中，低滲透儲量所占比例上升速度在逐年加大，低滲透油氣藏滲透率、孔隙度低，非均質(zhì)性強(qiáng)，絕大多數(shù)油氣井必須實(shí)施壓裂增產(chǎn)措施后方見產(chǎn)能，壓裂增產(chǎn)技術(shù)在低滲透油氣藏開發(fā)中的作用日益明顯。以壓裂酸化為主要手段的增產(chǎn)作業(yè)在海洋油氣領(lǐng)域市場廣闊。海洋油氣壓裂作業(yè)系統(tǒng)要求配置壓裂作業(yè)所需要的所有物資，包括基液、添加劑、胍膠粉、支撐劑等，作業(yè)物資的數(shù)量大、種類多、流程復(fù)雜，在有限的船舶空間下，進(jìn)行作業(yè)物資的儲備、輸送，難度非常大[1]。目前國內(nèi)海上油氣增產(chǎn)作業(yè)裝備集成方式主要有2種：①將設(shè)備放置在生產(chǎn)平臺或鉆井平臺上；②集中在一艘船上。而油田壓裂船以其高效性、安全性，在海上油氣工程領(lǐng)域中不斷應(yīng)用推廣[2]。目前國外油田壓裂船在國內(nèi)實(shí)行技術(shù)壟斷，實(shí)施壓裂作業(yè)租金昂貴。國內(nèi)相關(guān)專業(yè)作業(yè)船舶建造經(jīng)驗(yàn)少，處于起步階段，僅有一艘油田增產(chǎn)船僅能滿足常規(guī)壓裂作業(yè)，不能滿足未來大規(guī)模儲層改造作業(yè)需求[3]，因此打破國外技術(shù)壟斷，開發(fā)作業(yè)能力更強(qiáng)的油田壓裂船將成為我國海洋石油裝備的研發(fā)方向[4]。

本文在壓裂作業(yè)系統(tǒng)海洋適應(yīng)性研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)整體布置要求，將物資儲備在船舶的不同甲板，在空間位置上進(jìn)行物資儲備、輸送方式、作業(yè)系統(tǒng)布置的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合海洋壓裂作業(yè)的工藝、流程及船舶多層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理布置儲液罐、砂罐，建立配液、供液、供砂與輸砂流程，最后形成油田壓裂船用電驅(qū)設(shè)備配套及布局、壓裂系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及工藝流程設(shè)計(jì)研究。

1 壓裂船用電動壓裂設(shè)備配套

經(jīng)過數(shù)十年的快速發(fā)展，國內(nèi)柴/電驅(qū)壓裂裝備并存，都形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，完全可以滿足壓裂作業(yè)需求，其特點(diǎn)和發(fā)展趨勢如下[5]：①柴驅(qū)壓裂裝備輸出功率小，通用性好，同等壓裂規(guī)模，配套裝備數(shù)量多，噪聲大、污染高，適用于小井場的壓裂儲層改造；②電驅(qū)壓裂裝備輸出功率大，同等壓裂規(guī)模，配套裝備數(shù)量少，傳動效率高、噪聲小、無污染，適用于大井場整體區(qū)塊壓裂儲層改造，但受限于網(wǎng)電容量的大小；③電驅(qū)壓裂設(shè)備更有利于智能化發(fā)展；④壓裂裝備總體向大功率、大排量、工作持續(xù)長方向發(fā)展；⑤數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化已成為主要發(fā)展趨勢。

電驅(qū)壓裂設(shè)備更符合低碳排放要求，且設(shè)備易實(shí)現(xiàn)集中控制，可在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程操作，自動化程度高，有利于數(shù)字化、智能化船舶發(fā)展。

1.1 電動混砂設(shè)備

船載混砂裝置采用船舶發(fā)電機(jī)組提供動力，采用水力噴射技術(shù)，可快速提高混合攪拌能力，開展模塊化設(shè)計(jì)與整機(jī)布置優(yōu)化，研究電控模式下輸砂、吸入、攪拌、排出，研究混砂設(shè)備電驅(qū)系統(tǒng)。結(jié)合陸地成熟的混砂裝置方案，根據(jù)作業(yè)工藝要求，將混砂裝置的功能進(jìn)行拆分重組，在滿足作業(yè)要求的基礎(chǔ)上，優(yōu)化混砂裝置設(shè)計(jì)。船載混砂裝置液位受船體姿態(tài)及海況影響，上液情況變化復(fù)雜，控制響應(yīng)速度要求更高，需實(shí)時(shí)智能修正控制器的參數(shù)，縮短液位及配比調(diào)整時(shí)間，并使偏差減小并趨于零，實(shí)現(xiàn)對混砂系統(tǒng)的快速、精確控制。

1.2 電動壓裂泵裝置

根據(jù)陸地增壓裝置動力配置方案，在考慮船舶空間，作業(yè)設(shè)備的排放、質(zhì)量及噪聲等指標(biāo)是否符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，對船用作業(yè)系統(tǒng)動力匹配方案進(jìn)行研究。船用電動壓裂裝置動力匹配研究內(nèi)容包括配置方案選型與輔助系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是在動力匹配研究、計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行動力系統(tǒng)配置與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在整機(jī)各系統(tǒng)功率計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的動力分配，最終形成船用作業(yè)系統(tǒng)動力配置方案。

1.3 連續(xù)混配裝置

通過對連續(xù)混配供送裝置的結(jié)構(gòu)原理、總成優(yōu)選、匹配計(jì)算、混合模式、自動控制方式、制造工藝、產(chǎn)品檢測、現(xiàn)場使用的研究，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求制作1臺適用于海洋壓裂的連續(xù)混配供送裝置。清水離心泵泵出的高壓清水進(jìn)入高能恒壓混合器、在混合器的內(nèi)部形成真空，將干粉吸入混合器與清水進(jìn)行混合，干粉充分潤濕，減少了水包粉的形成，提高了混合質(zhì)量。經(jīng)混合器排出的混合液沿切線方向進(jìn)入旋風(fēng)式擴(kuò)散槽?；旌弦涸跀U(kuò)散槽內(nèi)作螺旋線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，含在其中的氣體被分離出來，并排入空氣中，混合物中的含氣量以及形成的泡沫大大減少，完成兌稀過程。兌稀完成后再將混配液進(jìn)入攪拌罐，進(jìn)行充分的攪拌、溶脹，使之形成質(zhì)地均勻，無氣泡的混配黏稠溶液。

1.4 支撐劑氣力輸送裝置

根據(jù)壓裂船整體布置方案以及各甲板之間的空間布置，設(shè)計(jì)倉料泵的位置及輸送量，儲備支撐劑罐和倉料泵布置在雙層底甲板上，儲備支撐劑罐加料口布置在主甲板上，在碼頭利用吊機(jī)進(jìn)行破袋加裝。儲備支撐劑罐內(nèi)的支撐劑通過自重方式，通過PLC自動控制加入到倉料泵內(nèi)，倉料泵通過氣力輸送的方式，再加到頂層甲板的基罐內(nèi)，實(shí)現(xiàn)油田壓裂船支撐劑單次裝載量的提高。支撐劑氣力輸送裝置示意圖如圖1所示。

圖1 支撐劑氣力輸送裝置示意圖

2 壓裂船裝備布局及工藝流程

按照功能分解再重組的原則，結(jié)合海上壓裂作業(yè)的特點(diǎn)，對壓裂增產(chǎn)系統(tǒng)功能重新分解、重組，形成專業(yè)的海上壓裂作業(yè)系統(tǒng)?？傮w布置上結(jié)合船舶“區(qū)域化、層次化、模塊化”的原則進(jìn)行區(qū)域劃分，形成多個(gè)功能區(qū)域，各區(qū)域的功能實(shí)現(xiàn)便捷、系統(tǒng)維修方便、空間利用最佳，各區(qū)域之間相對獨(dú)立又互相協(xié)調(diào)。綜合考慮不同功能區(qū)域的協(xié)調(diào)要求，完成整條船的總布置，最終增強(qiáng)系統(tǒng)功能，提高技術(shù)水準(zhǔn)，消除冗余，有效提高船體空間利用率及船舶使用率。

將船舶的雙層底甲板、機(jī)械甲板、主甲板、頂甲板進(jìn)行不同功能區(qū)域劃分，形成布局圖如圖2所示。雙層底甲板：該層設(shè)有過濾海水艙、淡水艙、燃油艙、滑油艙、污水艙、胍膠液回收艙等；機(jī)械甲板：該層主要為壓裂作業(yè)功能區(qū)域，主要布置電驅(qū)壓裂泵、電驅(qū)混砂橇及高壓管匯設(shè)備等；主甲板：該層主要為壓裂液配置區(qū)域，設(shè)有海水過濾系統(tǒng)、液體添加劑罐、支撐基罐、連續(xù)混配系統(tǒng)及配液緩沖罐等。

圖2 功能區(qū)域劃分布局圖

3 壓裂作業(yè)流程

壓裂作業(yè)系統(tǒng)以超過地層吸收能力的排量將高黏液體注入井中，使井底附近地層中產(chǎn)生裂縫，在地層中形成足夠長度、一定寬度及高度的填砂裂縫，以形成油氣高滲透率區(qū)域和導(dǎo)流通道，提高油氣井的產(chǎn)量。

油田壓裂船供配液過程主要在主甲板上進(jìn)行，壓裂作業(yè)所需壓裂液為胍膠液(膠液)，壓裂液由連續(xù)混配橇進(jìn)行配液后，由4個(gè)胍膠液緩沖罐進(jìn)行儲存，充分進(jìn)行溶脹，配液流程圖如圖3所示。連續(xù)混配橇與胍膠液緩沖罐之間由自動集輸裝置連接，配好的胍膠液通過集輸管匯進(jìn)入集液總管，集液總管分別與4個(gè)胍膠液緩沖罐進(jìn)口連接，使4罐形成并聯(lián)，混配后的壓裂液分兩路進(jìn)入胍膠罐，并從罐體中流出，形成循環(huán)流道，防止罐體內(nèi)出現(xiàn)死區(qū)。2套壓裂液獨(dú)立混配流程，相互獨(dú)立，可單獨(dú)使用，也可同時(shí)使用。增設(shè)倒液管線，可完成4個(gè)不同胍膠罐內(nèi)液體的任意倒換或平衡，為泵注流程提供壓裂液。

圖3 配液流程圖

4 結(jié)束語

本研究以消除冗余，有效提高船體空間利用率為目標(biāo)，對集成式壓裂船進(jìn)行了電動壓裂裝備配套，并根據(jù)船型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了壓裂裝備整體布局方案。根據(jù)船載設(shè)備布置方案，進(jìn)行了對應(yīng)的作業(yè)流程研究設(shè)計(jì)，根據(jù)壓裂作業(yè)過程中的支撐劑流程、配液流程、泵注流程完成了低壓供液及高壓泵注技術(shù)方案設(shè)計(jì)研究。對于打破國外技術(shù)壟斷，建造國產(chǎn)壓裂作業(yè)船舶具有借鑒意義。