油田壓裂船電驅設備配套及工藝流程設計研究

呂會敏，宮 慧，才忠杰，劉 亮

(中海油田服務股份有限公司， 天津 300459)

國內已探明的整裝海洋油氣田開發已進入中后期，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，非均質性強，絕大多數油氣井必須實施壓裂增產措施后方見產能，壓裂增產技術在低滲透油氣藏開發中的作用日益明顯。以壓裂酸化為主要手段的增產作業在海洋油氣領域市場廣闊。海洋油氣壓裂作業系統要求配置壓裂作業所需要的所有物資，包括基液、添加劑、胍膠粉、支撐劑等，作業物資的數量大、種類多、流程復雜，在有限的船舶空間下，進行作業物資的儲備、輸送，難度非常大[1]。目前國內海上油氣增產作業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集中在一艘船上。而油田壓裂船以其高效性、安全性，在海上油氣工程領域中不斷應用推廣[2]。目前國外油田壓裂船在國內實行技術壟斷，實施壓裂作業租金昂貴。國內相關專業作業船舶建造經驗少，處于起步階段，僅有一艘油田增產船僅能滿足常規壓裂作業，不能滿足未來大規模儲層改造作業需求[3]，因此打破國外技術壟斷，開發作業能力更強的油田壓裂船將成為我國海洋石油裝備的研發方向[4]。

本文在壓裂作業系統海洋適應性研究的基礎上，根據整體布置要求，將物資儲備在船舶的不同甲板，在空間位置上進行物資儲備、輸送方式、作業系統布置的基礎上，進一步結合海洋壓裂作業的工藝、流程及船舶多層結構的特點，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設備配套及布局、壓裂系統方案設計及工藝流程設計研究。

1 壓裂船用電動壓裂設備配套

經過數十年的快速發展，國內柴/電驅壓裂裝備并存，都形成了具有自主知識產權的產品，完全可以滿足壓裂作業需求，其特點和發展趨勢如下[5]：①柴驅壓裂裝備輸出功率小，通用性好，同等壓裂規模，配套裝備數量多，噪聲大、污染高，適用于小井場的壓裂儲層改造；②電驅壓裂裝備輸出功率大，同等壓裂規模，配套裝備數量少，傳動效率高、噪聲小、無污染，適用于大井場整體區塊壓裂儲層改造，但受限于網電容量的大小；③電驅壓裂設備更有利于智能化發展；④壓裂裝備總體向大功率、大排量、工作持續長方向發展；⑤數字化、網絡化、智能化已成為主要發展趨勢。

電驅壓裂設備更符合低碳排放要求，且設備易實現集中控制，可在線監測和遠程操作，自動化程度高，有利于數字化、智能化船舶發展。

1.1 電動混砂設備

船載混砂裝置采用船舶發電機組提供動力，采用水力噴射技術，可快速提高混合攪拌能力，開展模塊化設計與整機布置優化，研究電控模式下輸砂、吸入、攪拌、排出，研究混砂設備電驅系統。結合陸地成熟的混砂裝置方案，根據作業工藝要求，將混砂裝置的功能進行拆分重組，在滿足作業要求的基礎上，優化混砂裝置設計。船載混砂裝置液位受船體姿態及海況影響，上液情況變化復雜，控制響應速度要求更高，需實時智能修正控制器的參數，縮短液位及配比調整時間，并使偏差減小并趨于零，實現對混砂系統的快速、精確控制。

1.2 電動壓裂泵裝置

根據陸地增壓裝置動力配置方案，在考慮船舶空間，作業設備的排放、質量及噪聲等指標是否符合國家相關標準要求的基礎上，對船用作業系統動力匹配方案進行研究。船用電動壓裂裝置動力匹配研究內容包括配置方案選型與輔助系統優化設計，主要是在動力匹配研究、計算的基礎上進行動力系統配置與結構優化，在整機各系統功率計算的基礎上進行合理的動力分配，最終形成船用作業系統動力配置方案。

1.3 連續混配裝置

通過對連續混配供送裝置的結構原理、總成優選、匹配計算、混合模式、自動控制方式、制造工藝、產品檢測、現場使用的研究，根據生產實際需求制作1臺適用于海洋壓裂的連續混配供送裝置。清水離心泵泵出的高壓清水進入高能恒壓混合器、在混合器的內部形成真空，將干粉吸入混合器與清水進行混合，干粉充分潤濕，減少了水包粉的形成，提高了混合質量。經混合器排出的混合液沿切線方向進入旋風式擴散槽。混合液在擴散槽內作螺旋線旋轉運動，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入攪拌罐，進行充分的攪拌、溶脹，使之形成質地均勻，無氣泡的混配黏稠溶液。

1.4 支撐劑氣力輸送裝置

根據壓裂船整體布置方案以及各甲板之間的空間布置，設計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，在碼頭利用吊機進行破袋加裝。儲備支撐劑罐內的支撐劑通過自重方式，通過PLC自動控制加入到倉料泵內，倉料泵通過氣力輸送的方式，再加到頂層甲板的基罐內，實現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，結合海上壓裂作業的特點，對壓裂增產系統功能重新分解、重組，形成專業的海上壓裂作業系統。總體布置上結合船舶“區域化、層次化、模塊化”的原則進行區域劃分，形成多個功能區域，各區域的功能實現便捷、系統維修方便、空間利用最佳，各區域之間相對獨立又互相協調。綜合考慮不同功能區域的協調要求，完成整條船的總布置，最終增強系統功能，提高技術水準，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、機械甲板、主甲板、頂甲板進行不同功能區域劃分，形成布局圖如圖2所示。雙層底甲板：該層設有過濾海水艙、淡水艙、燃油艙、滑油艙、污水艙、胍膠液回收艙等；機械甲板：該層主要為壓裂作業功能區域，主要布置電驅壓裂泵、電驅混砂橇及高壓管匯設備等；主甲板：該層主要為壓裂液配置區域，設有海水過濾系統、液體添加劑罐、支撐基罐、連續混配系統及配液緩沖罐等。

圖2 功能區域劃分布局圖

3 壓裂作業流程

壓裂作業系統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域和導流通道，提高油氣井的產量。

油田壓裂船供配液過程主要在主甲板上進行，壓裂作業所需壓裂液為胍膠液(膠液)，壓裂液由連續混配橇進行配液后，由4個胍膠液緩沖罐進行儲存，充分進行溶脹，配液流程圖如圖3所示。連續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入集液總管，集液總管分別與4個胍膠液緩沖罐進口連接，使4罐形成并聯，混配后的壓裂液分兩路進入胍膠罐，并從罐體中流出，形成循環流道，防止罐體內出現死區。2套壓裂液獨立混配流程，相互獨立，可單獨使用，也可同時使用。增設倒液管線，可完成4個不同胍膠罐內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 結束語

本研究以消除冗余，有效提高船體空間利用率為目標，對集成式壓裂船進行了電動壓裂裝備配套，并根據船型結構設計了壓裂裝備整體布局方案。根據船載設備布置方案，進行了對應的作業流程研究設計，根據壓裂作業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方案設計研究。對于打破國外技術壟斷，建造國產壓裂作業船舶具有借鑒意義。