一種增能吞吐裝備

陶桂紅，張 衡，關 慶，黃建喜，劉 健

（1.中國石油渤海石油裝備研究院，天津 300280；2.中國石油渤海石油裝備鉆井裝備公司，天津 300280）

0 引言

油田開發進入中后期，老區塊儲層虧空嚴重，儲層物性差、油井低能生產。尤其針對低孔低滲開發區塊，普遍存在壓力高、注不進、采不出、動用程度低、生產成本高的現象。常規的注水補充能量已無法滿足“補能、增油”的動態開采要求，開采井產量遞減快，難以長期穩定生產[1]。常規壓裂技術、酸化技術等改造技術只能改善地層滲透性，不能補充地層能量，不適用于這類井的治理。采用體積壓裂等大型設施來提高采收率，工藝費用高昂，難以大規模推廣[2]。近年來，國內油田借鑒頁巖氣開采經驗，參考行業內相似補充儲層能量的方案，探索增能吞吐采油工藝技術，通過向儲層進行超高壓、大排量增強注水，有效恢復地層能量，產生和溝通微裂縫，延展開采面積，重構區塊注采井網，解決注不進、采不出的矛盾，破解低孔低滲油藏注水難題。同時，利用高效驅油劑的驅替和置換作用來挖潛剩余油，提高儲層的動用程度[3-4]。

目前多采用壓裂車組進行施工作業，2000 型、2500 型壓裂車組屬于超限運輸工程車輛，制造成本高，道路通過性較差，井場布置困難。同時增能吞吐作業周期長，降低了車輛底盤的使用率，增加了運維成本。壓裂泵車采用輕量化集成設計，發動機、變矩器、柱塞泵不能長時間連續運轉，臺上設備安裝緊湊維修操作空間小。在降本增效的新形勢要求下，針對增能吞吐采油工藝技術特點，需要開發一種大功率、大排量、高壓力、連續作業、道路通過性強的專用設備，降低設備生產成本和使用成本，且要求設備維護方便，操作簡單，工作穩定。

1 增能吞吐裝備總體結構及工作原理

增能吞吐裝備主要由動力撬和泵撬組成，動力撬主要由發動機（帶水箱）、變矩器組成，泵撬主要由傳動軸、控制系統、柱塞泵、冷卻潤滑系統組成（圖1）。現場組裝時利用限位連接裝置將動力撬與泵撬組裝成一體，傳動軸通過快速連接盤將變矩器輸出端與泵輸入端進行連接。

圖1 增能吞吐裝備

發動機飛輪盤與變矩器輸入法蘭相連，發動機啟動后，調整變矩器擋位，實現改變輸出扭矩和轉速，通過聯軸器驅動柱塞泵工作，柱塞泵柱塞往復運動實現液體的吸入和排出。發動機取力口和變矩器取力口為冷卻潤滑系統中的油泵提供動力，控制系統完成各設備間的協調，控制裝備實現排量和壓力的調整。

2 主要技術優勢

增能吞吐裝備針對大功率連續作業要求設計，發動機可24 h不間斷運轉，柱塞泵針對高壓大排量、長壽命等需求做出優化。設備參數實時采集分析，自動控制發動機轉速和變矩器擋位，能夠最大程度利用發動機輸出功率，并可實現裝備狀態記錄及自動預警、報警提示，分體撬裝減少運輸尺寸，滿足山區丘陵地帶設備運輸要求。

2.1 動力配置

增能吞吐裝備采用礦用柴油發動機作為動力源，作業時發動機工作在80%以上功率區間，供油及散熱可滿足不間斷作業需求。采用變矩器實現大扭矩平穩輸出，其啟動扭矩大，抗沖擊能力強，易于調整速比。相較于壓裂泵車動力源，具有更大的裝機功率和更長的連續作業能力。

2.2 柱塞泵優化

柱塞泵的結構主要由動力端（主要負責動力的傳遞）及柱塞泵液力端（液體過流通道）組成，由于增能吞吐裝備機組功率較大，動力端通常采用齒輪傳動方式。目前主要矛盾集中在高負載下連續不間斷作業時提高動力端的運行可靠性及穩定性，故需對動力端的齒輪傳動副及主動軸進行優化設計，依據載荷參數優化齒輪組設計參數，從而提高嚙合穩定性和強度。通過優選齒輪副、主動軸材料，依靠熱處理工藝改善齒面及齒芯硬度，從而延長齒輪組、主動軸使用壽命，提高動力端傳動穩定性。

液力端主體泵頭（閥箱）采用高強度鍛鋼制造，優化其流道結構并進行自增強處理，可有效隔離高壓工作腔與低壓工作腔，避免了因高壓交變應力產生的泵頭應力集中開裂現象。通過優選柱塞基體材料及強化表面處理工藝，提升了柱塞的耐腐蝕性和耐磨性，同時提升了基體與表面合金的結合力，防止高壓水對柱塞表面交變沖擊造成的表皮剝落。閥組采用水平直通組合錐閥結構，有效避免了固相顆粒在液流密封面的滯留，從而保證了閥組的正常開啟，通過熱處理提高了其表面硬度，提高了抗磨礪磨損的能力，從而減少了停機維修時間，有效延長了液力端使用壽命達1000 h 以上。

2.3 潤滑散熱系統優化

柱塞泵是高功率設備，系統采用主動方式強制對設備進行潤滑和散熱，保障設備高溫長期作業。設備工作環境溫度變化大，需適應-20～45 ℃。通過調整各種潤滑和散熱泵的排量，實現動力系統、傳動系統、柱塞泵系統內潤滑油維持在75～80 ℃，確保油品性能穩定，實現連續高功率運轉。同時針對高寒環境作業，配備了加熱保溫套件，解決設備低溫啟動時油液溫度過低、黏度過大的問題。潤滑油吸油管路、回油管路增加過濾裝置，確保潤滑油潔凈度符合工作要求。潤滑油溫度、液位實時檢測，根據預定參數設定報警，解決了設備運轉時潤滑散熱系統的穩定工作問題。

2.4 控制系統

控制開關、按鈕、儀表集成安裝于控制臺，配有遠程控制接口，可實現本地和遠程控制。采用工業以太網控制，網絡中任何一臺控制終端都可以對發動機轉速和變矩器擋位進行調整，可以實現多臺并機控制，實時顯示作業狀態參數。控制程序采用閉環控制，實時采集發動機、變矩器、柱塞泵、輸出流量及壓力、潤滑、散熱系統參數信息，通過預定程序判斷執行，自動完成各設備間的協調控制。同時依托渤海裝備公司開發的柱塞泵運行智能診斷控制系統，進行在線實時監控、數據記錄、分析、故障預警、診斷等。通過系統反饋結果，可把故障信息、處置建議、維修方案，以圖形、文字、視頻的等方式發送至各維護人員，指導維護人員進行正確的保養和維護。

2.5 撬裝框架

動力撬和泵撬使用型鋼拼焊而成，框架角處使用標準集裝箱角件，撬體運輸時可與運輸車輛使用標準集裝箱轉鎖進行可靠連接。同時撬體尺寸采用20GP 標準集裝箱尺寸，單撬總重小于20 t，遠距離公路運輸時，可用集裝箱專用運輸車輛，避免了超限運輸。在山區丘陵地區非鋪裝路段運輸時，可用短軸車輛進行單體運輸。作業現場具備吊裝條件，不會增加額外吊裝費用。撬架組裝時利用限位楔塊快速準確進行連接，線纜、接管使用對插快速接頭進行快速連接。相比壓裂車組，撬體可用安裝空間大，維修空間合理，能實現更大功率設備的安裝，且不屬于超限運輸，道路通過性好。由于單機裝機功率大，相同作業要求下可降低機組配套數量，減少井場布置空間。撬裝形式減少了對車輛的長期占用，節約了投資成本和車輛養護成本。

3 案例

國內某油田利用壓裂車組對目標井組進行作業，輸送介質為清水，作業采用連續工作制，注入壓力50～60 MPa，日注入量4500 m3以上。此次作業采用2250 型泵車5 臺、1800 型泵車5臺輪換作業，目標單井作業9 d，累計注入40 542 m3[1]。但因壓裂泵車柴油機工作特性及壓裂泵結構特性，導致壓裂泵車無法連續運行，此次作業壓裂泵車采取運行2 h、停注2 h 的工作方式，多臺壓裂泵車輪換作業，確保增能吞吐工藝要求執行。在此作業周期中液力端平均使用壽命600 h。

增能吞吐裝備最高工作壓力60 MPa，最大排量2000 m3/d，額定輸出功率2500 hp（1864 kW），可連續24 h 不間斷作業。實施注入壓力50～60 MPa，日注入量4500 m3以上作業，應用4臺機組（用3 備1）進行施工，可實現注入量6000 m3/d，可以無故障完成一個作業周期。對比壓裂車組施工方案，設備不用頻繁更替啟停，減少裝機功率50%，機組使用數量減少，可降低施工作業占地面積50%，降低運輸費用30%，同時減少設備投資費用30%，降低維修費用60%，縮短作業周期30%。增能吞吐裝備采用撬裝模式，僅需少量人員即可完成作業任務，無車輛采購費用和養護費用，不需要專業駕駛人員進行車輛駕駛，降低運輸風險及人員成本。

4 結論

增能吞吐裝備滿足了增能吞吐采油工藝技術對大排量、高壓力、連續作業的設備的需求，實現連續不間斷作業，減少作業機組配套數量，減少操作人員、運輸人員的配備數量，降低運維成本，助力使用方降本增效，有效提高市場競爭力。并解決了大功率設備裝機需求與車載式結構受外形尺寸重量限制之間的矛盾，撬裝布局合理，單撬重量及尺寸適應普通運輸車輛要求，有利于井場間快速轉運和現場起吊，尤其利于山區丘陵及邊零場站復雜地域作業需求。創新配套的控制系統，能夠對故障進行自動診斷，及時預警，為維修人員提供故障信息和處理方法，有效縮短非計劃停機時間，保障設備平穩運行，提高設備數字化、自動化程度。