油田压裂船电驱设备配套及工艺流程设计研究

吕会敏，宫 慧，才忠杰，刘 亮

(中海油田服务股份有限公司， 天津 300459)

国内已探明的整装海洋油气田开发已进入中后期，近年来油气探明储量中，低渗透储量所占比例上升速度在逐年加大，低渗透油气藏渗透率、孔隙度低，非均质性强，绝大多数油气井必须实施压裂增产措施后方见产能，压裂增产技术在低渗透油气藏开发中的作用日益明显。以压裂酸化为主要手段的增产作业在海洋油气领域市场广阔。海洋油气压裂作业系统要求配置压裂作业所需要的所有物资，包括基液、添加剂、胍胶粉、支撑剂等，作业物资的数量大、种类多、流程复杂，在有限的船舶空间下，进行作业物资的储备、输送，难度非常大[1]。目前国内海上油气增产作业装备集成方式主要有2种：①将设备放置在生产平台或钻井平台上；②集中在一艘船上。而油田压裂船以其高效性、安全性，在海上油气工程领域中不断应用推广[2]。目前国外油田压裂船在国内实行技术垄断，实施压裂作业租金昂贵。国内相关专业作业船舶建造经验少，处于起步阶段，仅有一艘油田增产船仅能满足常规压裂作业，不能满足未来大规模储层改造作业需求[3]，因此打破国外技术垄断，开发作业能力更强的油田压裂船将成为我国海洋石油装备的研发方向[4]。

本文在压裂作业系统海洋适应性研究的基础上，根据整体布置要求，将物资储备在船舶的不同甲板，在空间位置上进行物资储备、输送方式、作业系统布置的基础上，进一步结合海洋压裂作业的工艺、流程及船舶多层结构的特点，合理布置储液罐、砂罐，建立配液、供液、供砂与输砂流程，最后形成油田压裂船用电驱设备配套及布局、压裂系统方案设计及工艺流程设计研究。

1 压裂船用电动压裂设备配套

经过数十年的快速发展，国内柴/电驱压裂装备并存，都形成了具有自主知识产权的产品，完全可以满足压裂作业需求，其特点和发展趋势如下[5]：①柴驱压裂装备输出功率小，通用性好，同等压裂规模，配套装备数量多，噪声大、污染高，适用于小井场的压裂储层改造；②电驱压裂装备输出功率大，同等压裂规模，配套装备数量少，传动效率高、噪声小、无污染，适用于大井场整体区块压裂储层改造，但受限于网电容量的大小；③电驱压裂设备更有利于智能化发展；④压裂装备总体向大功率、大排量、工作持续长方向发展；⑤数字化、网络化、智能化已成为主要发展趋势。

电驱压裂设备更符合低碳排放要求，且设备易实现集中控制，可在线监测和远程操作，自动化程度高，有利于数字化、智能化船舶发展。

1.1 电动混砂设备

船载混砂装置采用船舶发电机组提供动力，采用水力喷射技术，可快速提高混合搅拌能力，开展模块化设计与整机布置优化，研究电控模式下输砂、吸入、搅拌、排出，研究混砂设备电驱系统。结合陆地成熟的混砂装置方案，根据作业工艺要求，将混砂装置的功能进行拆分重组，在满足作业要求的基础上，优化混砂装置设计。船载混砂装置液位受船体姿态及海况影响，上液情况变化复杂，控制响应速度要求更高，需实时智能修正控制器的参数，缩短液位及配比调整时间，并使偏差减小并趋于零，实现对混砂系统的快速、精确控制。

1.2 电动压裂泵装置

根据陆地增压装置动力配置方案，在考虑船舶空间，作业设备的排放、质量及噪声等指标是否符合国家相关标准要求的基础上，对船用作业系统动力匹配方案进行研究。船用电动压裂装置动力匹配研究内容包括配置方案选型与辅助系统优化设计，主要是在动力匹配研究、计算的基础上进行动力系统配置与结构优化，在整机各系统功率计算的基础上进行合理的动力分配，最终形成船用作业系统动力配置方案。

1.3 连续混配装置

通过对连续混配供送装置的结构原理、总成优选、匹配计算、混合模式、自动控制方式、制造工艺、产品检测、现场使用的研究，根据生产实际需求制作1台适用于海洋压裂的连续混配供送装置。清水离心泵泵出的高压清水进入高能恒压混合器、在混合器的内部形成真空，将干粉吸入混合器与清水进行混合，干粉充分润湿，减少了水包粉的形成，提高了混合质量。经混合器排出的混合液沿切线方向进入旋风式扩散槽。混合液在扩散槽内作螺旋线旋转运动，含在其中的气体被分离出来，并排入空气中，混合物中的含气量以及形成的泡沫大大减少，完成兑稀过程。兑稀完成后再将混配液进入搅拌罐，进行充分的搅拌、溶胀，使之形成质地均匀，无气泡的混配黏稠溶液。

1.4 支撑剂气力输送装置

根据压裂船整体布置方案以及各甲板之间的空间布置，设计仓料泵的位置及输送量，储备支撑剂罐和仓料泵布置在双层底甲板上，储备支撑剂罐加料口布置在主甲板上，在码头利用吊机进行破袋加装。储备支撑剂罐内的支撑剂通过自重方式，通过PLC自动控制加入到仓料泵内，仓料泵通过气力输送的方式，再加到顶层甲板的基罐内，实现油田压裂船支撑剂单次装载量的提高。支撑剂气力输送装置示意图如图1所示。

图1 支撑剂气力输送装置示意图

2 压裂船装备布局及工艺流程

按照功能分解再重组的原则，结合海上压裂作业的特点，对压裂增产系统功能重新分解、重组，形成专业的海上压裂作业系统。总体布置上结合船舶“区域化、层次化、模块化”的原则进行区域划分，形成多个功能区域，各区域的功能实现便捷、系统维修方便、空间利用最佳，各区域之间相对独立又互相协调。综合考虑不同功能区域的协调要求，完成整条船的总布置，最终增强系统功能，提高技术水准，消除冗余，有效提高船体空间利用率及船舶使用率。

将船舶的双层底甲板、机械甲板、主甲板、顶甲板进行不同功能区域划分，形成布局图如图2所示。双层底甲板：该层设有过滤海水舱、淡水舱、燃油舱、滑油舱、污水舱、胍胶液回收舱等；机械甲板：该层主要为压裂作业功能区域，主要布置电驱压裂泵、电驱混砂橇及高压管汇设备等；主甲板：该层主要为压裂液配置区域，设有海水过滤系统、液体添加剂罐、支撑基罐、连续混配系统及配液缓冲罐等。

图2 功能区域划分布局图

3 压裂作业流程

压裂作业系统以超过地层吸收能力的排量将高黏液体注入井中，使井底附近地层中产生裂缝，在地层中形成足够长度、一定宽度及高度的填砂裂缝，以形成油气高渗透率区域和导流通道，提高油气井的产量。

油田压裂船供配液过程主要在主甲板上进行，压裂作业所需压裂液为胍胶液(胶液)，压裂液由连续混配橇进行配液后，由4个胍胶液缓冲罐进行储存，充分进行溶胀，配液流程图如图3所示。连续混配橇与胍胶液缓冲罐之间由自动集输装置连接，配好的胍胶液通过集输管汇进入集液总管，集液总管分别与4个胍胶液缓冲罐进口连接，使4罐形成并联，混配后的压裂液分两路进入胍胶罐，并从罐体中流出，形成循环流道，防止罐体内出现死区。2套压裂液独立混配流程，相互独立，可单独使用，也可同时使用。增设倒液管线，可完成4个不同胍胶罐内液体的任意倒换或平衡，为泵注流程提供压裂液。

图3 配液流程图

4 结束语

本研究以消除冗余，有效提高船体空间利用率为目标，对集成式压裂船进行了电动压裂装备配套，并根据船型结构设计了压裂装备整体布局方案。根据船载设备布置方案，进行了对应的作业流程研究设计，根据压裂作业过程中的支撑剂流程、配液流程、泵注流程完成了低压供液及高压泵注技术方案设计研究。对于打破国外技术垄断，建造国产压裂作业船舶具有借鉴意义。