海洋壓裂刀組的研制

0海洋酸壓裝備集成技術(shù)與國外的差距隨著我國海上氣田開發(fā)的加強，海上酸壓施工次數(shù)不斷增加，對海洋酸壓設備的技術(shù)標準提出了更高的要求。我國的壓裂裝備經(jīng)過20多年的發(fā)展,已經(jīng)達到國際上同等技術(shù)水平,但海洋酸壓裝備集成技術(shù)被國外壟斷,自主研發(fā)的項目較少,仍與國外有較大差距。我國早期開發(fā)的海洋油氣田多在淺海地區(qū),對海洋壓裂設備的要求不高,而目前在役的海洋壓裂設備存在著機組配套不完善、單機水功率低、自動化程度低等問題。為此,江漢石油管理局第四機械廠與中石油海洋工程公司天津分公司合作,結(jié)合現(xiàn)場施工工藝要求,開發(fā)了2000型海洋壓裂橇組,并在天津塘沽進行了現(xiàn)場工業(yè)試驗。1技術(shù)分析1.1全球總體規(guī)劃和技術(shù)1.1.1混砂研磨法2000型海洋壓裂橇組是通過開發(fā)大功率壓裂泵橇、大排量的混砂橇和配酸橇而研發(fā)的,并通過網(wǎng)絡控制系統(tǒng)將機組所有設備集中控制,同時提供配套齊全的輔助設備,使整套機組既能滿足酸化作業(yè)要求,又能滿足壓裂作業(yè)要求。1.1.2最佳配方的確定最高工作壓力:80.6MPa(排量0.6m3/min);最大排量:2.3m3/min(對應壓力37MPa);SHS12型混砂橇最大排量:12m3/min(清水);混砂橇最大輸砂量:3.5m3/min;供酸橇最大排量:5m3/min;配酸橇最大排量:5m3/min;配酸橇液體添加劑排量:30～600L/min;配酸橇干粉添加劑排量:30L/min;砂罐容積:2×20m3;酸罐容積:8×30m3;前置液罐容積:30m3。1.2主要設備的設計和工作流1.2.1施工設備的要求目前,國內(nèi)酸壓施工主要包括酸化作業(yè)和壓裂(防砂)作業(yè),2種作業(yè)所需的設備有所不同,但主體設備相同。因此,可以將2種作業(yè)所需設備集成為一套機組,既可以進行酸化作業(yè),又滿足壓裂施工要求。經(jīng)過分析對比,不論是酸化作業(yè)還是壓裂作業(yè),所需要的設備包括3臺壓裂泵橇、1臺儀表橇、1套管匯橇、8臺酸罐橇和1臺前置液罐。另外,由于作業(yè)時設備擺放在船上,而施工時船體與平臺之間的相對位置是不固定的,必須采用高壓軟管將排出管匯與平臺上的井口連接。同時,在遇到緊急情況時,需將排出管匯與平臺迅速脫開,因此,必須配1套快速脫離裝置。除以上設備外,在進行酸化施工時,還需1臺配酸橇和1臺供酸橇;而進行壓裂作業(yè)時,則需配1臺混砂橇、1～2臺砂罐橇。1.2.2壓裂泵-資源重組冷卻系統(tǒng)的設計海洋酸壓作業(yè)的工作步驟是:首先在碼頭將所有設備吊到船上,并按照上述流程擺放,然后將船開到平臺附近,并通過高壓軟管將排出管匯與平臺上的井口連接。為方便吊裝,將壓裂泵橇設計成分體式模塊結(jié)構(gòu),每個模塊質(zhì)量控制在15t以內(nèi)。同時,由于海上吊裝極易造成設備之間的碰撞,所以所有設備的橇架采用框架結(jié)構(gòu),加裝防碰架,并在各角安裝集裝箱角件,頂部焊有吊耳,便于運輸和吊裝。海上吊裝時船體不?；蝿?且甲板不平整,導致2個模塊的定位非常不便,通過采用1個共用的底座,并在底座上設置7個定位導向裝置可解決此問題。吊裝時先將底座吊到甲板上,然后將2個模塊吊到底座上,通過底座上的導向裝置定位并固定,確保設備吊裝時定位方便、快捷。1.2.3系統(tǒng)的主要組成設備該橇采用CATC13/520hp發(fā)動機和雙環(huán)AM450分動箱提供動力,分別驅(qū)動吸入泵馬達、排出泵馬達、輸砂器馬達和攪拌馬達。發(fā)動機和分動箱橫向布置,便于液壓泵的安裝和維護,散熱系統(tǒng)采用集成臥式布置的散熱水箱,分別為發(fā)動機缸套、中冷器和液壓油提供冷卻水。橇架采用框架式結(jié)構(gòu),四周設有防碰架,底座帶接油裝置,并采用鍋底式結(jié)構(gòu),便于排水。為確保操作安全,從操作平臺到橇架頂部的梯子設置在內(nèi)部。輸砂器采用雙螺旋絞龍,整體式砂斗。控制系統(tǒng)為電腦全自動控制,包括混合罐液面自動控制系統(tǒng)、吸入泵排量自動控制系統(tǒng)、排出泵排量自動控制系統(tǒng)、螺旋輸砂器自動控制系統(tǒng)、干添和液添自動控制系統(tǒng)。橇上安裝有操作室,所有控制均集中在操作室內(nèi),其總體布置如圖1所示。1.2.4設備的布置及認證機組作業(yè)時包含設備較多(20臺以上),而甲板空間相對狹小,布置不合理會導致連接管線雜亂,操作維護不便。因此,采用三維設計,根據(jù)施工工藝流程要求,模擬各種設備在甲板上的布置和管線連接情況,使設備擺放合理,管線連接方便。圖2為壓裂作業(yè)平面布置圖。另外,設備作業(yè)時酸罐和前置液罐內(nèi)裝滿液體,相對其他各橇質(zhì)量較大,如果布置不合理,會造成船體傾斜。因此,通過計算各橇質(zhì)量,并合理分布,確保作業(yè)時船體前后、左右平衡。此外,由于部分設備較高且質(zhì)量較大,需考慮海上吊裝的安全性以及在遇到臺風時設備的穩(wěn)定性。為確保設備的本體安全,對所有吊點進行CCS(中國船級社)認證,并配備經(jīng)過認證的專用吊具。對于中心較高的砂罐橇和配酸橇,通過建立三維模型并計算驗證,確保設備在船體傾斜一定角度時不傾翻,抗風能力達到8級。同時,由于作業(yè)時是多臺設備協(xié)同工作,如果采用每臺設備單獨控制,容易在施工時出現(xiàn)混亂,所以將所有設備集中控制。采用現(xiàn)有成熟的壓裂機組網(wǎng)絡控制系統(tǒng),將壓裂橇、混砂橇及配酸橇的控制系統(tǒng)集中在儀表橇內(nèi),施工時,1～2人即可完成所有設備的控制。1.2.5避免在主海板碰撞在酸壓作業(yè)時,所有設備均擺放在船上,排出管匯通過高壓軟管與海洋平臺井口裝置連接,在遇到臺風等緊急情況時,需將連接作業(yè)船和海洋平臺的高壓管匯快速脫開,以便作業(yè)船能夠迅速離開,避免在海浪沖擊下撞到海洋平臺。因此,作業(yè)船必須加裝快速分離裝置?？焖俜蛛x裝置包括1個快速分離閥和1套液壓控制系統(tǒng),快速分離閥安裝在連接作業(yè)船和海洋平臺的管匯中,可通過遠程操作液壓控制系統(tǒng)上的開關使該閥分開。圖3為快速分離閥結(jié)構(gòu)示意圖。從圖可以看出,當液壓油從進油接頭進入油缸時,活塞克服回位彈簧彈力向左側(cè)移動,限位塊在彈簧預緊力的作用下向外張開,失去對下閥體的限位,即實現(xiàn)上、下閥體的脫開。當使用液壓系統(tǒng)脫開失效時,也可采用手動脫開螺栓使閥件脫開。由于指示器與活塞相連一起移動,可根據(jù)指示器的位置判斷2閥體是否分開。1.2.6ccs認證由于海洋施工的高危險性,機組設計時應從本體安全考慮,具體表現(xiàn)在:①所有設備的吊點進行整機質(zhì)量1.5倍吊重試驗,并進行CCS認證;②從設備的結(jié)構(gòu)考慮防腐,避免因結(jié)構(gòu)設計導致的材料內(nèi)部腐蝕,如在矩形管上鉆孔而內(nèi)部無法噴漆導致的腐蝕;③按照海洋設備防腐噴漆要求進行,所有碳鋼件噴環(huán)氧富鋅底漆,厚度40μm,環(huán)氧中層漆厚度140μm,聚氨酯面漆厚度60μm。2機組的主要特點2010年7月,2000型海洋壓裂橇組在天津塘沽進行現(xiàn)場工業(yè)試驗。4井次的酸化和壓裂施工作業(yè)表明,機組的設計滿足海洋酸化和壓裂施工工藝要求,達到了海洋施工作業(yè)安全和環(huán)保要求,并表現(xiàn)出如下優(yōu)點:(1)控制系統(tǒng)技術(shù)先進,工作可靠,軟件界面和操作模式非常人性化。(2)壓裂橇采用分體模塊式結(jié)構(gòu),并配有底座和連接裝置,拆裝方便。(3)混砂橇結(jié)構(gòu)緊湊,布置合理,采用全自動控制系統(tǒng),混合罐液面平穩(wěn)。3該礦的海洋