海洋壓裂刀組的研制

海洋壓裂刀組的研制

0海洋酸壓裝備集成技術(shù)與國(guó)外的差距隨著我國(guó)海上氣田開(kāi)發(fā)的加強(qiáng)，海上酸壓施工次數(shù)不斷增加，對(duì)海洋酸壓設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求。我國(guó)的壓裂裝備經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展,已經(jīng)達(dá)到國(guó)際上同等技術(shù)水平,但海洋酸壓裝備集成技術(shù)被國(guó)外壟斷,自主研發(fā)的項(xiàng)目較少,仍與國(guó)外有較大差距。我國(guó)早期開(kāi)發(fā)的海洋油氣田多在淺海地區(qū),對(duì)海洋壓裂設(shè)備的要求不高,而目前在役的海洋壓裂設(shè)備存在著機(jī)組配套不完善、單機(jī)水功率低、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題。為此,江漢石油管理局第四機(jī)械廠(chǎng)與中石油海洋工程公司天津分公司合作,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工工藝要求,開(kāi)發(fā)了2000型海洋壓裂橇組,并在天津塘沽進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)。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(guò)開(kāi)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(guò)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)將機(jī)組所有設(shè)備集中控制,同時(shí)提供配套齊全的輔助設(shè)備,使整套機(jī)組既能滿(mǎn)足酸化作業(yè)要求,又能滿(mǎn)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(duì)應(yīng)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(shè)備的設(shè)計(jì)和工作流1.2.1施工設(shè)備的要求目前,國(guó)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(shè)備有所不同,但主體設(shè)備相同。因此,可以將2種作業(yè)所需設(shè)備集成為一套機(jī)組,既可以進(jìn)行酸化作業(yè),又滿(mǎn)足壓裂施工要求。經(jīng)過(guò)分析對(duì)比,不論是酸化作業(yè)還是壓裂作業(yè),所需要的設(shè)備包括3臺(tái)壓裂泵橇、1臺(tái)儀表橇、1套管匯橇、8臺(tái)酸罐橇和1臺(tái)前置液罐。另外,由于作業(yè)時(shí)設(shè)備擺放在船上,而施工時(shí)船體與平臺(tái)之間的相對(duì)位置是不固定的,必須采用高壓軟管將排出管匯與平臺(tái)上的井口連接。同時(shí),在遇到緊急情況時(shí),需將排出管匯與平臺(tái)迅速脫開(kāi),因此,必須配1套快速脫離裝置。除以上設(shè)備外,在進(jìn)行酸化施工時(shí),還需1臺(tái)配酸橇和1臺(tái)供酸橇;而進(jìn)行壓裂作業(yè)時(shí),則需配1臺(tái)混砂橇、1～2臺(tái)砂罐橇。1.2.2壓裂泵-資源重組冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)海洋酸壓作業(yè)的工作步驟是:首先在碼頭將所有設(shè)備吊到船上,并按照上述流程擺放,然后將船開(kāi)到平臺(tái)附近,并通過(guò)高壓軟管將排出管匯與平臺(tái)上的井口連接。為方便吊裝,將壓裂泵橇設(shè)計(jì)成分體式模塊結(jié)構(gòu),每個(gè)模塊質(zhì)量控制在15t以?xún)?nèi)。同時(shí),由于海上吊裝極易造成設(shè)備之間的碰撞,所以所有設(shè)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(yùn)輸和吊裝。海上吊裝時(shí)船體不?；蝿?dòng),且甲板不平整,導(dǎo)致2個(gè)模塊的定位非常不便,通過(guò)采用1個(gè)共用的底座,并在底座上設(shè)置7個(gè)定位導(dǎo)向裝置可解決此問(wèn)題。吊裝時(shí)先將底座吊到甲板上,然后將2個(gè)模塊吊到底座上,通過(guò)底座上的導(dǎo)向裝置定位并固定,確保設(shè)備吊裝時(shí)定位方便、快捷。1.2.3系統(tǒng)的主要組成設(shè)備該橇采用CATC13/520hp發(fā)動(dòng)機(jī)和雙環(huán)AM450分動(dòng)箱提供動(dòng)力,分別驅(qū)動(dòng)吸入泵馬達(dá)、排出泵馬達(dá)、輸砂器馬達(dá)和攪拌馬達(dá)。發(fā)動(dòng)機(jī)和分動(dòng)箱橫向布置,便于液壓泵的安裝和維護(hù),散熱系統(tǒng)采用集成臥式布置的散熱水箱,分別為發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)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(tái)到橇架頂部的梯子設(shè)置在內(nèi)部。輸砂器采用雙螺旋絞龍,整體式砂斗?？刂葡到y(tǒng)為電腦全自動(dòng)控制,包括混合罐液面自動(dòng)控制系統(tǒng)、吸入泵排量自動(dòng)控制系統(tǒng)、排出泵排量自動(dòng)控制系統(tǒng)、螺旋輸砂器自動(dòng)控制系統(tǒng)、干添和液添自動(dòng)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(shè)備的布置及認(rèn)證機(jī)組作業(yè)時(shí)包含設(shè)備較多(20臺(tái)以上),而甲板空間相對(duì)狹小,布置不合理會(huì)導(dǎo)致連接管線(xiàn)雜亂,操作維護(hù)不便。因此,采用三維設(shè)計(jì),根據(jù)施工工藝流程要求,模擬各種設(shè)備在甲板上的布置和管線(xiàn)連接情況,使設(shè)備擺放合理,管線(xiàn)連接方便。圖2為壓裂作業(yè)平面布置圖。另外,設(shè)備作業(yè)時(shí)酸罐和前置液罐內(nèi)裝滿(mǎn)液體,相對(duì)其他各橇質(zhì)量較大,如果布置不合理,會(huì)造成船體傾斜。因此,通過(guò)計(jì)算各橇質(zhì)量,并合理分布,確保作業(yè)時(shí)船體前后、左右平衡。此外,由于部分設(shè)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(tái)風(fēng)時(shí)設(shè)備的穩(wěn)定性。為確保設(shè)備的本體安全,對(duì)所有吊點(diǎn)進(jìn)行CCS(中國(guó)船級(jí)社)認(rèn)證,并配備經(jīng)過(guò)認(rèn)證的專(zhuān)用吊具。對(duì)于中心較高的砂罐橇和配酸橇,通過(guò)建立三維模型并計(jì)算驗(yàn)證,確保設(shè)備在船體傾斜一定角度時(shí)不傾翻,抗風(fēng)能力達(dá)到8級(jí)。同時(shí),由于作業(yè)時(shí)是多臺(tái)設(shè)備協(xié)同工作,如果采用每臺(tái)設(shè)備單獨(dú)控制,容易在施工時(shí)出現(xiàn)混亂,所以將所有設(shè)備集中控制。采用現(xiàn)有成熟的壓裂機(jī)組網(wǎng)絡(luò)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(shí),1～2人即可完成所有設(shè)備的控制。1.2.5避免在主海板碰撞在酸壓作業(yè)時(shí),所有設(shè)備均擺放在船上,排出管匯通過(guò)高壓軟管與海洋平臺(tái)井口裝置連接,在遇到臺(tái)風(fēng)等緊急情況時(shí),需將連接作業(yè)船和海洋平臺(tái)的高壓管匯快速脫開(kāi),以便作業(yè)船能夠迅速離開(kāi),避免在海浪沖擊下撞到海洋平臺(tái)。因此,作業(yè)船必須加裝快速分離裝置。快速分離裝置包括1個(gè)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(tái)的管匯中,可通過(guò)遠(yuǎn)程操作液壓控制系統(tǒng)上的開(kāi)關(guān)使該閥分開(kāi)。圖3為快速分離閥結(jié)構(gòu)示意圖。從圖可以看出,當(dāng)液壓油從進(jìn)油接頭進(jìn)入油缸時(shí),活塞克服回位彈簧彈力向左側(cè)移動(dòng),限位塊在彈簧預(yù)緊力的作用下向外張開(kāi),失去對(duì)下閥體的限位,即實(shí)現(xiàn)上、下閥體的脫開(kāi)。當(dāng)使用液壓系統(tǒng)脫開(kāi)失效時(shí),也可采用手動(dòng)脫開(kāi)螺栓使閥件脫開(kāi)。由于指示器與活塞相連一起移動(dòng),可根據(jù)指示器的位置判斷2閥體是否分開(kāi)。1.2.6ccs認(rèn)證由于海洋施工的高危險(xiǎn)性,機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從本體安全考慮,具體表現(xiàn)在:①所有設(shè)備的吊點(diǎn)進(jìn)行整機(jī)質(zhì)量1.5倍吊重試驗(yàn),并進(jìn)行CCS認(rèn)證;②從設(shè)備的結(jié)構(gòu)考慮防腐,避免因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致的材料內(nèi)部腐蝕,如在矩形管上鉆孔而內(nèi)部無(wú)法噴漆導(dǎo)致的腐蝕;③按照海洋設(shè)備防腐噴漆要求進(jìn)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(jī)組的主要特點(diǎn)2010年7月,2000型海洋壓裂橇組在天津塘沽進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)。4井次的酸化和壓裂施工作業(yè)表明,機(jī)組的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足海洋酸化和壓裂施工工藝要求,達(dá)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(diǎn):(1)控制系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn),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(dòng)控制系統(tǒng),混合罐液面平穩(wěn)。3該礦的海洋