海洋压裂刀组的研制

海洋压裂刀组的研制

0海洋酸压装备集成技术与国外的差距随着我国海上气田开发的加强，海上酸压施工次数不断增加，对海洋酸压设备的技术标准提出了更高的要求。我国的压裂装备经过20多年的发展,已经达到国际上同等技术水平,但海洋酸压装备集成技术被国外垄断,自主研发的项目较少,仍与国外有较大差距。我国早期开发的海洋油气田多在浅海地区,对海洋压裂设备的要求不高,而目前在役的海洋压裂设备存在着机组配套不完善、单机水功率低、自动化程度低等问题。为此,江汉石油管理局第四机械厂与中石油海洋工程公司天津分公司合作,结合现场施工工艺要求,开发了2000型海洋压裂橇组,并在天津塘沽进行了现场工业试验。1技术分析1.1全球总体规划和技术1.1.1混砂研磨法2000型海洋压裂橇组是通过开发大功率压裂泵橇、大排量的混砂橇和配酸橇而研发的,并通过网络控制系统将机组所有设备集中控制,同时提供配套齐全的辅助设备,使整套机组既能满足酸化作业要求,又能满足压裂作业要求。1.1.2最佳配方的确定最高工作压力:80.6MPa(排量0.6m3/min);最大排量:2.3m3/min(对应压力37MPa);SHS12型混砂橇最大排量:12m3/min(清水);混砂橇最大输砂量:3.5m3/min;供酸橇最大排量:5m3/min;配酸橇最大排量:5m3/min;配酸橇液体添加剂排量:30～600L/min;配酸橇干粉添加剂排量:30L/min;砂罐容积:2×20m3;酸罐容积:8×30m3;前置液罐容积:30m3。1.2主要设备的设计和工作流1.2.1施工设备的要求目前,国内酸压施工主要包括酸化作业和压裂(防砂)作业,2种作业所需的设备有所不同,但主体设备相同。因此,可以将2种作业所需设备集成为一套机组,既可以进行酸化作业,又满足压裂施工要求。经过分析对比,不论是酸化作业还是压裂作业,所需要的设备包括3台压裂泵橇、1台仪表橇、1套管汇橇、8台酸罐橇和1台前置液罐。另外,由于作业时设备摆放在船上,而施工时船体与平台之间的相对位置是不固定的,必须采用高压软管将排出管汇与平台上的井口连接。同时,在遇到紧急情况时,需将排出管汇与平台迅速脱开,因此,必须配1套快速脱离装置。除以上设备外,在进行酸化施工时,还需1台配酸橇和1台供酸橇;而进行压裂作业时,则需配1台混砂橇、1～2台砂罐橇。1.2.2压裂泵-资源重组冷却系统的设计海洋酸压作业的工作步骤是:首先在码头将所有设备吊到船上,并按照上述流程摆放,然后将船开到平台附近,并通过高压软管将排出管汇与平台上的井口连接。为方便吊装,将压裂泵橇设计成分体式模块结构,每个模块质量控制在15t以内。同时,由于海上吊装极易造成设备之间的碰撞,所以所有设备的橇架采用框架结构,加装防碰架,并在各角安装集装箱角件,顶部焊有吊耳,便于运输和吊装。海上吊装时船体不停晃动,且甲板不平整,导致2个模块的定位非常不便,通过采用1个共用的底座,并在底座上设置7个定位导向装置可解决此问题。吊装时先将底座吊到甲板上,然后将2个模块吊到底座上,通过底座上的导向装置定位并固定,确保设备吊装时定位方便、快捷。1.2.3系统的主要组成设备该橇采用CATC13/520hp发动机和双环AM450分动箱提供动力,分别驱动吸入泵马达、排出泵马达、输砂器马达和搅拌马达。发动机和分动箱横向布置,便于液压泵的安装和维护,散热系统采用集成卧式布置的散热水箱,分别为发动机缸套、中冷器和液压油提供冷却水。橇架采用框架式结构,四周设有防碰架,底座带接油装置,并采用锅底式结构,便于排水。为确保操作安全,从操作平台到橇架顶部的梯子设置在内部。输砂器采用双螺旋绞龙,整体式砂斗。控制系统为电脑全自动控制,包括混合罐液面自动控制系统、吸入泵排量自动控制系统、排出泵排量自动控制系统、螺旋输砂器自动控制系统、干添和液添自动控制系统。橇上安装有操作室,所有控制均集中在操作室内,其总体布置如图1所示。1.2.4设备的布置及认证机组作业时包含设备较多(20台以上),而甲板空间相对狭小,布置不合理会导致连接管线杂乱,操作维护不便。因此,采用三维设计,根据施工工艺流程要求,模拟各种设备在甲板上的布置和管线连接情况,使设备摆放合理,管线连接方便。图2为压裂作业平面布置图。另外,设备作业时酸罐和前置液罐内装满液体,相对其他各橇质量较大,如果布置不合理,会造成船体倾斜。因此,通过计算各橇质量,并合理分布,确保作业时船体前后、左右平衡。此外,由于部分设备较高且质量较大,需考虑海上吊装的安全性以及在遇到台风时设备的稳定性。为确保设备的本体安全,对所有吊点进行CCS(中国船级社)认证,并配备经过认证的专用吊具。对于中心较高的砂罐橇和配酸橇,通过建立三维模型并计算验证,确保设备在船体倾斜一定角度时不倾翻,抗风能力达到8级。同时,由于作业时是多台设备协同工作,如果采用每台设备单独控制,容易在施工时出现混乱,所以将所有设备集中控制。采用现有成熟的压裂机组网络控制系统,将压裂橇、混砂橇及配酸橇的控制系统集中在仪表橇内,施工时,1～2人即可完成所有设备的控制。1.2.5避免在主海板碰撞在酸压作业时,所有设备均摆放在船上,排出管汇通过高压软管与海洋平台井口装置连接,在遇到台风等紧急情况时,需将连接作业船和海洋平台的高压管汇快速脱开,以便作业船能够迅速离开,避免在海浪冲击下撞到海洋平台。因此,作业船必须加装快速分离装置。快速分离装置包括1个快速分离阀和1套液压控制系统,快速分离阀安装在连接作业船和海洋平台的管汇中,可通过远程操作液压控制系统上的开关使该阀分开。图3为快速分离阀结构示意图。从图可以看出,当液压油从进油接头进入油缸时,活塞克服回位弹簧弹力向左侧移动,限位块在弹簧预紧力的作用下向外张开,失去对下阀体的限位,即实现上、下阀体的脱开。当使用液压系统脱开失效时,也可采用手动脱开螺栓使阀件脱开。由于指示器与活塞相连一起移动,可根据指示器的位置判断2阀体是否分开。1.2.6ccs认证由于海洋施工的高危险性,机组设计时应从本体安全考虑,具体表现在:①所有设备的吊点进行整机质量1.5倍吊重试验,并进行CCS认证;②从设备的结构考虑防腐,避免因结构设计导致的材料内部腐蚀,如在矩形管上钻孔而内部无法喷漆导致的腐蚀;③按照海洋设备防腐喷漆要求进行,所有碳钢件喷环氧富锌底漆,厚度40μm,环氧中层漆厚度140μm,聚氨酯面漆厚度60μm。2机组的主要特点2010年7月,2000型海洋压裂橇组在天津塘沽进行现场工业试验。4井次的酸化和压裂施工作业表明,机组的设计满足海洋酸化和压裂施工工艺要求,达到了海洋施工作业安全和环保要求,并表现出如下优点:(1)控制系统技术先进,工作可靠,软件界面和操作模式非常人性化。(2)压裂橇采用分体模块式结构,并配有底座和连接装置,拆装方便。(3)混砂橇结构紧凑,布置合理,采用全自动控制系统,混合罐液面平稳。3该矿的海洋