我國首艘6 000 kW海洋油田增產船的設計與應用

常雙利

(中海油田服務股份有限公司 天津 300452)

我國首艘6 000 kW海洋油田增產船的設計與應用

常雙利

(中海油田服務股份有限公司 天津 300452)

根據海上油田增產作業的實際需求，自行設計并建造了具備自主知識產權的我國首艘6 000 kW海洋油田增產船，在船型總體設計、增產設備選型、增產設備穩性計算、增產液艙及供液接口設計、增產流程控制等方面取得了創新突破，實現了不占用海上平臺面積、不需改造平臺甲板的目標，避免了吊裝擺放增產設備和交叉作業，提供了較以往更經濟快速、質量更穩定的油田增產服務模式，極大降低了平臺作業風險。曹妃甸11-1油田現場應用表明，該增產船增產設備可最大限度地提高油藏采收率，能高效開發邊際油田，提升油田開發效益，降低作業綜合費用。

6 000 kW海洋油田增產船；船型總體設計；增產設備選型；增產設備穩性計算；增產液艙及供液接口設計；增產流程控制；曹妃甸11-1油田

在海洋低滲透油田儲量改造和綜合開發中，酸化、壓裂作業是一項技術成熟、效果明顯的重要增產措施[1]，但在海上平臺作業時需要大面積承載甲板，以適應增產設備的頻繁吊裝與布局。海洋油田增產船配置專業的壓裂和酸化設備，具備海上壓裂和酸化防砂功能，可自航并靠泊定位于海上油田，一次出海能夠完成2口井以上的水力壓裂防砂或1口井的酸化壓裂作業，可降低海上油井綜合開發成本，在海洋油田應用前景廣闊。但在增產船設計及專業設備配套領域，國外大型油田服務公司對中國實施了技術壟斷和嚴密封鎖，中海油田服務股份有限公司通過收集、調研、跟蹤、對比國外不同類型的油田增產船作業信息，借鑒國際行業的有限經驗[2]并據實際作業需求，經過綜合論證，自行設計并建造了我國首艘具備自主知識產權的6 000 kW油田增產船，船上主機及增產連續混配等主要設備均實現了國產化，打破了國外壟斷的技術壁壘，填補了國內空白，現已投入運營應用。本文重點闡述國內首艘6 000 kW海洋油田增產船設計、生產流程及現場應用效果。

1 油田增產船設計

6 000 kW海洋油田增產船的設計目標是能夠滿足各種不同增產作業需求，如大型壓裂、防砂、酸化、氮氣等作業；船艙裝置要有增產設備、散料、液體添加劑的儲存與輸送設施[3]；船體要適用于無限航區，能夠通過壓裂和酸化等措施增加海上油氣井產量。

1.1 船型總體設計

如圖1所示，該油田增產船設計有一層連續主甲板，主甲板上設置2層艏樓、2層船員居住甲板室及駕駛室，主甲板之下設置機械甲板和雙層底；船機艙位于船舶首部，推進器艙位于船舶尾部。該油田增產船為全焊接鋼質混合骨架式，船前體帶有球鼻首，可增加船體效率；后體水下部分設計時考慮了給螺旋槳提供較好的來流，上甲板為增產作業區。該油田增產船配有4臺主發電機和2個全回轉舵槳，在船首設有2套隧道式側推裝置，航行控制為全回轉式主電力推進，滿足AUT-0、動力定位DP-2整體所要求的FMEA(故障模式和失效影響分析)[4]。

圖1 6 000 kW海洋油田增產船體外觀示意圖

增產船設計主尺度為總長81.15 m、垂線間長70.80 m、型寬18.00 m、型深7.40 m、最大吃水5.8 m，燃油艙560.0 m3、壓裂泵柴油艙36.9 m3、淡水艙360.0 m3、膠液艙710.0 m3、酸液罐200.0 m3，可存儲pH值為1～13范圍內的酸堿液體[5]，上甲板區面積645 m2、負荷5 t/m2，2臺吊車覆蓋作業區域，設有15 m2恒溫材料房,船體總功率6 000 kW、總噸位3 300 t、最大載重量2 810 t，設計航速(T=5 m)≥14.0 kn(25.9 km/h)、續航6 000 nmile(9 654 km)、自持能力30 d，能夠滿足37人的生活及安全配套要求。

1.2 增產設備選型

增產船增產設備總體要滿足重心低，選型時參照經驗公式計算出壓裂泵總功率12 200馬力，實際配置為：6臺單泵2 000馬力、最大排量1.92 m3/min、壓力100 MPa的FS2250壓裂泵，1臺最大排量9.53 m3/min的混砂橇，1套ES-22ACD的數據采集房，4套25 m3砂罐與1套水平輸砂系統，4套50 m3酸液罐，2套12 m3藥劑罐，1套胍膠存儲箱，1套容量60 m3、承壓100 MPa的CONFLEX高壓軟管滾筒(帶液壓快速脫離裝置)，如圖2所示。

圖2 6 000 kW海洋油田增產船增產設備三維示意圖

1.3 增產設備穩性計算

增產船各設備配置足夠強度和剛度的全焊接底座，部分增產設備采用箱腳方式固定，酸化壓裂設備按照入級規范要求進行靜載荷、動載荷和船檢規定的許用應力模型校驗并局部加強。分別從船舶絕對運動和加速度以及船舶相對運動和加速度出發，按照中國船級社“鋼質海船入級規范”相關要求[4]進行了穩性計算。

增產船壓裂泵組位于船尾及右船舷側，屬最惡劣的邊緣布置，4個底角固定，以此作為典型工況并依據壓裂泵組底座工況及布置位置，結合箱系的橫向、縱向、垂向加速度，分析每一底角處的合力并計算受力大小，結果表明：每個扭鎖受到的最大垂向拉力為4.581 kN，最大合成剪力為109.61kN；標準集裝箱扭鎖的最小破斷載荷為拉伸力500 kN、剪切力420 kN，安全系數遠大于中國船級社規范至少2倍的要求；而壓裂泵組距船舶橫搖和縱搖中心軸最遠，受到的加速度和作用力為最大，因此增產設備總體固定穩性滿足要求。

1.4 增產液艙及供液接口設計

增產船增產液艙膠液艙容積710 m3，按照原液和混合液隔艙；甲板酸液罐區域圍堰內外涂有耐鹽酸腐蝕涂層，各增產液艙接頭處設防濺板和耐鹽酸腐蝕材料收集盤，配足呼吸防毒面具和眼睛沖洗裝置[6]，如圖3所示。

圖3 6 000 kW海洋油田增產船增產液艙示意圖

增產船的液劑分別存儲在上下甲板內。增產作業所需壓裂液為瓜膠液(膠液)，儲存在主甲板膠液艙內，有膠液泵3臺(流量150 m3/h，揚程0.3 MPa)；作業所需酸化液為稀鹽酸，儲存在上甲板液罐中；作業所需陶粒支撐劑儲存在上甲板罐內，與混砂橇之間配置有輸送系統；海水從船上甲板舷邊排出口供給到海水過濾器，過濾器海水接口供給到膠液艙入口；上甲板作業液罐連接到膠液艙出口，水合罐供給到膠液艙膠液入口[7]。此外，為保證增產作業的連續有效，在艙內還配置有對外供油泵1臺(流量120 m3/h，揚程1.0 MPa)、專用供油泵1臺(流量10 m3/h，揚程0.3 MPa)、對外供淡水泵1臺(流量100 m3/h，揚程1.0 MPa)以及對外供鉆井/壓載水泵1臺(流量150 m3/h，揚程1.0 MPa)。

1.5 增產流程控制

增產船增產液艙每個膠液泵和海水泵本地均設有啟停控制，上甲板液罐及海水過濾器旁邊也設有遠程啟停和緊急聯停，在數據采集房集成控制各膠液泵和海水泵啟停和緊急聯停，其顯示屏顯示各膠液艙和甲板各液罐液位，并具備高低液位報警(涵蓋甲板液罐液位)、火災報警、電話通訊等系統。

綜上所述，6 000 kW海洋油田增產船具有以下特點：

1) 船舶操控安全。增產船采用變頻電機驅動的全回轉定距舵槳裝置，船舶DP-2操縱極為靈活，靠平臺作業穩定性好、動力配置冗余度高，滿足高風險作業性質的要求。此外，船與海上生產平臺之間設有管線快速脫手、設備緊急關斷裝置，酸化、壓裂作業時操縱臺及甲板設有泵組應急停止按扭，一旦管線破裂或接頭泄露即能馬上停止輸送，確保整體環境安全。

2) 增產經濟實用。增產船能覆蓋深水區域的國內外油田作業海域，增產設備操控安全且滿足環保規范要求，最大限度提高油藏采收率，能高效開發邊際油田，提升油田開發效益，作業綜合費用較低，有效降低桶油成本，因此符合作業覆蓋面廣闊、經濟實用的原則。

3) 綜合多項功能。增產船實現了不占用海上平臺面積、不須改造平臺甲板的目標，避免了吊裝擺放增產設備和交叉作業，提供了較以往更經濟快速、質量更穩定的油田增產服務模式，極大降低了平臺作業風險。另外，增產船可自行穿梭于油田群之間，還可以搭載連續油管、氮氣設備等，減少了影響正常作業的時間，降低了綜合增產作業的費用，使海上增產業務得以普遍開展。

2 增產船生產流程

6 000 kW海洋油田增產船具備船舶定位和抗風浪能力，出海一次能夠進行至少2口井的水力壓裂或1口井的酸化壓裂作業，實現海上大規模壓裂增產作業，克服了海上平臺空間狹窄難題，而且增產船作業時不需停泵，在數據采集控制機房可以實時監控液體體系和配方施工質量。增產船生產流程包括靠泊生產平臺、作業連接準備、增產作業操作等。

2.1 靠泊生產平臺

增產船在靠、離海上生產平臺作業時，結合天氣、海況因素采用4臺發電機組并車工作。船就位滿足風6級、海流1.5節海況，DP推進器連續定位24 h，船尾水平位移小于5 m，滿足與平臺管線懸掛器的位置相匹配，也可視情況選擇帶纜。作業期間，船舶搖擺縱向<15°，橫向<22°，滿足專業設備運行要求；DP-2動力定位，若一臺首側推故障，可適當調整船首向，滿足繼續作業的能力。

2.2 作業連接準備

增產船船尾的高壓軟管滾筒管線掛接到海上平臺舷側懸掛器，再連通到井口高壓管口，若有配液需求，則可將海上平臺的反供液低壓管線連通到增產船液艙接口。調試船尾液壓快速脫離裝置解鎖、鎖定，在快速脫離裝置出口處連接旋塞閥，并進行系統試壓(35 MPa)。另外，在增產泵送主管線上安裝機械式安全閥和設置電子式壓力監測傳感器，對關鍵設備增加失效應急切換模式。

2.3 增產作業操作

以增產船壓裂作業為例介紹增產作業流程，增產作業流程如圖4所示。

1) 膠液艙過濾海水輸送到上甲板海水緩沖罐，供給到連續混配主橇，再混合各類藥劑(胍膠粉、堿液、添加劑等)；

2) 混合液輸送到水合罐配比，再輸存到膠液緩沖罐，供給到混砂橇后與固相攪混；

3) 由甲板吊機吊送增產交聯劑和陶粒支撐劑添加到混砂橇，配混后的增產液輸送到壓裂泵入口；

4) 由數據采集房集成控制壓裂泵泵送的高壓增產液流經船尾高壓軟管滾筒及快速脫離裝置；

5) 高壓增產液跨海輸送到平臺井內作業管串；

6) 返排液到平臺生產流程處理，壓裂增產作業結束。

圖4 6 000 kW海洋油田增產船壓裂增產作業流程示意圖

3 現場應用

6 000 kW海洋油田增產船在曹妃甸11-1油田完成了多口完井防砂作業。該增產船在現場就位連接后，先給井內頂部封隔器打壓，穩壓10 min座封；再打壓環空驗封，接著打壓打破破裂盤；最后給鉆桿內打壓脫手，循環測試管線聯通狀態，核算液體漏失及循環摩阻。泵注攜砂液及陶粒到篩管與裸眼的環空內，前置液定時取樣，檢查液體成膠情況，全程監控液體性能。泵注過程中定時監控取樣攜砂液的質量分數，按設計調整加砂速度。防砂壓裂結束后，按作業設計記錄壓降，將井口套管平衡壓力卸為0，關閉套管閥門。

CFD11-1A78H1井增產作業設計砂量為9 590 kg，施工排量1 m3/min，平均泵壓4.3 MPa，實際充填砂量9 592 kg(泵入10 457 kg，返出864 kg)，施工充填效率100%，取得成功。

現場施工結束關井60 min后，利用井口油嘴控制放噴排液，放噴管線接入海上平臺閉排系統，觀察放噴壓力變化。放噴初期用3 mm油嘴排液，根據壓力變化，逐漸放大油嘴放噴，排完壓裂液(返排率達80%以上)，并準確計量排出液量[8]。增產船設施復原駛離平臺，增產作業結束。

通過該項增產措施，初步預估采收率將提高1.5倍以上。相比較以往占用海上采油平臺的增產施工，增產船整體作業時效提高近1倍，綜合成本降低近30%左右。

4 結束語

根據海洋油田增產作業的實際需求，縱觀全球油田增產船技術及規范進程，深入分析國際油田增產船動態及配套應用，設計制造了國內首艘6 000 kW海洋油田增產船，并成功實施了海上多口生產井的增產作業，填補了國內空白，提升了我國海洋石油生產大型裝備能力，實現了為海洋油田開發增產提供優質高效服務，同時也為進入國外市場、參與國際競爭奠定了堅實的裝備基礎。

[1] 國家發展和改革委員會.SY 5289-2008 油、氣、水井壓裂設計與施工及效果評估方法[S].北京：石油工業出版社，2008.

[2] 江懷友，李治平，盧穎，等.世界海洋油氣酸化壓裂技術現狀與展望[J].中外能源，2009,14(11)：45-49.

Jiang Huaiyou, Li Zhiping, Lu Ying, et al.Current situation and outlook of offshore acidizing and fracturing techniques over the world[J].Sino-Global Energy, 2009,14(11)：45-49.

[3] 中國船級社.油井激活劑(增產劑)船指南[S].北京：人民交通出版社，2013.

[4] 中國船級社.鋼質海船入級規范[S].北京：人民交通出版社,2012.

[5] 孫小江.最新特種用途船安全規則對分艙設計的影響分析[J].船舶與海洋工程，2014(2)：58-61,78.

[6] SOLAS國際海事組織.國際防止船舶造成污染公約[S].1974.

[7] 采油采氣專業標準化委員會.SY/T 5107-2005水基壓裂液性能評價方法[S].北京：石油工業出版社，2005.

[8] 油氣田開發專業標準化委員會，SY/T 5579.1-2008油藏描述方法 第1部分：總則[S].北京：石油工業出版社，2008.

(編輯：葉秋敏)

Design and application of China’s first 6 000 kW offshore oilfield stimulation vessel

Chang Shuangli

(ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin300452,China)

According to the practical requirements of offshore stimulation operations, the first 6 000 kW offshore oilfield stimulation vessel with independent IPR was designed and constructed, with innovations in the overall configuration, selection of stimulation equipment, equipment stability calculations, stimulating fluid tank interface, and stimulation process control. The goals of no occupying any space on the offshore platform, as well as no transformation of the platform deck were achieved. Both equipment lifting and cross-operation were avoided, resulting in quicker and steadier oilfield stimulation service mode, and more importantly, significantly reducing operational risks. The application in CFD 11-1 oilfield shows that the stimulation vessel can maximize oil recovery, efficiently develop marginal fields, enhance development efficiency, and reduce overall operation cost.

6 000 kW offshore oilfield stimulation vessel; overall vessel design; stimulation equipment selection; stimulation equipment stability calculation; design of stimulating fluid tank and supply interface; stimulation process control; CFD 11-1 oilfield

常雙利，男，工程師，工學學士，現從事油田生產裝備管理工作。地址：天津市濱海新區海洋高新區中海油服產業園油田生產事業部辦公室325室(郵編：300450)。E-mail：changshl@cosl.com.cn。

1673-1506(2016)04-0120-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.04.019

U662

A

2015-10-28 改回日期：2015-12-09

常雙利.我國首艘6 000 kW海洋油田增產船的設計與應用[J].中國海上油氣，2016,28(4)：120-124.

Chang Shuangli.Design and application of China’s first 6 000 kW offshore oilfield stimulation vessel[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(4):120-124.