8000hp油田增產作業支持船的膠液系統設計與應用

陳婷婷　陳煥東　李家院

摘 要：本文結合8 000 hp油田增產作業支持船的詳細設計和實船建造，對比分析和優化膠液系統的設計原理，為今后的后續船或類似船型的膠液系統設計提供參考和借鑒。

關鍵詞：膠液系統；原理；設計；分析；優化

中圖分類號：U674.38 文獻標識碼：A

Abstract： This paper analyzes and optimizes the principle， design and construction of guar gum system for 8 000 hp oil field production increase & support vessel.

Key words： Guar gum system； Schematic design； Analysis； Optimization

1 引言

水力壓裂技術經過近半個世紀的發展，特別是自80年代末以來，在壓裂設計、壓裂液和添加劑、支撐劑、壓裂設備和監測儀器以及裂縫檢測等方面都獲得了迅速的發展，水力壓裂技術在縫搞控制技術、高滲層防砂壓裂、重復壓裂、深穿透壓裂以及大砂量多級壓裂等方面取得了新的突破，現在水力壓裂技術作為油水井增產增注的主要措施，已廣泛應用于低滲透油氣田的開發中。通過水力壓裂改善了井底附件的滲流條件，提高了油井產能，在美國有30%的原油產能是通過壓裂獲得的。國內低滲油田的產量和通過壓裂改造獲得的產量也在逐漸增加，特別是現在我國處于油田工業起步階段，對水力壓裂技術的廣泛應用和深入研究可望給石油工業注入新的活力，水力壓裂技術的實施和關鍵性技術的突破，將給石油工業帶來不可估量的前景。

本8 000 hp油田增產作業支持船選用的水力壓裂方法，主要是指也膠液（瓜爾膠）壓裂。膠液性能的好壞，將會直接影響到產油容量和質量。

2 膠液系統的設計

從混配膠液性能、攪拌、泵送、管路、洗艙等幾個方面，介紹膠液系統的設計。

2.1 混配膠液性能

壓裂過程中，要求瓜膠液具有高的攜帶支撐劑的能力、低的摩阻力及在不同的幾何空間、不同的流動狀態下優良的承受破壞的能力。能否達到這些性能，首要的工作在于對瓜膠液流變性能進行正確評價。瓜膠液性能的測試和評價是為配制和選用膠液提供依據，為壓裂設計提供參考。

壓裂液的性能一般是指耐溫耐剪切性、流變參數、粘彈性、靜態濾失、動態濾失、破膠性能、殘渣含量、降阻率等。不同混配比例的瓜膠液，其性能和用途均不一樣，瓜膠液比例越高，則其基液黏度越大，交聯比也越高，凍膠剛性強度越大，耐溫性能越好，適合于地層溫度更高的油井。由此，不同地層溫度決定了瓜膠液的不同濃度和配方，進而決定攪拌器、輸送泵設計參數。對于標題船，其主要作業于渤海灣油田，試驗人員根據該區域油田特點和相關性能試驗選配出合適的瓜膠液（密度1.1 t/m3、粘度1～150 cP（厘泊）、酸堿度PH13）。

2.2 膠液攪拌器

目前市面上的膠液攪拌器琳瑯滿目，按其驅動型式可分為電動式和液動式：

（1）電動攪拌器：其優點是在同一檔位具有高度的穩定和恒定的推力，電纜布置方便，價格相對便宜；而缺點是結構較復雜，對現場維護人員的技術要求相對較高，且電機運行會產生熱，如果調節太頻繁容易造成電機過熱，同時也會加大對減速齒輪的磨損；另外，電機動作不夠迅速，調速過程中常產生突變情況。

（2）液動攪拌器：除了成本高、需布置較多管路等缺點外，液動攪拌器具有電動攪拌器不可比擬的優點，其工作平穩、沖擊、振動和噪聲都較小，易于實現頻繁的啟動、無極調速，可實現低速大力矩傳動。

經過船東、設計院、船廠的多次討論，考慮到本船膠液艙為常溫艙室，膠液的攪拌需要平穩低速進行以保證其耐剪切性能、充分攪拌以保證其粘度均勻等要求，故把原來電動攪拌器方案修改為液動攪拌器方案，其布置方案如圖1所示。

從圖1可以看出，由于NO.1膠液艙（左/右）、NO.2膠液艙（左/右）艙長為8 400 mm，需設兩個攪拌器才能滿足瓜膠液粘度均勻的要求；而NO.1膠液艙（中）、NO.2膠液艙（中）、NO.3膠液艙（中）艙長為7 200 mm，設置一個攪拌器即可滿足要求。

2.3 膠液輸送泵

為了把膠液艙中的膠液輸送到主甲板面上的4個液罐（共為200 m3），設置了3臺膠液輸送泵（品牌為油田增產常用的MISSION泵）。每臺膠液輸送泵均為臥式離心泵，其流量和壓頭平穩，減少了對膠液性能的影響；每臺泵流量為150 m3，滿足兩臺泵即可把全部液罐注滿的要求；排出壓力為0.3 MPa，滿足泵艙至液罐之間的高度（10.2 m）要求。此外，該泵泵體和葉輪均采用鉻合金，泵軸為4140材質，具有抵抗膠液的強堿性腐蝕。

2.4 管路設計

本船業主要求膠液系統應實現以下三種工況：（1）作業前由海水基液泵向連續混配撬注入海水，由連續混配撬配制瓜膠液，配制好的瓜膠液注入到膠液艙，作業時直接從膠液艙供液至甲板上的4個液罐，再從液罐向混砂撬供液；（2）膠液艙存放過濾好的海水基液，作業時將海水供至連續混配撬，由連續混配撬配制瓜膠液直接向混砂撬供液；（ 3）邊配膠液邊對外供膠液，同時邊向供完液的空艙儲存海水基液（本工況實際應用較少，主要考慮用于復雜工況）。

針對于第（ 1 ）種工況，在設計時需要設置對外供海水基液管系、膠液注入管系、膠液輸出管系、海水基液對外輸送泵、瓜膠液對外輸送泵；針對于第（ 2 ）種工況，在設計時需要設置海水基液注入管系、海水基液注入泵、海水基液對外輸送泵；針對第（ 3 ）種工況，需同時設置海水基液注入管系和膠液注入管系，以及對外供膠液管系。

綜合上述三種工況，故需設計以下各種管系：

2.4.1 對外供基液海水管系、海水注入管系

這兩個管系可合二為一，在甲板面處斷開。如需進行對外供應作業，則在斷開處連接軟管至膠液罐，再通過連續混配撬等設備供應至所需部位；如需進行注入作業，則用軟管將斷開處連接。

海水基液流量按業主最大使用需求，即為240 m3/h。為提高可靠性，配置兩臺120 m3/h的海水基液輸送泵，如其中一臺泵出現故障可降半使用。該海水基液輸送泵從機艙海水總管吸水，吸入管處預留平臺海水接口，方便直接從平臺引入海水，提高整個注入系統的可靠性。考慮到介質為海水，其粘度低，根據最高流速要求，計算泵出口管徑為DN100，平臺海水接口處外供泵出口管徑為DN125，總管管徑為DN150，分配到7個膠液艙的注入管按最大流量考慮也設為DN150。考慮到海水腐蝕性，管系采用B檔加厚316L不銹鋼管。

2.4.2 膠液注入管系

連續混配撬或外部設備把混配好的膠液通過主甲板面上的CAMLOCK接口輸送至各膠液艙中，可多接口同時注入。由于瓜膠液粘度高達150 cSt，在按最大流量和最大允許流速計算得出的管徑基礎上再按一定系數放大，總管取DN300。一級支管分兩路，一路至左側膠液艙群（1#左艙、2#左艙及1#中艙），另一路至右側艙群（1#右艙、2#右艙及1#中艙、2#中艙），由于注入時只是單側艙群而非兩側同時注入，一級支管的管徑也取DN300。考慮到同一側的各艙可同時注入，故分配到同一側艙群的各個艙的支管取DN200。考慮到瓜膠液的高堿性（PH13），管子壁厚采用D檔加厚管。

2.4.3 對外供膠液管及基液海水管

考慮對外供膠液和海水這兩種工況不會同時發生，故這兩種管系可合二為一，設置一套即可。考慮單側艙群各個艙是逐一對外供應瓜膠液或基液海水，而非同時供應，故各艙的吸入管需滿足最大流量150 m3/h的要求。考慮到瓜膠液的高粘性，在按最大允許流速計算出的管徑基礎上還要按一定系數放大，取DN250。

膠液輸送泵設置3臺，一般情況下1#泵控制左側艙群，3#泵控制右側艙群，2#泵在單側艙群負荷加大時也投入使用，1#、2#、3#泵可互為備用。由于輸送介質的高粘性及高堿性，泵采用美國MISSON公司制造的離心泵。泵的出口管匯總然后分兩路接至甲板面左右舷的對外接口，這兩路管徑設置為DN200。考慮到瓜膠液的高堿性，全部管徑設置為D檔加厚管。

2.4.4 管系操控系統

整個管系的閥門和泵采用遙控集中操作，可在集控室和駕駛室兩地處遠程操作，并可在壓載控制臺液晶顯示面板上觀看系統的MIMIC圖，隨時了解本系統工作狀態，應急情況下可人工就地操作。

綜上所述，最終的膠液輸送系統如圖2所示：藍色為海水基液管、粉紅色為膠液注入管、紅色為對外膠液/基液海水輸送管。

2.4.5 液位傳感器

考慮到需測量膠液艙液位數據及測量的可靠性，每個膠液艙設置了兩個壓電式液位傳感器。由于膠液的強堿性，每個傳感器的本體及膜片均采用不銹鋼316L材質。傳感器可輸出4～20 mA的電流信號至系統PLC，用以顯示艙內介質高度數據。

2.5 膠液洗艙系統

鑒于業主對膠液系統不同工況的要求，膠液艙需具備裝載兩種介質的功能，即裝載海水基液或瓜膠液，故膠液艙還應設置洗艙功能。本船配置了膠液艙洗艙泵（12 m3/h；0.95 MPa），每艙設置一臺洗艙機（～12 m3/h；0.6～0.8 MPa），洗艙機可在此供水壓力及流量下達到有效洗艙射程，滿足有效洗艙面積大于80%的要求。工作時，洗艙泵組通過洗艙水艙吸入淡水，通過洗艙管路注入至洗艙機進行艙內清潔，考慮到瓜膠液的強腐蝕性，艙內的管路材質為不銹鋼管316L（Φ60×4）。洗艙污水由膠液艙底專用泵（5.5 m/h； 0.33 MPa）打回No.3 膠液艙（中）/兼污液艙儲存，也可直接排岸。

3 結束語

本船膠液系統原理經過船東、船廠、設計院多次討論和修改，不僅滿足了船東的使用要求，也從船廠建造的角度具有可行性、經濟性。此外，由于首次在船舶上投入此系統，對于其可靠性、實用性還需經調試、實際使用等檢驗，船廠也可總結設計和建造經驗并結合船東的使用效果在后續同類船上進行優化。

參考文獻

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