一種增能吞吐裝備

陶桂紅，張 衡，關(guān) 慶，黃建喜，劉 健

（1.中國石油渤海石油裝備研究院，天津 300280；2.中國石油渤海石油裝備鉆井裝備公司，天津 300280）

0 引言

油田開發(fā)進(jìn)入中后期，老區(qū)塊儲層虧空嚴(yán)重，儲層物性差、油井低能生產(chǎn)。尤其針對低孔低滲開發(fā)區(qū)塊，普遍存在壓力高、注不進(jìn)、采不出、動用程度低、生產(chǎn)成本高的現(xiàn)象。常規(guī)的注水補(bǔ)充能量已無法滿足“補(bǔ)能、增油”的動態(tài)開采要求，開采井產(chǎn)量遞減快，難以長期穩(wěn)定生產(chǎn)[1]。常規(guī)壓裂技術(shù)、酸化技術(shù)等改造技術(shù)只能改善地層滲透性，不能補(bǔ)充地層能量，不適用于這類井的治理。采用體積壓裂等大型設(shè)施來提高采收率，工藝費(fèi)用高昂，難以大規(guī)模推廣[2]。近年來，國內(nèi)油田借鑒頁巖氣開采經(jīng)驗，參考行業(yè)內(nèi)相似補(bǔ)充儲層能量的方案，探索增能吞吐采油工藝技術(shù)，通過向儲層進(jìn)行超高壓、大排量增強(qiáng)注水，有效恢復(fù)地層能量，產(chǎn)生和溝通微裂縫，延展開采面積，重構(gòu)區(qū)塊注采井網(wǎng)，解決注不進(jìn)、采不出的矛盾，破解低孔低滲油藏注水難題。同時，利用高效驅(qū)油劑的驅(qū)替和置換作用來挖潛剩余油，提高儲層的動用程度[3-4]。

目前多采用壓裂車組進(jìn)行施工作業(yè)，2000 型、2500 型壓裂車組屬于超限運(yùn)輸工程車輛，制造成本高，道路通過性較差，井場布置困難。同時增能吞吐作業(yè)周期長，降低了車輛底盤的使用率，增加了運(yùn)維成本。壓裂泵車采用輕量化集成設(shè)計，發(fā)動機(jī)、變矩器、柱塞泵不能長時間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，臺上設(shè)備安裝緊湊維修操作空間小。在降本增效的新形勢要求下，針對增能吞吐采油工藝技術(shù)特點(diǎn)，需要開發(fā)一種大功率、大排量、高壓力、連續(xù)作業(yè)、道路通過性強(qiáng)的專用設(shè)備，降低設(shè)備生產(chǎn)成本和使用成本，且要求設(shè)備維護(hù)方便，操作簡單，工作穩(wěn)定。

1 增能吞吐裝備總體結(jié)構(gòu)及工作原理

增能吞吐裝備主要由動力撬和泵撬組成，動力撬主要由發(fā)動機(jī)（帶水箱）、變矩器組成，泵撬主要由傳動軸、控制系統(tǒng)、柱塞泵、冷卻潤滑系統(tǒng)組成（圖1）。現(xiàn)場組裝時利用限位連接裝置將動力撬與泵撬組裝成一體，傳動軸通過快速連接盤將變矩器輸出端與泵輸入端進(jìn)行連接。

圖1 增能吞吐裝備

發(fā)動機(jī)飛輪盤與變矩器輸入法蘭相連，發(fā)動機(jī)啟動后，調(diào)整變矩器擋位，實現(xiàn)改變輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，通過聯(lián)軸器驅(qū)動柱塞泵工作，柱塞泵柱塞往復(fù)運(yùn)動實現(xiàn)液體的吸入和排出。發(fā)動機(jī)取力口和變矩器取力口為冷卻潤滑系統(tǒng)中的油泵提供動力，控制系統(tǒng)完成各設(shè)備間的協(xié)調(diào)，控制裝備實現(xiàn)排量和壓力的調(diào)整。

2 主要技術(shù)優(yōu)勢

增能吞吐裝備針對大功率連續(xù)作業(yè)要求設(shè)計，發(fā)動機(jī)可24 h不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，柱塞泵針對高壓大排量、長壽命等需求做出優(yōu)化。設(shè)備參數(shù)實時采集分析，自動控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和變矩器擋位，能夠最大程度利用發(fā)動機(jī)輸出功率，并可實現(xiàn)裝備狀態(tài)記錄及自動預(yù)警、報警提示，分體撬裝減少運(yùn)輸尺寸，滿足山區(qū)丘陵地帶設(shè)備運(yùn)輸要求。

2.1 動力配置

增能吞吐裝備采用礦用柴油發(fā)動機(jī)作為動力源，作業(yè)時發(fā)動機(jī)工作在80%以上功率區(qū)間，供油及散熱可滿足不間斷作業(yè)需求。采用變矩器實現(xiàn)大扭矩平穩(wěn)輸出，其啟動扭矩大，抗沖擊能力強(qiáng)，易于調(diào)整速比。相較于壓裂泵車動力源，具有更大的裝機(jī)功率和更長的連續(xù)作業(yè)能力。

2.2 柱塞泵優(yōu)化

柱塞泵的結(jié)構(gòu)主要由動力端（主要負(fù)責(zé)動力的傳遞）及柱塞泵液力端（液體過流通道）組成，由于增能吞吐裝備機(jī)組功率較大，動力端通常采用齒輪傳動方式。目前主要矛盾集中在高負(fù)載下連續(xù)不間斷作業(yè)時提高動力端的運(yùn)行可靠性及穩(wěn)定性，故需對動力端的齒輪傳動副及主動軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，依據(jù)載荷參數(shù)優(yōu)化齒輪組設(shè)計參數(shù)，從而提高嚙合穩(wěn)定性和強(qiáng)度。通過優(yōu)選齒輪副、主動軸材料，依靠熱處理工藝改善齒面及齒芯硬度，從而延長齒輪組、主動軸使用壽命，提高動力端傳動穩(wěn)定性。

液力端主體泵頭（閥箱）采用高強(qiáng)度鍛鋼制造，優(yōu)化其流道結(jié)構(gòu)并進(jìn)行自增強(qiáng)處理，可有效隔離高壓工作腔與低壓工作腔，避免了因高壓交變應(yīng)力產(chǎn)生的泵頭應(yīng)力集中開裂現(xiàn)象。通過優(yōu)選柱塞基體材料及強(qiáng)化表面處理工藝，提升了柱塞的耐腐蝕性和耐磨性，同時提升了基體與表面合金的結(jié)合力，防止高壓水對柱塞表面交變沖擊造成的表皮剝落。閥組采用水平直通組合錐閥結(jié)構(gòu)，有效避免了固相顆粒在液流密封面的滯留，從而保證了閥組的正常開啟，通過熱處理提高了其表面硬度，提高了抗磨礪磨損的能力，從而減少了停機(jī)維修時間，有效延長了液力端使用壽命達(dá)1000 h 以上。

2.3 潤滑散熱系統(tǒng)優(yōu)化

柱塞泵是高功率設(shè)備，系統(tǒng)采用主動方式強(qiáng)制對設(shè)備進(jìn)行潤滑和散熱，保障設(shè)備高溫長期作業(yè)。設(shè)備工作環(huán)境溫度變化大，需適應(yīng)-20～45 ℃。通過調(diào)整各種潤滑和散熱泵的排量，實現(xiàn)動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、柱塞泵系統(tǒng)內(nèi)潤滑油維持在75～80 ℃，確保油品性能穩(wěn)定，實現(xiàn)連續(xù)高功率運(yùn)轉(zhuǎn)。同時針對高寒環(huán)境作業(yè)，配備了加熱保溫套件，解決設(shè)備低溫啟動時油液溫度過低、黏度過大的問題。潤滑油吸油管路、回油管路增加過濾裝置，確保潤滑油潔凈度符合工作要求。潤滑油溫度、液位實時檢測，根據(jù)預(yù)定參數(shù)設(shè)定報警，解決了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時潤滑散熱系統(tǒng)的穩(wěn)定工作問題。

2.4 控制系統(tǒng)

控制開關(guān)、按鈕、儀表集成安裝于控制臺，配有遠(yuǎn)程控制接口，可實現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程控制。采用工業(yè)以太網(wǎng)控制，網(wǎng)絡(luò)中任何一臺控制終端都可以對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和變矩器擋位進(jìn)行調(diào)整，可以實現(xiàn)多臺并機(jī)控制，實時顯示作業(yè)狀態(tài)參數(shù)。控制程序采用閉環(huán)控制，實時采集發(fā)動機(jī)、變矩器、柱塞泵、輸出流量及壓力、潤滑、散熱系統(tǒng)參數(shù)信息，通過預(yù)定程序判斷執(zhí)行，自動完成各設(shè)備間的協(xié)調(diào)控制。同時依托渤海裝備公司開發(fā)的柱塞泵運(yùn)行智能診斷控制系統(tǒng)，進(jìn)行在線實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、分析、故障預(yù)警、診斷等。通過系統(tǒng)反饋結(jié)果，可把故障信息、處置建議、維修方案，以圖形、文字、視頻的等方式發(fā)送至各維護(hù)人員，指導(dǎo)維護(hù)人員進(jìn)行正確的保養(yǎng)和維護(hù)。

2.5 撬裝框架

動力撬和泵撬使用型鋼拼焊而成，框架角處使用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱角件，撬體運(yùn)輸時可與運(yùn)輸車輛使用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱轉(zhuǎn)鎖進(jìn)行可靠連接。同時撬體尺寸采用20GP 標(biāo)準(zhǔn)集裝箱尺寸，單撬總重小于20 t，遠(yuǎn)距離公路運(yùn)輸時，可用集裝箱專用運(yùn)輸車輛，避免了超限運(yùn)輸。在山區(qū)丘陵地區(qū)非鋪裝路段運(yùn)輸時，可用短軸車輛進(jìn)行單體運(yùn)輸。作業(yè)現(xiàn)場具備吊裝條件，不會增加額外吊裝費(fèi)用。撬架組裝時利用限位楔塊快速準(zhǔn)確進(jìn)行連接，線纜、接管使用對插快速接頭進(jìn)行快速連接。相比壓裂車組，撬體可用安裝空間大，維修空間合理，能實現(xiàn)更大功率設(shè)備的安裝，且不屬于超限運(yùn)輸，道路通過性好。由于單機(jī)裝機(jī)功率大，相同作業(yè)要求下可降低機(jī)組配套數(shù)量，減少井場布置空間。撬裝形式減少了對車輛的長期占用，節(jié)約了投資成本和車輛養(yǎng)護(hù)成本。

3 案例

國內(nèi)某油田利用壓裂車組對目標(biāo)井組進(jìn)行作業(yè)，輸送介質(zhì)為清水，作業(yè)采用連續(xù)工作制，注入壓力50～60 MPa，日注入量4500 m3以上。此次作業(yè)采用2250 型泵車5 臺、1800 型泵車5臺輪換作業(yè)，目標(biāo)單井作業(yè)9 d，累計注入40 542 m3[1]。但因壓裂泵車柴油機(jī)工作特性及壓裂泵結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致壓裂泵車無法連續(xù)運(yùn)行，此次作業(yè)壓裂泵車采取運(yùn)行2 h、停注2 h 的工作方式，多臺壓裂泵車輪換作業(yè)，確保增能吞吐工藝要求執(zhí)行。在此作業(yè)周期中液力端平均使用壽命600 h。

增能吞吐裝備最高工作壓力60 MPa，最大排量2000 m3/d，額定輸出功率2500 hp（1864 kW），可連續(xù)24 h 不間斷作業(yè)。實施注入壓力50～60 MPa，日注入量4500 m3以上作業(yè)，應(yīng)用4臺機(jī)組（用3 備1）進(jìn)行施工，可實現(xiàn)注入量6000 m3/d，可以無故障完成一個作業(yè)周期。對比壓裂車組施工方案，設(shè)備不用頻繁更替啟停，減少裝機(jī)功率50%，機(jī)組使用數(shù)量減少，可降低施工作業(yè)占地面積50%，降低運(yùn)輸費(fèi)用30%，同時減少設(shè)備投資費(fèi)用30%，降低維修費(fèi)用60%，縮短作業(yè)周期30%。增能吞吐裝備采用撬裝模式，僅需少量人員即可完成作業(yè)任務(wù)，無車輛采購費(fèi)用和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，不需要專業(yè)駕駛?cè)藛T進(jìn)行車輛駕駛，降低運(yùn)輸風(fēng)險及人員成本。

4 結(jié)論

增能吞吐裝備滿足了增能吞吐采油工藝技術(shù)對大排量、高壓力、連續(xù)作業(yè)的設(shè)備的需求，實現(xiàn)連續(xù)不間斷作業(yè)，減少作業(yè)機(jī)組配套數(shù)量，減少操作人員、運(yùn)輸人員的配備數(shù)量，降低運(yùn)維成本，助力使用方降本增效，有效提高市場競爭力。并解決了大功率設(shè)備裝機(jī)需求與車載式結(jié)構(gòu)受外形尺寸重量限制之間的矛盾，撬裝布局合理，單撬重量及尺寸適應(yīng)普通運(yùn)輸車輛要求，有利于井場間快速轉(zhuǎn)運(yùn)和現(xiàn)場起吊，尤其利于山區(qū)丘陵及邊零場站復(fù)雜地域作業(yè)需求。創(chuàng)新配套的控制系統(tǒng)，能夠?qū)收线M(jìn)行自動診斷，及時預(yù)警，為維修人員提供故障信息和處理方法，有效縮短非計劃停機(jī)時間，保障設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行，提高設(shè)備數(shù)字化、自動化程度。