陳婷婷　陳煥東　李家院

摘 要：本文結(jié)合8 000 hp油田增產(chǎn)作業(yè)支持船的詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)船建造，對(duì)比分析和優(yōu)化膠液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，為今后的后續(xù)船或類(lèi)似船型的膠液系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：膠液系統(tǒng)；原理；設(shè)計(jì)；分析；優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U674.38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shù)經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，特別是自80年代末以來(lái)，在壓裂設(shè)計(jì)、壓裂液和添加劑、支撐劑、壓裂設(shè)備和監(jiān)測(cè)儀器以及裂縫檢測(cè)等方面都獲得了迅速的發(fā)展，水力壓裂技術(shù)在縫搞控制技術(shù)、高滲層防砂壓裂、重復(fù)壓裂、深穿透壓裂以及大砂量多級(jí)壓裂等方面取得了新的突破，現(xiàn)在水力壓裂技術(shù)作為油水井增產(chǎn)增注的主要措施，已廣泛應(yīng)用于低滲透油氣田的開(kāi)發(fā)中。通過(guò)水力壓裂改善了井底附件的滲流條件，提高了油井產(chǎn)能，在美國(guó)有30%的原油產(chǎn)能是通過(guò)壓裂獲得的。國(guó)內(nèi)低滲油田的產(chǎn)量和通過(guò)壓裂改造獲得的產(chǎn)量也在逐漸增加，特別是現(xiàn)在我國(guó)處于油田工業(yè)起步階段，對(duì)水力壓裂技術(shù)的廣泛應(yīng)用和深入研究可望給石油工業(yè)注入新的活力，水力壓裂技術(shù)的實(shí)施和關(guān)鍵性技術(shù)的突破，將給石油工業(yè)帶來(lái)不可估量的前景。

本8 000 hp油田增產(chǎn)作業(yè)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(huì)直接影響到產(chǎn)油容量和質(zhì)量。

2 膠液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

從混配膠液性能、攪拌、泵送、管路、洗艙等幾個(gè)方面，介紹膠液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 混配膠液性能

壓裂過(guò)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(dòng)狀態(tài)下優(yōu)良的承受破壞的能力。能否達(dá)到這些性能，首要的工作在于對(duì)瓜膠液流變性能進(jìn)行正確評(píng)價(jià)。瓜膠液性能的測(cè)試和評(píng)價(jià)是為配制和選用膠液提供依據(jù)，為壓裂設(shè)計(jì)提供參考。

壓裂液的性能一般是指耐溫耐剪切性、流變參數(shù)、粘彈性、靜態(tài)濾失、動(dòng)態(tài)濾失、破膠性能、殘?jiān)俊⒔底杪实?。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(lián)比也越高，凍膠剛性強(qiáng)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(jìn)而決定攪拌器、輸送泵設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)于標(biāo)題船，其主要作業(yè)于渤海灣油田，試驗(yàn)人員根據(jù)該區(qū)域油田特點(diǎn)和相關(guān)性能試驗(yàn)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(mǎn)目，按其驅(qū)動(dòng)型式可分為電動(dòng)式和液動(dòng)式：

（1）電動(dòng)攪拌器：其優(yōu)點(diǎn)是在同一檔位具有高度的穩(wěn)定和恒定的推力，電纜布置方便，價(jià)格相對(duì)便宜；而缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的技術(shù)要求相對(duì)較高，且電機(jī)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生熱，如果調(diào)節(jié)太頻繁容易造成電機(jī)過(guò)熱，同時(shí)也會(huì)加大對(duì)減速齒輪的磨損；另外，電機(jī)動(dòng)作不夠迅速，調(diào)速過(guò)程中常產(chǎn)生突變情況。

（2）液動(dòng)攪拌器：除了成本高、需布置較多管路等缺點(diǎn)外，液動(dòng)攪拌器具有電動(dòng)攪拌器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，其工作平穩(wěn)、沖擊、振動(dòng)和噪聲都較小，易于實(shí)現(xiàn)頻繁的啟動(dòng)、無(wú)極調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)低速大力矩傳動(dòng)。

經(jīng)過(guò)船東、設(shè)計(jì)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(wěn)低速進(jìn)行以保證其耐剪切性能、充分?jǐn)嚢枰员ＷC其粘度均勻等要求，故把原來(lái)電動(dòng)攪拌器方案修改為液動(dòng)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(zhǎng)為8 400 mm，需設(shè)兩個(gè)攪拌器才能滿(mǎn)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(zhǎng)為7 200 mm，設(shè)置一個(gè)攪拌器即可滿(mǎn)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(gè)液罐（共為200 m3），設(shè)置了3臺(tái)膠液輸送泵（品牌為油田增產(chǎn)常用的MISSION泵）。每臺(tái)膠液輸送泵均為臥式離心泵，其流量和壓頭平穩(wěn)，減少了對(duì)膠液性能的影響；每臺(tái)泵流量為150 m3，滿(mǎn)足兩臺(tái)泵即可把全部液罐注滿(mǎn)的要求；排出壓力為0.3 MPa，滿(mǎn)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(zhì)，具有抵抗膠液的強(qiáng)堿性腐蝕。

2.4 管路設(shè)計(jì)

本船業(yè)主要求膠液系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下三種工況：（1）作業(yè)前由海水基液泵向連續(xù)混配撬注入海水，由連續(xù)混配撬配制瓜膠液，配制好的瓜膠液注入到膠液艙，作業(yè)時(shí)直接從膠液艙供液至甲板上的4個(gè)液罐，再?gòu)囊汗尴蚧焐扒斯┮海唬?）膠液艙存放過(guò)濾好的海水基液，作業(yè)時(shí)將海水供至連續(xù)混配撬，由連續(xù)混配撬配制瓜膠液直接向混砂撬供液；（ 3）邊配膠液邊對(duì)外供膠液，同時(shí)邊向供完液的空艙儲(chǔ)存海水基液（本工況實(shí)際應(yīng)用較少，主要考慮用于復(fù)雜工況）。

針對(duì)于第（ 1 ）種工況，在設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)置對(duì)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(duì)外輸送泵、瓜膠液對(duì)外輸送泵；針對(duì)于第（ 2 ）種工況，在設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)置海水基液注入管系、海水基液注入泵、海水基液對(duì)外輸送泵；針對(duì)第（ 3 ）種工況，需同時(shí)設(shè)置海水基液注入管系和膠液注入管系，以及對(duì)外供膠液管系。

綜合上述三種工況，故需設(shè)計(jì)以下各種管系：

2.4.1 對(duì)外供基液海水管系、海水注入管系

這兩個(gè)管系可合二為一，在甲板面處斷開(kāi)。如需進(jìn)行對(duì)外供應(yīng)作業(yè)，則在斷開(kāi)處連接軟管至膠液罐，再通過(guò)連續(xù)混配撬等設(shè)備供應(yīng)至所需部位；如需進(jìn)行注入作業(yè)，則用軟管將斷開(kāi)處連接。

海水基液流量按業(yè)主最大使用需求，即為240 m3/h。為提高可靠性，配置兩臺(tái)120 m3/h的海水基液輸送泵，如其中一臺(tái)泵出現(xiàn)故障可降半使用。該海水基液輸送泵從機(jī)艙海水總管吸水，吸入管處預(yù)留平臺(tái)海水接口，方便直接從平臺(tái)引入海水，提高整個(gè)注入系統(tǒng)的可靠性?？紤]到介質(zhì)為海水，其粘度低，根據(jù)最高流速要求，計(jì)算泵出口管徑為DN100，平臺(tái)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(gè)膠液艙的注入管按最大流量考慮也設(shè)為DN150?？紤]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(xù)混配撬或外部設(shè)備把混配好的膠液通過(guò)主甲板面上的CAMLOCK接口輸送至各膠液艙中，可多接口同時(shí)注入。由于瓜膠液粘度高達(dá)150 cSt，在按最大流量和最大允許流速計(jì)算得出的管徑基礎(chǔ)上再按一定系數(shù)放大，總管取DN300。一級(jí)支管分兩路，一路至左側(cè)膠液艙群（1#左艙、2#左艙及1#中艙），另一路至右側(cè)艙群（1#右艙、2#右艙及1#中艙、2#中艙），由于注入時(shí)只是單側(cè)艙群而非兩側(cè)同時(shí)注入，一級(jí)支管的管徑也取DN300?？紤]到同一側(cè)的各艙可同時(shí)注入，故分配到同一側(cè)艙群的各個(gè)艙的支管取DN200?？紤]到瓜膠液的高堿性（PH13），管子壁厚采用D檔加厚管。

2.4.3 對(duì)外供膠液管及基液海水管

考慮對(duì)外供膠液和海水這兩種工況不會(huì)同時(shí)發(fā)生，故這兩種管系可合二為一，設(shè)置一套即可?？紤]單側(cè)艙群各個(gè)艙是逐一對(duì)外供應(yīng)瓜膠液或基液海水，而非同時(shí)供應(yīng)，故各艙的吸入管需滿(mǎn)足最大流量150 m3/h的要求?？紤]到瓜膠液的高粘性，在按最大允許流速計(jì)算出的管徑基礎(chǔ)上還要按一定系數(shù)放大，取DN250。

膠液輸送泵設(shè)置3臺(tái)，一般情況下1#泵控制左側(cè)艙群，3#泵控制右側(cè)艙群，2#泵在單側(cè)艙群負(fù)荷加大時(shí)也投入使用，1#、2#、3#泵可互為備用。由于輸送介質(zhì)的高粘性及高堿性，泵采用美國(guó)MISSON公司制造的離心泵。泵的出口管匯總?cè)缓蠓謨陕方又良装迕孀笥蚁系膶?duì)外接口，這兩路管徑設(shè)置為DN200?？紤]到瓜膠液的高堿性，全部管徑設(shè)置為D檔加厚管。

2.4.4 管系操控系統(tǒng)

整個(gè)管系的閥門(mén)和泵采用遙控集中操作，可在集控室和駕駛室兩地處遠(yuǎn)程操作，并可在壓載控制臺(tái)液晶顯示面板上觀看系統(tǒng)的MIMIC圖，隨時(shí)了解本系統(tǒng)工作狀態(tài)，應(yīng)急情況下可人工就地操作。

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

2.4.5 液位傳感器

考慮到需測(cè)量膠液艙液位數(shù)據(jù)及測(cè)量的可靠性，每個(gè)膠液艙設(shè)置了兩個(gè)壓電式液位傳感器。由于膠液的強(qiáng)堿性，每個(gè)傳感器的本體及膜片均采用不銹鋼316L材質(zhì)。傳感器可輸出4～20 mA的電流信號(hào)至系統(tǒng)PLC，用以顯示艙內(nèi)介質(zhì)高度數(shù)據(jù)。

2.5 膠液洗艙系統(tǒng)

鑒于業(yè)主對(duì)膠液系統(tǒng)不同工況的要求，膠液艙需具備裝載兩種介質(zhì)的功能，即裝載海水基液或瓜膠液，故膠液艙還應(yīng)設(shè)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(shè)置一臺(tái)洗艙機(jī)（～12 m3/h；0.6～0.8 MPa），洗艙機(jī)可在此供水壓力及流量下達(dá)到有效洗艙射程，滿(mǎn)足有效洗艙面積大于80%的要求。工作時(shí)，洗艙泵組通過(guò)洗艙水艙吸入淡水，通過(guò)洗艙管路注入至洗艙機(jī)進(jìn)行艙內(nèi)清潔，考慮到瓜膠液的強(qiáng)腐蝕性，艙內(nèi)的管路材質(zhì)為不銹鋼管316L（Φ60×4）。洗艙污水由膠液艙底專(zhuān)用泵（5.5 m/h； 0.33 MPa）打回No.3 膠液艙（中）/兼污液艙儲(chǔ)存，也可直接排岸。

3 結(jié)束語(yǔ)

本船膠液系統(tǒng)原理經(jīng)過(guò)船東、船廠、設(shè)計(jì)院多次討論和修改，不僅滿(mǎn)足了船東的使用要求，也從船廠建造的角度具有可行性、經(jīng)濟(jì)性。此外，由于首次在船舶上投入此系統(tǒng)，對(duì)于其可靠性、實(shí)用性還需經(jīng)調(diào)試、實(shí)際使用等檢驗(yàn)，船廠也可總結(jié)設(shè)計(jì)和建造經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合船東的使用效果在后續(xù)同類(lèi)船上進(jìn)行優(yōu)化。

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