8000hp油田增产作业支持船的胶液系统设计与应用

陈婷婷　陈焕东　李家院

摘 要：本文结合8 000 hp油田增产作业支持船的详细设计和实船建造，对比分析和优化胶液系统的设计原理，为今后的后续船或类似船型的胶液系统设计提供参考和借鉴。

关键词：胶液系统；原理；设计；分析；优化

中图分类号：U674.38 文献标识码：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

水力压裂技术经过近半个世纪的发展，特别是自80年代末以来，在压裂设计、压裂液和添加剂、支撑剂、压裂设备和监测仪器以及裂缝检测等方面都获得了迅速的发展，水力压裂技术在缝搞控制技术、高渗层防砂压裂、重复压裂、深穿透压裂以及大砂量多级压裂等方面取得了新的突破，现在水力压裂技术作为油水井增产增注的主要措施，已广泛应用于低渗透油气田的开发中。通过水力压裂改善了井底附件的渗流条件，提高了油井产能，在美国有30%的原油产能是通过压裂获得的。国内低渗油田的产量和通过压裂改造获得的产量也在逐渐增加，特别是现在我国处于油田工业起步阶段，对水力压裂技术的广泛应用和深入研究可望给石油工业注入新的活力，水力压裂技术的实施和关键性技术的突破，将给石油工业带来不可估量的前景。

本8 000 hp油田增产作业支持船选用的水力压裂方法，主要是指也胶液（瓜尔胶）压裂。胶液性能的好坏，将会直接影响到产油容量和质量。

2 胶液系统的设计

从混配胶液性能、搅拌、泵送、管路、洗舱等几个方面，介绍胶液系统的设计。

2.1 混配胶液性能

压裂过程中，要求瓜胶液具有高的携带支撑剂的能力、低的摩阻力及在不同的几何空间、不同的流动状态下优良的承受破坏的能力。能否达到这些性能，首要的工作在于对瓜胶液流变性能进行正确评价。瓜胶液性能的测试和评价是为配制和选用胶液提供依据，为压裂设计提供参考。

压裂液的性能一般是指耐温耐剪切性、流变参数、粘弹性、静态滤失、动态滤失、破胶性能、残渣含量、降阻率等。不同混配比例的瓜胶液，其性能和用途均不一样，瓜胶液比例越高，则其基液黏度越大，交联比也越高，冻胶刚性强度越大，耐温性能越好，适合于地层温度更高的油井。由此，不同地层温度决定了瓜胶液的不同浓度和配方，进而决定搅拌器、输送泵设计参数。对于标题船，其主要作业于渤海湾油田，试验人员根据该区域油田特点和相关性能试验选配出合适的瓜胶液（密度1.1 t/m3、粘度1～150 cP（厘泊）、酸碱度PH13）。

2.2 胶液搅拌器

目前市面上的胶液搅拌器琳琅满目，按其驱动型式可分为电动式和液动式：

（1）电动搅拌器：其优点是在同一档位具有高度的稳定和恒定的推力，电缆布置方便，价格相对便宜；而缺点是结构较复杂，对现场维护人员的技术要求相对较高，且电机运行会产生热，如果调节太频繁容易造成电机过热，同时也会加大对减速齿轮的磨损；另外，电机动作不够迅速，调速过程中常产生突变情况。

（2）液动搅拌器：除了成本高、需布置较多管路等缺点外，液动搅拌器具有电动搅拌器不可比拟的优点，其工作平稳、冲击、振动和噪声都较小，易于实现频繁的启动、无极调速，可实现低速大力矩传动。

经过船东、设计院、船厂的多次讨论，考虑到本船胶液舱为常温舱室，胶液的搅拌需要平稳低速进行以保证其耐剪切性能、充分搅拌以保证其粘度均匀等要求，故把原来电动搅拌器方案修改为液动搅拌器方案，其布置方案如图1所示。

从图1可以看出，由于NO.1胶液舱（左/右）、NO.2胶液舱（左/右）舱长为8 400 mm，需设两个搅拌器才能满足瓜胶液粘度均匀的要求；而NO.1胶液舱（中）、NO.2胶液舱（中）、NO.3胶液舱（中）舱长为7 200 mm，设置一个搅拌器即可满足要求。

2.3 胶液输送泵

为了把胶液舱中的胶液输送到主甲板面上的4个液罐（共为200 m3），设置了3台胶液输送泵（品牌为油田增产常用的MISSION泵）。每台胶液输送泵均为卧式离心泵，其流量和压头平稳，减少了对胶液性能的影响；每台泵流量为150 m3，满足两台泵即可把全部液罐注满的要求；排出压力为0.3 MPa，满足泵舱至液罐之间的高度（10.2 m）要求。此外，该泵泵体和叶轮均采用铬合金，泵轴为4140材质，具有抵抗胶液的强碱性腐蚀。

2.4 管路设计

本船业主要求胶液系统应实现以下三种工况：（1）作业前由海水基液泵向连续混配撬注入海水，由连续混配撬配制瓜胶液，配制好的瓜胶液注入到胶液舱，作业时直接从胶液舱供液至甲板上的4个液罐，再从液罐向混砂撬供液；（2）胶液舱存放过滤好的海水基液，作业时将海水供至连续混配撬，由连续混配撬配制瓜胶液直接向混砂撬供液；（ 3）边配胶液边对外供胶液，同时边向供完液的空舱储存海水基液（本工况实际应用较少，主要考虑用于复杂工况）。

针对于第（ 1 ）种工况，在设计时需要设置对外供海水基液管系、胶液注入管系、胶液输出管系、海水基液对外输送泵、瓜胶液对外输送泵；针对于第（ 2 ）种工况，在设计时需要设置海水基液注入管系、海水基液注入泵、海水基液对外输送泵；针对第（ 3 ）种工况，需同时设置海水基液注入管系和胶液注入管系，以及对外供胶液管系。

综合上述三种工况，故需设计以下各种管系：

2.4.1 对外供基液海水管系、海水注入管系

这两个管系可合二为一，在甲板面处断开。如需进行对外供应作业，则在断开处连接软管至胶液罐，再通过连续混配撬等设备供应至所需部位；如需进行注入作业，则用软管将断开处连接。

海水基液流量按业主最大使用需求，即为240 m3/h。为提高可靠性，配置两台120 m3/h的海水基液输送泵，如其中一台泵出现故障可降半使用。该海水基液输送泵从机舱海水总管吸水，吸入管处预留平台海水接口，方便直接从平台引入海水，提高整个注入系统的可靠性。考虑到介质为海水，其粘度低，根据最高流速要求，计算泵出口管径为DN100，平台海水接口处外供泵出口管径为DN125，总管管径为DN150，分配到7个胶液舱的注入管按最大流量考虑也设为DN150。考虑到海水腐蚀性，管系采用B档加厚316L不锈钢管。

2.4.2 胶液注入管系

连续混配撬或外部设备把混配好的胶液通过主甲板面上的CAMLOCK接口输送至各胶液舱中，可多接口同时注入。由于瓜胶液粘度高达150 cSt，在按最大流量和最大允许流速计算得出的管径基础上再按一定系数放大，总管取DN300。一级支管分两路，一路至左侧胶液舱群（1#左舱、2#左舱及1#中舱），另一路至右侧舱群（1#右舱、2#右舱及1#中舱、2#中舱），由于注入时只是单侧舱群而非两侧同时注入，一级支管的管径也取DN300。考虑到同一侧的各舱可同时注入，故分配到同一侧舱群的各个舱的支管取DN200。考虑到瓜胶液的高碱性（PH13），管子壁厚采用D档加厚管。

2.4.3 对外供胶液管及基液海水管

考虑对外供胶液和海水这两种工况不会同时发生，故这两种管系可合二为一，设置一套即可。考虑单侧舱群各个舱是逐一对外供应瓜胶液或基液海水，而非同时供应，故各舱的吸入管需满足最大流量150 m3/h的要求。考虑到瓜胶液的高粘性，在按最大允许流速计算出的管径基础上还要按一定系数放大，取DN250。

胶液输送泵设置3台，一般情况下1#泵控制左侧舱群，3#泵控制右侧舱群，2#泵在单侧舱群负荷加大时也投入使用，1#、2#、3#泵可互为备用。由于输送介质的高粘性及高碱性，泵采用美国MISSON公司制造的离心泵。泵的出口管汇总然后分两路接至甲板面左右舷的对外接口，这两路管径设置为DN200。考虑到瓜胶液的高碱性，全部管径设置为D档加厚管。

2.4.4 管系操控系统

整个管系的阀门和泵采用遥控集中操作，可在集控室和驾驶室两地处远程操作，并可在压载控制台液晶显示面板上观看系统的MIMIC图，随时了解本系统工作状态，应急情况下可人工就地操作。

综上所述，最终的胶液输送系统如图2所示：蓝色为海水基液管、粉红色为胶液注入管、红色为对外胶液/基液海水输送管。

2.4.5 液位传感器

考虑到需测量胶液舱液位数据及测量的可靠性，每个胶液舱设置了两个压电式液位传感器。由于胶液的强碱性，每个传感器的本体及膜片均采用不锈钢316L材质。传感器可输出4～20 mA的电流信号至系统PLC，用以显示舱内介质高度数据。

2.5 胶液洗舱系统

鉴于业主对胶液系统不同工况的要求，胶液舱需具备装载两种介质的功能，即装载海水基液或瓜胶液，故胶液舱还应设置洗舱功能。本船配置了胶液舱洗舱泵（12 m3/h；0.95 MPa），每舱设置一台洗舱机（～12 m3/h；0.6～0.8 MPa），洗舱机可在此供水压力及流量下达到有效洗舱射程，满足有效洗舱面积大于80%的要求。工作时，洗舱泵组通过洗舱水舱吸入淡水，通过洗舱管路注入至洗舱机进行舱内清洁，考虑到瓜胶液的强腐蚀性，舱内的管路材质为不锈钢管316L（Φ60×4）。洗舱污水由胶液舱底专用泵（5.5 m/h； 0.33 MPa）打回No.3 胶液舱（中）/兼污液舱储存，也可直接排岸。

3 结束语

本船胶液系统原理经过船东、船厂、设计院多次讨论和修改，不仅满足了船东的使用要求，也从船厂建造的角度具有可行性、经济性。此外，由于首次在船舶上投入此系统，对于其可靠性、实用性还需经调试、实际使用等检验，船厂也可总结设计和建造经验并结合船东的使用效果在后续同类船上进行优化。

参考文献

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