SZB1000型钻塞泵注设备研制

鲁方平

（中石化四机石油机械有限公司，湖北 荆州 434000）

近年来，随着页岩气[1,2]、致密油[3,4]成功实现商业开发，“水平井＋体积压裂”的开发模式已经得到国内外广泛认可，水平井分段体积压裂80%采用水力泵送桥塞分段多簇压裂技术。钻铣桥塞是解决水平井分段压裂后续问题的关键技术，目前无论是国内还是国外普遍采用连续管磨钻工艺技术进行钻铣桥塞。其中，与连续油管作业机配套的钻塞泵注设备是该工艺流程中重要的组成部分。

国外钻塞泵注设备技术相对成熟，Hydra Rig、BJ等大型装备制造公司在连续油管成套装备上配有专门的连续，设备具备混配、泵注功能，能够配合连续油管作业车完成钻塞[5,6]、冲洗打捞等作业任务，其工程适应性已得到国际市场的广泛认可。国内在涪陵地区页岩气开发过程中由于缺乏专业的钻塞泵注设备，故长期使用2台大功率压裂车配合1套配液设备使用，人员和设备成本浪费严重。

同时，随着环境污染问题日渐突出，绿色环保的电驱动力技术成为新的发展趋势，柴油发动机和液力变速箱的驱动模式，已逐渐无法满足日趋严苛的环保要求。目前，国内油田网电[7]建设逐步完善，网电石油装备正逐步得到应用，配备电驱动力的钻塞泵注设备成为新的发展方向，稳定、可靠及性价比高的钻塞泵注设备研制工作已迫在眉睫。

1 总体方案

1.1整体结构

SZB1000型钻塞泵注设备由钻塞泵撬和VFD房组成，如图1所示。钻塞泵撬主要用于钻塞液泵注、固液添加剂添加和工艺液混配，VFD房主要用于将井场10kV网电转换为钻塞泵撬所需电力，并实现对钻塞泵注撬上变频电机的调速功能。

图1 SZB1000型钻塞泵注设备组成构示意图

钻塞泵撬主要包括撬架、混合系统、动力系统、传动系统、泵注系统、液添系统、干添混合系统以及控制系统等；VFD房主要包括高进线房、变压器房和低压操作房三部分，其结构如图2所示。整机通过整机分区布局设计和模块化设计，遵循“功能分区、方便维护”的设计理念，划分4个作业区域，实现功能部件集中布置，以减轻作业人员的劳动强度。

图2 钻塞泵撬及VFD房主要组成

1.2 工作原理

SZB1000型钻塞泵注设备使用井场架设的10kV网电作为动力源，通过VFD房内部配置的两套交流变压器将10kV网电转变为钻塞泵撬所需的600V和400V电源，再通过VFD房内配置的多套变频系统实现钻塞泵撬上泵注电机、干添电机、液添电机转速调节，从而达到实时调整钻塞液泵注排量、干粉添加量、液体添加量的功能。在钻塞作业时，可以根据用户需要，单独使用钻塞泵撬的钻塞液混配、钻塞液泵注、钻塞液即混即注功能。

钻塞液混配：单独开启钻塞泵撬干/液添系统、混合系统，通过混合系统将外部接入的工艺液基液和由干/液添系统输送的添加剂共同输送至混合罐中进行搅拌，最后将混合好的钻塞液输送至外部储罐中。

钻塞液泵注：单独开启钻塞泵撬泵注系统，将已经配置好的钻塞液通过泵注系统注入井底。

钻塞液即混即注：开启钻塞泵撬干/液添系统、混合系统、泵注系统，将混合好的钻塞液实时通过泵注系统注入井底，实现钻塞液连续混配泵注。

1.3 主要技术参数

外部电源：10kV；最高工作压力：64MPa；单泵最大排量：1500L/min；配液方式：液+液、固+液；外加剂种类：≥2种；单泵允许连续作业时间：＞8h；整体外形尺寸：钻塞泵撬：7.6×2.7×2.2m；VFD房：9×2.9×2.7m；各种工况下性能参数见表1。

表1 各种工况下性能参数

2 关键技术

2.1 现场电能供应技术

涪陵地区使用的电网电压都是10kV级别，变电站容量一般在10000kVA左右（相当于8000kW功率），满足多平台钻井施工作业。为保证SZB1000型钻塞泵注设备可靠应用，高压变电系统采用一台1000kVA△10kV/△600V 50Hz干式变压器供电，利用井场变压器前端跌落式高压隔离开关（LI-NK）的切换，只需要暂停该处变压器电源，将电控房上的高压电缆接入井场变压器高压接线端处，电控房就可实现不停主电网的情况下，从井场10kV的电网上取电，安全可靠。再通过VFD房内部配置的变压器将10kV高压转换为600V/400V交流电源输送至钻塞泵撬，完成网电电压转换。现场电能供应流程如图3所示。

图3 现场电能供应流程

2.2 供电系统集成技术

为了减少运输车次，减小占地面积，加强电控系统集成化，在设计VFD房时，将高压部分、变压器部分、低压配电、电传系统等全部集成在VFD房内。

低压配电系统包含600V开关及计量柜、400V开关柜、MCC柜和有源滤波柜，为GCS型低压开关柜。600V开关及计量柜，柜内装有一套空气断路器用于AC600V进线电源控制，一套计量装置用于电能的计量。400V开关柜内装有两套塑壳断路器，用于600V/400V变压器进出电源控制；MCC柜主要用于控制钻塞泵注设备配套的辅助电机以及井场各区域供电。

电传动系统采用先进的全数字变频器，变频器用于驱动变频电机。通过Profibus总线与PLC[8]进行通讯，实现由泵注操作台上的启停开关、急停按钮、手轮或触摸屏对变频电机及辅助电机进行控制。配电系统构架如图4所示。

图4 配电系统构架

2.3 自动控制技术

为实现设备一键式自动控制功能，钻塞泵注设备控制系统采用闭环逻辑[9]控制，通过综合调整柱塞泵排量、清水吸入量、液添比例、干添比例、缓冲罐液位等参数实现添加剂精确添加、混配、泵送功能。

主要控制逻辑如下：

(1)以泵注区流量为反馈实现对柱塞泵电机转速的闭环控制，从而改变泵注排量；(2)以泵注区流量，配液比综合值为反馈实现对液添泵的电机转速的闭环控制，从而改变液添排量；(3)以泵注区流量为反馈实现对射流泵后端的调节阀开度的闭环控制，从而保证混合罐内液位平衡；(4)以胶粉料罐内质量、干粉配比、泵注区流量综合值为反馈控制实现对螺旋输送器电机速度控制，从而改变干添输送量。

通过四条闭环控制回路配以相应辅助电机的启停与施工数据监视系统，实现钻塞作业一键式全流程自动控制。自动控制系统操作界面如图5所示。

图5 自动控制系统操作界面

3 试验验证

3.1 型式试验

2018年3月设备试制完成后，在厂内进行了相关型式试验工作。试验对整机VFD房的高压变电系统、低压电气系统、钻塞泵撬的干/液添系统、泵注系统、混合系统、控制系统等进行了功能试验；对钻塞泵撬柱塞泵、泵注电机等进行了连续运转性能试验。试验结果表明，SZB1000型钻塞泵注主要技术指标和主要功能需求均达到设计要求，试验结果如表2所示。

3.2 应用效果

2018年6月SZB1000型钻塞泵注设备在涪陵页岩气开发示范区完成了工业试验，前后共配合连续油管作业机完成3口井共计45个桥塞的钻铣工作，设备共运转207h，单泵最长运转时间10h。钻塞作业工作压力40～48.8MPa、工作排量400～450L/min、设备负载率处于37.7%～46.1%区间。从钻塞作业数据和后续作业情况看，作业效果理想，工作性能稳定，维护检修方便，自动控制程度高，可以由1人完成钻塞液混配、泵注作业，能很好地配合连续油管作业机完成桥塞钻铣作业。

表2 设计指标与型式试验结果对比

4 对比分析

在设备采购成本方面，在使用SZB1000型钻塞泵注设备进行连续油管钻塞作业前，现场通常使用两台2000型或2300型压裂车进行钻塞作业，压裂车负载率在30%以下，设备功率浪费严重、配置成本过高；以钻塞泵注设备单台800万元计算，设备采购成本最高可降低64%。设备配置情况如表3所示。

表3 钻塞作业配套设备对比

在燃料费用方面，SZB1000型钻塞泵注设备完成钻铣桥塞作业每24h平均用电量7536kWh，当前电价1.28元/kWh，每24h电费9646元；使用压裂车燃料消耗费用每24h为12240元。以2017年作业量初步估算，设备作业240天左右，钻塞泵注设备动力费用0.9646万元×240天=231.5万元，压裂车燃料费用1.224万元×240天=293.76万元，动力燃料费用降低21%。

SZB1000型钻塞泵注设备经济性分析如图6所示。

图6 SZB1000型钻塞泵注设备经济性分析

5 结论

（1）SZB1000型钻塞泵注设备整机设计布局合理、自动化程度高、集成钻塞液“混配+泵注”功能，可以减少作业设备数量、降低操作人员劳动强度。

（2）设备能够实现钻塞液多种介质混配、小排量低压力长时间作业，适应国内钻塞施工工程需求。

（3）设备使用网电作为动力源，配备变频电机+柱塞泵动力组合，具备噪音小、能耗低、清洁环保、节能减排的优点。

（4）工业试验结果表明：SZB1000型钻塞泵注设备能够满足钻塞作业需求，与压裂车配置方案相比，设备采购成本最高降低64%，动力燃料费用降低21%。

◆参考文献

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