浅谈油田压裂船的装备配置

随着陆地油气资源日益枯竭，海洋油气田开发成为目前油气生产领域的重点方向之一，而以压裂、酸化为主的储层改造技术将成为未来海洋油气增产的重要手段之一。目前国内海洋油气增产作业装备集成方式主要有2种：①将设备放置在生产平台或钻井平台上；②集中在一艘船舶上。而油田压裂船以其高效性、安全性、良好的操控性和稳定性，在海洋油气工程领域中不断应用推广。目前在国内海域实施过压裂作业的有查理德号，中海油服建造的搭载式油田增产船“海洋石油640”以及其他油服企业搭载压裂设备的驳船。国外油田压裂作业船队在国内实行技术垄断，租金昂贵。国内现有海洋压裂装备只能满足常规压裂作业，不能满足未来大规模储层压裂改造作业需求，因此大力研发油田压裂船将成为我国海洋领域重大技术装备及设备国产化方向之一。

1 国内外压裂作业船发展现状

早在上世纪90年代，墨西哥湾油气田就出现了与陆地作业模式类似的压裂作业。以贝克休斯、斯伦贝谢、哈里伯顿为代表的跨国石油服务公司都根据不同的作业要求和海域特征设计、建造了先进的油田压裂船。该类船具有优越的操控性和良好的稳定性，配备连续混配系统，支撑剂储存装置、混配系统，中央控制室以及数据采集系统，并有完备的质量控制体系和快速脱离装置，无需海上作业平台为其提供甲板和储存空间，节省了昂贵的平台租赁费用，在墨西哥湾、巴西、西非、北海等国家和地区得到广泛应用。据统计，目前国外有30余艘油田压裂船，搭载船型和一体化船型并存，配套的压裂设备以柴驱驱动方式为主，连续混配系统具备耐酸功能。

国内对于油田压裂船的研究起步较晚，目前已有学者就油田压裂船的动力定位系统、综合电站系统、快速脱离装置等方面展开研究，其中关于船载压裂设备的研究已初见成果，但对于压裂装备的轻量化、模块化，以及压裂过程中船舶与压裂设备间的信息集成及接口技术缺乏创新研究，目前还没有生产出符合船舶规范的电驱压裂泵。因此本文针对以上问题进行探讨分析。

2 压裂作业系统装备配置概述

针对海上压裂作业的特点，围绕海洋油气压裂作业系统及工程适用性开展研究，从压裂作业装备轻量化、模块化，压裂作业系统与船舶系统接口技术、信息集成，压裂作业系统电磁环境检测，供酸装置几个方面进行技术探讨，下面将对上述内容分别进行论述。

2.1 压裂作业装备轻量化、模块化

海洋油气压裂作业装备数量大、种类多，在有限的船舶空间内，进行作业装备优化配置是压裂作业系统的一个难点。为节省面积和空间，作业装备应尽可能选用技术先进、体积小、重量轻、功率大、效率高的机械设备，利用功能分解再重组的原则，将压裂作业系统进行模块化划分。在此基础上对各个模块进行结构优化，采用高强度材料，达到轻量化设计的目的。目前国内各大压裂设备制造厂商都在争先研发轻量化、模块化、高寿命的压裂泵，如烟台杰瑞的2 500型柴驱压裂泵和四机公司的3 000型柴驱压裂泵，单橇总量都能控制在15 t以内，泵头采用不锈钢材质，使用寿命由400 h提升至800～1 000 h。国内电驱压裂设备研发、制造能力优于国外，以3 675～4 410 kW的电驱压裂泵为主。

2.2 压裂作业系统与船舶系统接口技术

油田压裂船的功能系统主要包括船舶固有配套系统和压裂作业系统，油田压裂船功能系统框图如图1所示。船舶传统配套系统与压裂作业系统间交叉系统为：监控系统、供电系统及其他动力系统，系统间存在交叉接口，针对此类接口，制定统一的接口形式，明确接口的尺寸规格及材料标准；确定各压裂设备的功率和电压，进而确定供电接口；压裂监控系统则通过现场总线接口连接船舶综合平台管理系统，用来指示、报警、控制和记录设备的工作状态和参数，实现船舶载体功能与压裂作业功能的统一监控、有效结合，降低船舶设备配置冗余。

图1 油田压裂船功能系统框图

2.3 压裂作业系统与船舶信息集成

针对船舶与压裂作业系统信息交互种类繁多、信息交互复杂的特点，对压裂作业系统信息与船舶信息的交互传输及共享模式进行分析，确定交互信息的内容、数据类型、信息量、时延等参数，按照信息重要程度、安全等级对信息进行分类重组，明确信息交换格式、协议，形成统一的信息接口标准，制定一套基于数据分发服务的信息安全敏感分级和信息分类传输机制，实现船舶与压裂作业系统的信息集成共享，更加能够体现出智能船舶的先进性、适用性。目前国内还没有研发压裂作业系统与船舶信息集成的系统软件，如中海油服在役的HYSY640，曾论证改建成油田压裂船的MMC887和PX121 等PSV船型，其压裂作业系统和船舶信息系统互为独立。

2.4 压裂作业系统电磁环境检测

根据压裂作业系统自身特点，借鉴军用系统电磁兼容检测方案的设计经验，科学采用电磁环境效应和电磁兼容安全裕度的思想，进行压裂作业系统电磁环境检测。根据压裂作业系统的设备组成、布置及系统功能、电磁兼容特性等，研究分析压裂作业系统的电磁发射特性、敏感度及可能出现的电磁干扰因素，以保障压裂作业系统工作中的电磁兼容性。目前中海油服正在设计研究全电驱一体化油田压裂船船型，该船采用中压配电板综合电站设计(压裂设备和船舶共用发电系统)，主电站发电功率超过26 MW。由于此类船舶的作业特点，因此在设计阶段必须考虑谐波电流对电网的影响。

2.5 供酸装置

油田压裂船酸化作业时酸液腐蚀性强，对排放、人员及船体安全要求高。采用闭环自动控制技术、智能防溢出液位控制技术、远程自动控制技术及耐酸控制元件，在明确酸化作业中酸的种类和用量的前提下，结合船舶总体布置，完成供酸系统方案配置，实现精确配酸远程自动控制，满足海洋配酸工艺和船载配酸作业安全的要求。

3 结束语

借鉴国外油田压裂船的设计、建造经验，结合国内海洋低渗油气藏储层压裂改造需求，研发、设计、制造符合我国低渗油气藏开发的先进油田压裂船。该船的研制对提升国内大型海洋石油装备设计研发能力、推进关键设备国产化具有重要意义，可打破国外技术壁垒，解决“卡脖子”问题。

我国油田压裂船的研制及配套设备还存在诸多关键技术亟待解决，建议从以下几个方面继续深入开展工作。

1)提升海洋压裂装备的研发能力，使之向集成化、数字化、信息化方向发展，开发适用于船舶规范的电驱压裂泵。受制于功率大小及环保要求，只有国外部分柴驱压裂设备符合船舶规范要求，符合船舶规范的大功率电驱压裂设备国内外还没有研发，电驱压裂设备更有利于数智化的发展，因此大力研发符合船舶规范的电驱压裂设备给国内压裂设备制造企业带来巨大商机。

2)开展海上油田压裂作业试验，系统收集试验数据并进行总结归纳，结合使用中存在的问题对设计进行优化。中国海油集团公司已经部署了“十四五”期间的海上低渗油气藏开发试验工作的相关要求，明确了任务书和时间表。并提出了“十五五”和“十六五”期间海上低渗储层改造技术规划及产业化应用目标。

3)结合国内海洋低渗油气藏开发需求，明确油田压裂船功能定位及作业能力，使增产专用设备与船舶高度集成，实现船舶一体化、智能化控制。目前中海油服正在研究全电驱一体化的专业油田压裂船配套方案。