SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備研制

魯方平

（中石化四機石油機械有限公司，湖北 荊州 434000）

近年來，隨著頁巖氣[1,2]、致密油[3,4]成功實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，“水平井＋體積壓裂”的開發(fā)模式已經(jīng)得到國內(nèi)外廣泛認(rèn)可，水平井分段體積壓裂80%采用水力泵送橋塞分段多簇壓裂技術(shù)。鉆銑橋塞是解決水平井分段壓裂后續(xù)問題的關(guān)鍵技術(shù)，目前無論是國內(nèi)還是國外普遍采用連續(xù)管磨鉆工藝技術(shù)進行鉆銑橋塞。其中，與連續(xù)油管作業(yè)機配套的鉆塞泵注設(shè)備是該工藝流程中重要的組成部分。

國外鉆塞泵注設(shè)備技術(shù)相對成熟，Hydra Rig、BJ等大型裝備制造公司在連續(xù)油管成套裝備上配有專門的連續(xù)，設(shè)備具備混配、泵注功能，能夠配合連續(xù)油管作業(yè)車完成鉆塞[5,6]、沖洗打撈等作業(yè)任務(wù)，其工程適應(yīng)性已得到國際市場的廣泛認(rèn)可。國內(nèi)在涪陵地區(qū)頁巖氣開發(fā)過程中由于缺乏專業(yè)的鉆塞泵注設(shè)備，故長期使用2臺大功率壓裂車配合1套配液設(shè)備使用，人員和設(shè)備成本浪費嚴(yán)重。

同時，隨著環(huán)境污染問題日漸突出，綠色環(huán)保的電驅(qū)動力技術(shù)成為新的發(fā)展趨勢，柴油發(fā)動機和液力變速箱的驅(qū)動模式，已逐漸無法滿足日趨嚴(yán)苛的環(huán)保要求。目前，國內(nèi)油田網(wǎng)電[7]建設(shè)逐步完善，網(wǎng)電石油裝備正逐步得到應(yīng)用，配備電驅(qū)動力的鉆塞泵注設(shè)備成為新的發(fā)展方向，穩(wěn)定、可靠及性價比高的鉆塞泵注設(shè)備研制工作已迫在眉睫。

1 總體方案

1.1整體結(jié)構(gòu)

SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備由鉆塞泵撬和VFD房組成，如圖1所示。鉆塞泵撬主要用于鉆塞液泵注、固液添加劑添加和工藝液混配，VFD房主要用于將井場10kV網(wǎng)電轉(zhuǎn)換為鉆塞泵撬所需電力，并實現(xiàn)對鉆塞泵注撬上變頻電機的調(diào)速功能。

圖1 SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備組成構(gòu)示意圖

鉆塞泵撬主要包括撬架、混合系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、泵注系統(tǒng)、液添系統(tǒng)、干添混合系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等；VFD房主要包括高進線房、變壓器房和低壓操作房三部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。整機通過整機分區(qū)布局設(shè)計和模塊化設(shè)計，遵循“功能分區(qū)、方便維護”的設(shè)計理念，劃分4個作業(yè)區(qū)域，實現(xiàn)功能部件集中布置，以減輕作業(yè)人員的勞動強度。

圖2 鉆塞泵撬及VFD房主要組成

1.2 工作原理

SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備使用井場架設(shè)的10kV網(wǎng)電作為動力源，通過VFD房內(nèi)部配置的兩套交流變壓器將10kV網(wǎng)電轉(zhuǎn)變?yōu)殂@塞泵撬所需的600V和400V電源，再通過VFD房內(nèi)配置的多套變頻系統(tǒng)實現(xiàn)鉆塞泵撬上泵注電機、干添電機、液添電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而達到實時調(diào)整鉆塞液泵注排量、干粉添加量、液體添加量的功能。在鉆塞作業(yè)時，可以根據(jù)用戶需要，單獨使用鉆塞泵撬的鉆塞液混配、鉆塞液泵注、鉆塞液即混即注功能。

鉆塞液混配：單獨開啟鉆塞泵撬干/液添系統(tǒng)、混合系統(tǒng)，通過混合系統(tǒng)將外部接入的工藝液基液和由干/液添系統(tǒng)輸送的添加劑共同輸送至混合罐中進行攪拌，最后將混合好的鉆塞液輸送至外部儲罐中。

鉆塞液泵注：單獨開啟鉆塞泵撬泵注系統(tǒng)，將已經(jīng)配置好的鉆塞液通過泵注系統(tǒng)注入井底。

鉆塞液即混即注：開啟鉆塞泵撬干/液添系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、泵注系統(tǒng)，將混合好的鉆塞液實時通過泵注系統(tǒng)注入井底，實現(xiàn)鉆塞液連續(xù)混配泵注。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

外部電源：10kV；最高工作壓力：64MPa；單泵最大排量：1500L/min；配液方式：液+液、固+液；外加劑種類：≥2種；單泵允許連續(xù)作業(yè)時間：＞8h；整體外形尺寸：鉆塞泵撬：7.6×2.7×2.2m；VFD房：9×2.9×2.7m；各種工況下性能參數(shù)見表1。

表1 各種工況下性能參數(shù)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 現(xiàn)場電能供應(yīng)技術(shù)

涪陵地區(qū)使用的電網(wǎng)電壓都是10kV級別，變電站容量一般在10000kVA左右（相當(dāng)于8000kW功率），滿足多平臺鉆井施工作業(yè)。為保證SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備可靠應(yīng)用，高壓變電系統(tǒng)采用一臺1000kVA△10kV/△600V 50Hz干式變壓器供電，利用井場變壓器前端跌落式高壓隔離開關(guān)（LI-NK）的切換，只需要暫停該處變壓器電源，將電控房上的高壓電纜接入井場變壓器高壓接線端處，電控房就可實現(xiàn)不停主電網(wǎng)的情況下，從井場10kV的電網(wǎng)上取電，安全可靠。再通過VFD房內(nèi)部配置的變壓器將10kV高壓轉(zhuǎn)換為600V/400V交流電源輸送至鉆塞泵撬，完成網(wǎng)電電壓轉(zhuǎn)換。現(xiàn)場電能供應(yīng)流程如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場電能供應(yīng)流程

2.2 供電系統(tǒng)集成技術(shù)

為了減少運輸車次，減小占地面積，加強電控系統(tǒng)集成化，在設(shè)計VFD房時，將高壓部分、變壓器部分、低壓配電、電傳系統(tǒng)等全部集成在VFD房內(nèi)。

低壓配電系統(tǒng)包含600V開關(guān)及計量柜、400V開關(guān)柜、MCC柜和有源濾波柜，為GCS型低壓開關(guān)柜。600V開關(guān)及計量柜，柜內(nèi)裝有一套空氣斷路器用于AC600V進線電源控制，一套計量裝置用于電能的計量。400V開關(guān)柜內(nèi)裝有兩套塑殼斷路器，用于600V/400V變壓器進出電源控制；MCC柜主要用于控制鉆塞泵注設(shè)備配套的輔助電機以及井場各區(qū)域供電。

電傳動系統(tǒng)采用先進的全數(shù)字變頻器，變頻器用于驅(qū)動變頻電機。通過Profibus總線與PLC[8]進行通訊，實現(xiàn)由泵注操作臺上的啟停開關(guān)、急停按鈕、手輪或觸摸屏對變頻電機及輔助電機進行控制。配電系統(tǒng)構(gòu)架如圖4所示。

圖4 配電系統(tǒng)構(gòu)架

2.3 自動控制技術(shù)

為實現(xiàn)設(shè)備一鍵式自動控制功能，鉆塞泵注設(shè)備控制系統(tǒng)采用閉環(huán)邏輯[9]控制，通過綜合調(diào)整柱塞泵排量、清水吸入量、液添比例、干添比例、緩沖罐液位等參數(shù)實現(xiàn)添加劑精確添加、混配、泵送功能。

主要控制邏輯如下：

(1)以泵注區(qū)流量為反饋實現(xiàn)對柱塞泵電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，從而改變泵注排量；(2)以泵注區(qū)流量，配液比綜合值為反饋實現(xiàn)對液添泵的電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，從而改變液添排量；(3)以泵注區(qū)流量為反饋實現(xiàn)對射流泵后端的調(diào)節(jié)閥開度的閉環(huán)控制，從而保證混合罐內(nèi)液位平衡；(4)以膠粉料罐內(nèi)質(zhì)量、干粉配比、泵注區(qū)流量綜合值為反饋控制實現(xiàn)對螺旋輸送器電機速度控制，從而改變干添輸送量。

通過四條閉環(huán)控制回路配以相應(yīng)輔助電機的啟停與施工數(shù)據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)，實現(xiàn)鉆塞作業(yè)一鍵式全流程自動控制。自動控制系統(tǒng)操作界面如圖5所示。

圖5 自動控制系統(tǒng)操作界面

3 試驗驗證

3.1 型式試驗

2018年3月設(shè)備試制完成后，在廠內(nèi)進行了相關(guān)型式試驗工作。試驗對整機VFD房的高壓變電系統(tǒng)、低壓電氣系統(tǒng)、鉆塞泵撬的干/液添系統(tǒng)、泵注系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等進行了功能試驗；對鉆塞泵撬柱塞泵、泵注電機等進行了連續(xù)運轉(zhuǎn)性能試驗。試驗結(jié)果表明，SZB1000型鉆塞泵注主要技術(shù)指標(biāo)和主要功能需求均達到設(shè)計要求，試驗結(jié)果如表2所示。

3.2 應(yīng)用效果

2018年6月SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備在涪陵頁巖氣開發(fā)示范區(qū)完成了工業(yè)試驗，前后共配合連續(xù)油管作業(yè)機完成3口井共計45個橋塞的鉆銑工作，設(shè)備共運轉(zhuǎn)207h，單泵最長運轉(zhuǎn)時間10h。鉆塞作業(yè)工作壓力40～48.8MPa、工作排量400～450L/min、設(shè)備負(fù)載率處于37.7%～46.1%區(qū)間。從鉆塞作業(yè)數(shù)據(jù)和后續(xù)作業(yè)情況看，作業(yè)效果理想，工作性能穩(wěn)定，維護檢修方便，自動控制程度高，可以由1人完成鉆塞液混配、泵注作業(yè)，能很好地配合連續(xù)油管作業(yè)機完成橋塞鉆銑作業(yè)。

表2 設(shè)計指標(biāo)與型式試驗結(jié)果對比

4 對比分析

在設(shè)備采購成本方面，在使用SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備進行連續(xù)油管鉆塞作業(yè)前，現(xiàn)場通常使用兩臺2000型或2300型壓裂車進行鉆塞作業(yè)，壓裂車負(fù)載率在30%以下，設(shè)備功率浪費嚴(yán)重、配置成本過高；以鉆塞泵注設(shè)備單臺800萬元計算，設(shè)備采購成本最高可降低64%。設(shè)備配置情況如表3所示。

表3 鉆塞作業(yè)配套設(shè)備對比

在燃料費用方面，SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備完成鉆銑橋塞作業(yè)每24h平均用電量7536kWh，當(dāng)前電價1.28元/kWh，每24h電費9646元；使用壓裂車燃料消耗費用每24h為12240元。以2017年作業(yè)量初步估算，設(shè)備作業(yè)240天左右，鉆塞泵注設(shè)備動力費用0.9646萬元×240天=231.5萬元，壓裂車燃料費用1.224萬元×240天=293.76萬元，動力燃料費用降低21%。

SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備經(jīng)濟性分析如圖6所示。

圖6 SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備經(jīng)濟性分析

5 結(jié)論

（1）SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備整機設(shè)計布局合理、自動化程度高、集成鉆塞液“混配+泵注”功能，可以減少作業(yè)設(shè)備數(shù)量、降低操作人員勞動強度。

（2）設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)鉆塞液多種介質(zhì)混配、小排量低壓力長時間作業(yè)，適應(yīng)國內(nèi)鉆塞施工工程需求。

（3）設(shè)備使用網(wǎng)電作為動力源，配備變頻電機+柱塞泵動力組合，具備噪音小、能耗低、清潔環(huán)保、節(jié)能減排的優(yōu)點。

（4）工業(yè)試驗結(jié)果表明：SZB1000型鉆塞泵注設(shè)備能夠滿足鉆塞作業(yè)需求，與壓裂車配置方案相比，設(shè)備采購成本最高降低64%，動力燃料費用降低21%。

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