SGJ1600型電動固井裝備研制

張也

（中石化四機石油機械有限公司 荊州 434024）

引言

頁巖氣是一種天然氣資源，隨著天然氣價格不斷上漲，一場“頁巖氣革命” 正以美國為中心波及全球，從發(fā)達國家到新興市場，都卷入其中，體驗到 “革命”的力量與沖擊。中國頁巖氣儲量超過美國，穩(wěn)居世界第一,頁巖氣資源勘探開發(fā)是國家能源發(fā)展的重要目標，三大石油公司也將其列為非常規(guī)油氣資源首位。固井作為頁巖氣開采過程中的重要組成部分，其質量好壞直接關系到油氣井的產(chǎn)能與壽命。由于頁巖氣開采難度大，眾多新技術、新工藝都得到廣泛應用，常規(guī)固井裝備在面對頁巖氣固井施工時存在功率不足、自動化程度不高的問題，而高端柴驅動力固井裝備又被國外企業(yè)壟斷，現(xiàn)有裝備難以滿足諸多全新挑戰(zhàn)的要求。為打破國外企業(yè)在高端固井裝備市場壟斷地位，滿足非常規(guī)油氣固井作業(yè)對裝備性能提升的要求，進一步提高國內企業(yè)在石油裝備制造研發(fā)領域的國際影響力，中石化四機石油機械股份有限公司自主研制出世界首臺SGJ1600型電動固井裝備。

1 技術分析

1.1 結構

如圖1所示，SGJ1600型固井裝備主要由底盤、配電系統(tǒng)、高低壓管匯、電驅動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、固井泵、固井泵潤滑系統(tǒng)、計量罐、混漿槽、混漿系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、副大梁等主要部件組成。裝備可根據(jù)預先設定的作業(yè)參數(shù)自動調整各功能元件,實現(xiàn)全流程自動固井作業(yè)。

圖1 SGJ1600型電動固井裝備結構示意圖

1.2 主要技術參數(shù)

最高作業(yè)壓力:79 MPa

最大作業(yè)排量: 2800L/min

最大混漿能力: 2300 L/min

水泥漿密度控制范圍: 1～2.7 g/cm3

水泥漿密度精度: ±0.012 g/cm3

整機移運狀態(tài)時總質量: 37t

整機外形尺寸( 長×寬×高) : 11.7×2.5×4.0m

環(huán)境溫度:－35～＋50 ℃

各種工況下性能參數(shù)見表1。

表1 各種工況下的性能參數(shù)

2 技術關鍵

2.1 QPE1400型固井泵研制技術

頁巖氣固井作業(yè)排量、壓力較常規(guī)固井作業(yè)大幅提升，注水泥水馬力達到1000hp以上、清水替漿水馬力達到1300hp以上，且由于注漿量增大作業(yè)時長也由原先的1小時左右達到3-4小時，常規(guī)固井裝備配置的固井泵泵水馬力最大不超過1000hp，且無法滿足連續(xù)滿負荷運轉要求，如表2所示。因此頁巖氣固井作業(yè)通常使用2-3臺常規(guī)固井裝備同時作業(yè)，多裝備協(xié)同作業(yè)可靠性低，操作難度高，人員勞動強度大、裝備調配機動性差。

表2 常規(guī)固井裝備固井泵水功率

基于上述原因，開展了QPE1400型固井泵研制技術攻關，創(chuàng)建了基于理論計算、結構設計、吸排模擬的連續(xù)滿負荷固井泵泵設計與分析系統(tǒng)，形成了固井泵缸數(shù)、沖程、連桿負荷、傳動結構和材料優(yōu)選 “五因素優(yōu)化”的輕量化設計方法，研制出世界首臺連續(xù)滿負荷QPE1400型固井泵，如圖2所示。

圖2 QPE1400型固井泵及內部結構

表3

2.2 基于變頻一體機的協(xié)同控制及遠程管理技術

針對固井施工可靠性要求高、容錯率低的特點，基于變頻器、電機的自身特性，制定混漿-變頻協(xié)同控制系統(tǒng)構架，定制開發(fā)關鍵執(zhí)行環(huán)節(jié)控制流程，實現(xiàn)多種功能拓展，開發(fā)了混漿-變頻傳動協(xié)同控制系統(tǒng)，整套系統(tǒng)采用核心功能模塊化封包，混漿-變頻傳動功能可協(xié)同控制及獨立運轉，提高裝備作業(yè)可靠性，如圖3、圖4所示。

圖3 模塊化控制系統(tǒng)架構

圖4 控制系統(tǒng)功能拓展

基于固井裝備特點，為成套固井裝備建立全生命周期信息系統(tǒng)，構建遠程傳輸架構，組建整機局域網(wǎng)CAN通訊系統(tǒng)及4G遠傳網(wǎng)絡透傳平臺，開發(fā)了具備遠程監(jiān)測、施工數(shù)據(jù)記錄和工程管理的固井裝備遠程管理平臺。該平臺將裝備智能連接、數(shù)字化管理的方式參與到固井裝備全生命周期的每一個階段中，跨越單一固井作業(yè)的信息孤島，實現(xiàn)設備、作業(yè)信息聯(lián)網(wǎng)聯(lián)云、數(shù)據(jù)共享，如圖5所示。

圖5 固井裝備遠程管理平臺功能架構

3 試驗及應用效果

3.1 型式試驗

2019年12月完成試制后，在公司開展了SGJ1600型電動固井裝備型式試驗工作。試驗對裝備各功能原件及整機性能進行測試。試驗結果表明，SGJ1600型電動固井裝備主要技術指標達到設計要求。

3.2 應用效果

2020年5月，1臺SGJ1600型電動固井裝備發(fā)往重慶永川地區(qū)進行作業(yè)，截止目前已完成近20余口井次的固井作業(yè)。在使用過程中，整機性能及維保便利性得到使用方的一致好評，裝備順利通過工業(yè)應用的驗證。與常規(guī)裝備相比，SGJ1600型電動固井裝備在維保成本、燃料費用、人工費用等方面相較柴驅均有優(yōu)勢，成本對比如圖6所示。

圖6 1600型電動固井裝備使用成本分析

4 結論

SGJ1600型電動固井裝備是針對頁巖氣固井作業(yè)對壓力、排量和的作業(yè)時長提升的挑戰(zhàn)，降低裝備使用成本，打破國外大功率柴油動力系統(tǒng)卡脖子局面而研制的電動固井裝備，其與常規(guī)固井裝備相比具有以下優(yōu)點：

(1) 使用鉆機電源，不額外增加供電成本

(2) 全國產(chǎn)化配置，降低設備成本和采購周期

(3) 輸出功率1600hp，單機完成長水平井固井作業(yè)

(4) 環(huán)保節(jié)能，維護成本低，燃料費用降低30%以上

(5) 整機長度短、轉彎半徑小、易于山地運輸