呂文偉

（中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司 湖北 荊州434024）

引言

“頁巖氣革命” 正以美國為中心波及全球，能源問題已經(jīng)成為了各個(gè)國家發(fā)展和關(guān)心的的核心問題，我國頁巖氣主戰(zhàn)場主要集中在川渝和新疆地區(qū)，隨著國家加快川渝頁巖氣以及新疆特深層油氣大開發(fā)進(jìn)程,超深井及復(fù)雜地層固井作業(yè)出現(xiàn)的頻次越來越高,高壓力、大排量、長時(shí)間不間斷作業(yè)等,成為固井施工作業(yè)面臨的難題。

以前,單機(jī)單泵固井車、雙機(jī)雙泵固井車等受功率限制,通常采用4-8臺常規(guī)固井水泥車同時(shí)作業(yè)。加之,四川地區(qū)作業(yè)現(xiàn)場上井遒路曲折,井場空間較小,管線連接復(fù)雜,作業(yè)成本較高。

2500型固井車能夠有效改變目前國內(nèi)固井裝備自動化程度低，操作人員勞動強(qiáng)度較大、安全性較低，非常規(guī)油氣田施工效率與精度不理想的現(xiàn)狀。同時(shí)，將打破國外公司技術(shù)壟斷，推動國內(nèi)固井工藝進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)固井裝備技術(shù)突破升級，對我國油氣資源的開發(fā)具有重要意義。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

如圖1所示，2500型固井車主要由底盤、配電系統(tǒng)、高低壓管匯、電驅(qū)動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、固井泵、固井泵潤滑系統(tǒng)、計(jì)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(yù)先設(shè)定的作業(yè)參數(shù)自動調(diào)整各功能元件,實(shí)現(xiàn)全流程自動固井作業(yè)。

圖1 2500型固井車結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

最高作業(yè)壓力:100 MPa

最大作業(yè)排量: 2400L/min

最大混漿能力: 3.0 m3/min@1.9 g/cm3

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(jī)移運(yùn)狀態(tài)時(shí)總質(zhì)量: 45t

整機(jī)外形尺寸( 長×寬×高) :12.96×2.55×4.00m

環(huán)境溫度: -20～+45℃

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(shù)關(guān)鍵

2.1 2500hp固井泵研制技術(shù)

深層頁巖氣開發(fā)過程中，惡劣的工作環(huán)境對固井設(shè)備提出了新的要求。對于固井裝置的核心設(shè)備固井泵，特定要求如下：一是作業(yè)壓力高、排量大，輸出功率大幅提高。二是單次固井作業(yè)時(shí)間增加，要求固井泵具有更強(qiáng)的連續(xù)作業(yè)能力。此外，鑒于固井裝置集成化程度高的特點(diǎn)，對固井泵裝配結(jié)構(gòu)及尺寸提出了較為苛刻的要求。在上述要求的基礎(chǔ)上，部分借鑒現(xiàn)有成熟大功率壓裂泵技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)了2500hp大功率固井泵。

該泵最大輸入功率2500 hp，采用5缸泵設(shè)計(jì)，排出壓力脈動小于7%，在50 MPa排出壓力時(shí)可最大輸出2 m3/min。

使用外掛式行星齒輪減速箱，降低泵整體高度，為車載形式提供可能設(shè)計(jì)了新型組合式十字頭和緊湊型泵殼，相比常規(guī)2500泵降高265mm，如圖2所示。

圖2 泵高度對比

2.2 大排量技術(shù)

基于多相流混合過程動態(tài)模擬分析，建立混合器流場仿真模型，采用對比分析方法，優(yōu)化混合器關(guān)鍵參數(shù)，提升混合器性能。

綜合混合器性能需求形成供液、供灰配套零部件方案，研制大排量混漿系統(tǒng)；構(gòu)建模擬試驗(yàn)平臺，制定關(guān)鍵參數(shù)測試評價(jià)方案，形成混合器性能試驗(yàn)規(guī)范，驗(yàn)證大排量混漿系統(tǒng)的技術(shù)性能。大排量混合器如圖3所示。

圖3 大排量混合器

通過對混合器和混漿系統(tǒng)的升入研究形成了大排量混漿技術(shù)，完成了大排量混漿系統(tǒng)研制，并開展了混水泥實(shí)測試驗(yàn)，混漿性能達(dá)到3.0 m3/min@1.9g/cm3，混漿能力較常規(guī)混漿系統(tǒng)提高76%。相交常規(guī)混合器，混漿能力對比如表2所示：

表2 混漿系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)對比表

2.3 固井施工遠(yuǎn)程控制技術(shù)

固井遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)基于ACM系列自動控制系統(tǒng)，支持固井自動混漿及機(jī)組泵送全套功能的PC版軟件系統(tǒng)。其主要功能為：支持完整的固井控制操作；支持完整泵車控制操作；支持多泵同時(shí)控制；支持不同控制器泵控設(shè)備的控制；支持各信號配置及校準(zhǔn)；支持報(bào)警自定設(shè)置；支持報(bào)警自動提示；提供系統(tǒng)設(shè)置功能。

多泵泵送模式可支持多至3臺固井設(shè)備小型機(jī)組的集中控制，用于實(shí)施泥漿泵送作業(yè)。該模式可提供完整的單泵及機(jī)組泵送作業(yè)控制、支持單設(shè)備自動混漿作業(yè)控制、兼容2500型、1000型固井裝備控制以及自動掃描識別聯(lián)網(wǎng)固井設(shè)備。

單泵泵送模式提供完整的單設(shè)備全流程泥漿泵送作業(yè)控制。該模式可實(shí)現(xiàn)動力系統(tǒng)及檔位調(diào)速控制、 離心泵調(diào)速及供液漿控制、管匯閥門控制、超壓保護(hù)、壓力測試等功能。

自動混漿模式支持單臺固井裝備自動混漿施工作業(yè)，支持定密度自動控制、及定液位自動控制、動力系統(tǒng)及檔位調(diào)速控制、水灰閥調(diào)控、離心泵調(diào)速、管匯閥門等控制。

3 試驗(yàn)及應(yīng)用效果

3.1 型式試驗(yàn)

2020年11月完成試制后，在公司開展了2500型固井車型式試驗(yàn)工作。試驗(yàn)對裝備各功能原件及整機(jī)性能進(jìn)行測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，2500型固井車主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 應(yīng)用效果

2021年4月，2500型固井車于2021年4月在四川威遠(yuǎn)投入工業(yè)試驗(yàn)，截止目前已完成近30余口井次的固井作業(yè)。在使用過程中，整機(jī)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(yīng)用的驗(yàn)證。

4 結(jié)論

2500型固井車是針對頁巖氣固井作業(yè)對壓力、排量和清水替漿作業(yè)要求的挑戰(zhàn)，大幅提升了單機(jī)裝機(jī)功率，為小井場高壓力固井，尤其是川渝地區(qū)頁巖氣固井施工提供新策略。該設(shè)備其與常規(guī)固井裝備相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 單機(jī)工作壓力高、排量大，較常規(guī)固井設(shè)備性能參數(shù)有大幅提高

(2) 整機(jī)結(jié)構(gòu)和布局合理、緊湊，能夠滿足大型固井施工作業(yè)的要求

(3) 控制系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，工作可靠，軟件界面和操作模式貼近施工現(xiàn)場

(4) 整機(jī)設(shè)計(jì)及操作控制滿足安全和環(huán)保的要求