隨著陸地油氣資源日益枯竭，海洋油氣田開發(fā)成為目前油氣生產(chǎn)領(lǐng)域的重點(diǎn)方向之一，而以壓裂、酸化為主的儲(chǔ)層改造技術(shù)將成為未來海洋油氣增產(chǎn)的重要手段之一。目前國(guó)內(nèi)海洋油氣增產(chǎn)作業(yè)裝備集成方式主要有2種：①將設(shè)備放置在生產(chǎn)平臺(tái)或鉆井平臺(tái)上；②集中在一艘船舶上。而油田壓裂船以其高效性、安全性、良好的操控性和穩(wěn)定性，在海洋油氣工程領(lǐng)域中不斷應(yīng)用推廣。目前在國(guó)內(nèi)海域?qū)嵤┻^壓裂作業(yè)的有查理德號(hào)，中海油服建造的搭載式油田增產(chǎn)船“海洋石油640”以及其他油服企業(yè)搭載壓裂設(shè)備的駁船。國(guó)外油田壓裂作業(yè)船隊(duì)在國(guó)內(nèi)實(shí)行技術(shù)壟斷，租金昂貴。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有海洋壓裂裝備只能滿足常規(guī)壓裂作業(yè)，不能滿足未來大規(guī)模儲(chǔ)層壓裂改造作業(yè)需求，因此大力研發(fā)油田壓裂船將成為我國(guó)海洋領(lǐng)域重大技術(shù)裝備及設(shè)備國(guó)產(chǎn)化方向之一。

1 國(guó)內(nèi)外壓裂作業(yè)船發(fā)展現(xiàn)狀

早在上世紀(jì)90年代，墨西哥灣油氣田就出現(xiàn)了與陸地作業(yè)模式類似的壓裂作業(yè)。以貝克休斯、斯倫貝謝、哈里伯頓為代表的跨國(guó)石油服務(wù)公司都根據(jù)不同的作業(yè)要求和海域特征設(shè)計(jì)、建造了先進(jìn)的油田壓裂船。該類船具有優(yōu)越的操控性和良好的穩(wěn)定性，配備連續(xù)混配系統(tǒng)，支撐劑儲(chǔ)存裝置、混配系統(tǒng)，中央控制室以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并有完備的質(zhì)量控制體系和快速脫離裝置，無需海上作業(yè)平臺(tái)為其提供甲板和儲(chǔ)存空間，節(jié)省了昂貴的平臺(tái)租賃費(fèi)用，在墨西哥灣、巴西、西非、北海等國(guó)家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)外有30余艘油田壓裂船，搭載船型和一體化船型并存，配套的壓裂設(shè)備以柴驅(qū)驅(qū)動(dòng)方式為主，連續(xù)混配系統(tǒng)具備耐酸功能。

國(guó)內(nèi)對(duì)于油田壓裂船的研究起步較晚，目前已有學(xué)者就油田壓裂船的動(dòng)力定位系統(tǒng)、綜合電站系統(tǒng)、快速脫離裝置等方面展開研究，其中關(guān)于船載壓裂設(shè)備的研究已初見成果，但對(duì)于壓裂裝備的輕量化、模塊化，以及壓裂過程中船舶與壓裂設(shè)備間的信息集成及接口技術(shù)缺乏創(chuàng)新研究，目前還沒有生產(chǎn)出符合船舶規(guī)范的電驅(qū)壓裂泵。因此本文針對(duì)以上問題進(jìn)行探討分析。

2 壓裂作業(yè)系統(tǒng)裝備配置概述

針對(duì)海上壓裂作業(yè)的特點(diǎn)，圍繞海洋油氣壓裂作業(yè)系統(tǒng)及工程適用性開展研究，從壓裂作業(yè)裝備輕量化、模塊化，壓裂作業(yè)系統(tǒng)與船舶系統(tǒng)接口技術(shù)、信息集成，壓裂作業(yè)系統(tǒng)電磁環(huán)境檢測(cè)，供酸裝置幾個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)探討，下面將對(duì)上述內(nèi)容分別進(jìn)行論述。

2.1 壓裂作業(yè)裝備輕量化、模塊化

海洋油氣壓裂作業(yè)裝備數(shù)量大、種類多，在有限的船舶空間內(nèi)，進(jìn)行作業(yè)裝備優(yōu)化配置是壓裂作業(yè)系統(tǒng)的一個(gè)難點(diǎn)。為節(jié)省面積和空間，作業(yè)裝備應(yīng)盡可能選用技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、功率大、效率高的機(jī)械設(shè)備，利用功能分解再重組的原則，將壓裂作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化劃分。在此基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用高強(qiáng)度材料，達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。目前國(guó)內(nèi)各大壓裂設(shè)備制造廠商都在爭(zhēng)先研發(fā)輕量化、模塊化、高壽命的壓裂泵，如煙臺(tái)杰瑞的2 500型柴驅(qū)壓裂泵和四機(jī)公司的3 000型柴驅(qū)壓裂泵，單橇總量都能控制在15 t以內(nèi)，泵頭采用不銹鋼材質(zhì)，使用壽命由400 h提升至800～1 000 h。國(guó)內(nèi)電驅(qū)壓裂設(shè)備研發(fā)、制造能力優(yōu)于國(guó)外，以3 675～4 410 kW的電驅(qū)壓裂泵為主。

2.2 壓裂作業(yè)系統(tǒng)與船舶系統(tǒng)接口技術(shù)

油田壓裂船的功能系統(tǒng)主要包括船舶固有配套系統(tǒng)和壓裂作業(yè)系統(tǒng)，油田壓裂船功能系統(tǒng)框圖如圖1所示。船舶傳統(tǒng)配套系統(tǒng)與壓裂作業(yè)系統(tǒng)間交叉系統(tǒng)為：監(jiān)控系統(tǒng)、供電系統(tǒng)及其他動(dòng)力系統(tǒng)，系統(tǒng)間存在交叉接口，針對(duì)此類接口，制定統(tǒng)一的接口形式，明確接口的尺寸規(guī)格及材料標(biāo)準(zhǔn)；確定各壓裂設(shè)備的功率和電壓，進(jìn)而確定供電接口；壓裂監(jiān)控系統(tǒng)則通過現(xiàn)場(chǎng)總線接口連接船舶綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)，用來指示、報(bào)警、控制和記錄設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶載體功能與壓裂作業(yè)功能的統(tǒng)一監(jiān)控、有效結(jié)合，降低船舶設(shè)備配置冗余。

圖1 油田壓裂船功能系統(tǒng)框圖

2.3 壓裂作業(yè)系統(tǒng)與船舶信息集成

針對(duì)船舶與壓裂作業(yè)系統(tǒng)信息交互種類繁多、信息交互復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)壓裂作業(yè)系統(tǒng)信息與船舶信息的交互傳輸及共享模式進(jìn)行分析，確定交互信息的內(nèi)容、數(shù)據(jù)類型、信息量、時(shí)延等參數(shù)，按照信息重要程度、安全等級(jí)對(duì)信息進(jìn)行分類重組，明確信息交換格式、協(xié)議，形成統(tǒng)一的信息接口標(biāo)準(zhǔn)，制定一套基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的信息安全敏感分級(jí)和信息分類傳輸機(jī)制，實(shí)現(xiàn)船舶與壓裂作業(yè)系統(tǒng)的信息集成共享，更加能夠體現(xiàn)出智能船舶的先進(jìn)性、適用性。目前國(guó)內(nèi)還沒有研發(fā)壓裂作業(yè)系統(tǒng)與船舶信息集成的系統(tǒng)軟件，如中海油服在役的HYSY640，曾論證改建成油田壓裂船的MMC887和PX121 等PSV船型，其壓裂作業(yè)系統(tǒng)和船舶信息系統(tǒng)互為獨(dú)立。

2.4 壓裂作業(yè)系統(tǒng)電磁環(huán)境檢測(cè)

根據(jù)壓裂作業(yè)系統(tǒng)自身特點(diǎn)，借鑒軍用系統(tǒng)電磁兼容檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)采用電磁環(huán)境效應(yīng)和電磁兼容安全裕度的思想，進(jìn)行壓裂作業(yè)系統(tǒng)電磁環(huán)境檢測(cè)。根據(jù)壓裂作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)備組成、布置及系統(tǒng)功能、電磁兼容特性等，研究分析壓裂作業(yè)系統(tǒng)的電磁發(fā)射特性、敏感度及可能出現(xiàn)的電磁干擾因素，以保障壓裂作業(yè)系統(tǒng)工作中的電磁兼容性。目前中海油服正在設(shè)計(jì)研究全電驅(qū)一體化油田壓裂船船型，該船采用中壓配電板綜合電站設(shè)計(jì)(壓裂設(shè)備和船舶共用發(fā)電系統(tǒng))，主電站發(fā)電功率超過26 MW。由于此類船舶的作業(yè)特點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)階段必須考慮諧波電流對(duì)電網(wǎng)的影響。

2.5 供酸裝置

油田壓裂船酸化作業(yè)時(shí)酸液腐蝕性強(qiáng)，對(duì)排放、人員及船體安全要求高。采用閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)、智能防溢出液位控制技術(shù)、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制技術(shù)及耐酸控制元件，在明確酸化作業(yè)中酸的種類和用量的前提下，結(jié)合船舶總體布置，完成供酸系統(tǒng)方案配置，實(shí)現(xiàn)精確配酸遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，滿足海洋配酸工藝和船載配酸作業(yè)安全的要求。

3 結(jié)束語

借鑒國(guó)外油田壓裂船的設(shè)計(jì)、建造經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)海洋低滲油氣藏儲(chǔ)層壓裂改造需求，研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造符合我國(guó)低滲油氣藏開發(fā)的先進(jìn)油田壓裂船。該船的研制對(duì)提升國(guó)內(nèi)大型海洋石油裝備設(shè)計(jì)研發(fā)能力、推進(jìn)關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化具有重要意義，可打破國(guó)外技術(shù)壁壘，解決“卡脖子”問題。

我國(guó)油田壓裂船的研制及配套設(shè)備還存在諸多關(guān)鍵技術(shù)亟待解決，建議從以下幾個(gè)方面繼續(xù)深入開展工作。

1)提升海洋壓裂裝備的研發(fā)能力，使之向集成化、數(shù)字化、信息化方向發(fā)展，開發(fā)適用于船舶規(guī)范的電驅(qū)壓裂泵。受制于功率大小及環(huán)保要求，只有國(guó)外部分柴驅(qū)壓裂設(shè)備符合船舶規(guī)范要求，符合船舶規(guī)范的大功率電驅(qū)壓裂設(shè)備國(guó)內(nèi)外還沒有研發(fā)，電驅(qū)壓裂設(shè)備更有利于數(shù)智化的發(fā)展，因此大力研發(fā)符合船舶規(guī)范的電驅(qū)壓裂設(shè)備給國(guó)內(nèi)壓裂設(shè)備制造企業(yè)帶來巨大商機(jī)。

2)開展海上油田壓裂作業(yè)試驗(yàn)，系統(tǒng)收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行總結(jié)歸納，結(jié)合使用中存在的問題對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。中國(guó)海油集團(tuán)公司已經(jīng)部署了“十四五”期間的海上低滲油氣藏開發(fā)試驗(yàn)工作的相關(guān)要求，明確了任務(wù)書和時(shí)間表。并提出了“十五五”和“十六五”期間海上低滲儲(chǔ)層改造技術(shù)規(guī)劃及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用目標(biāo)。

3)結(jié)合國(guó)內(nèi)海洋低滲油氣藏開發(fā)需求，明確油田壓裂船功能定位及作業(yè)能力，使增產(chǎn)專用設(shè)備與船舶高度集成，實(shí)現(xiàn)船舶一體化、智能化控制。目前中海油服正在研究全電驅(qū)一體化的專業(yè)油田壓裂船配套方案。