一种增能吞吐装备

陶桂红，张 衡，关 庆，黄建喜，刘 健

（1.中国石油渤海石油装备研究院，天津 300280；
2.中国石油渤海石油装备钻井装备公司，天津 300280）

油田开发进入中后期，老区块储层亏空严重，储层物性差、油井低能生产。尤其针对低孔低渗开发区块，普遍存在压力高、注不进、采不出、动用程度低、生产成本高的现象。常规的注水补充能量已无法满足“补能、增油”的动态开采要求，开采井产量递减快，难以长期稳定生产[1]。常规压裂技术、酸化技术等改造技术只能改善地层渗透性，不能补充地层能量，不适用于这类井的治理。采用体积压裂等大型设施来提高采收率，工艺费用高昂，难以大规模推广[2]。近年来，国内油田借鉴页岩气开采经验，参考行业内相似补充储层能量的方案，探索增能吞吐采油工艺技术，通过向储层进行超高压、大排量增强注水，有效恢复地层能量，产生和沟通微裂缝，延展开采面积，重构区块注采井网，解决注不进、采不出的矛盾，破解低孔低渗油藏注水难题。同时，利用高效驱油剂的驱替和置换作用来挖潜剩余油，提高储层的动用程度[3-4]。

目前多采用压裂车组进行施工作业，2000 型、2500 型压裂车组属于超限运输工程车辆，制造成本高，道路通过性较差，井场布置困难。同时增能吞吐作业周期长，降低了车辆底盘的使用率，增加了运维成本。压裂泵车采用轻量化集成设计，发动机、变矩器、柱塞泵不能长时间连续运转，台上设备安装紧凑维修操作空间小。在降本增效的新形势要求下，针对增能吞吐采油工艺技术特点，需要开发一种大功率、大排量、高压力、连续作业、道路通过性强的专用设备，降低设备生产成本和使用成本，且要求设备维护方便，操作简单，工作稳定。

增能吞吐装备主要由动力撬和泵撬组成，动力撬主要由发动机（带水箱）、变矩器组成，泵撬主要由传动轴、控制系统、柱塞泵、冷却润滑系统组成（图1）。现场组装时利用限位连接装置将动力撬与泵撬组装成一体，传动轴通过快速连接盘将变矩器输出端与泵输入端进行连接。

图1 增能吞吐装备

发动机飞轮盘与变矩器输入法兰相连，发动机启动后，调整变矩器挡位，实现改变输出扭矩和转速，通过联轴器驱动柱塞泵工作，柱塞泵柱塞往复运动实现液体的吸入和排出。发动机取力口和变矩器取力口为冷却润滑系统中的油泵提供动力，控制系统完成各设备间的协调，控制装备实现排量和压力的调整。

增能吞吐装备针对大功率连续作业要求设计，发动机可24 h不间断运转，柱塞泵针对高压大排量、长寿命等需求做出优化。设备参数实时采集分析，自动控制发动机转速和变矩器挡位，能够最大程度利用发动机输出功率，并可实现装备状态记录及自动预警、报警提示，分体撬装减少运输尺寸，满足山区丘陵地带设备运输要求。

2.1 动力配置

增能吞吐装备采用矿用柴油发动机作为动力源，作业时发动机工作在80%以上功率区间，供油及散热可满足不间断作业需求。采用变矩器实现大扭矩平稳输出，其启动扭矩大，抗冲击能力强，易于调整速比。相较于压裂泵车动力源，具有更大的装机功率和更长的连续作业能力。

2.2 柱塞泵优化

柱塞泵的结构主要由动力端（主要负责动力的传递）及柱塞泵液力端（液体过流通道）组成，由于增能吞吐装备机组功率较大，动力端通常采用齿轮传动方式。目前主要矛盾集中在高负载下连续不间断作业时提高动力端的运行可靠性及稳定性，故需对动力端的齿轮传动副及主动轴进行优化设计，依据载荷参数优化齿轮组设计参数，从而提高啮合稳定性和强度。通过优选齿轮副、主动轴材料，依靠热处理工艺改善齿面及齿芯硬度，从而延长齿轮组、主动轴使用寿命，提高动力端传动稳定性。

液力端主体泵头（阀箱）采用高强度锻钢制造，优化其流道结构并进行自增强处理，可有效隔离高压工作腔与低压工作腔，避免了因高压交变应力产生的泵头应力集中开裂现象。通过优选柱塞基体材料及强化表面处理工艺，提升了柱塞的耐腐蚀性和耐磨性，同时提升了基体与表面合金的结合力，防止高压水对柱塞表面交变冲击造成的表皮剥落。阀组采用水平直通组合锥阀结构，有效避免了固相颗粒在液流密封面的滞留，从而保证了阀组的正常开启，通过热处理提高了其表面硬度，提高了抗磨砺磨损的能力，从而减少了停机维修时间，有效延长了液力端使用寿命达1000 h 以上。

2.3 润滑散热系统优化

柱塞泵是高功率设备，系统采用主动方式强制对设备进行润滑和散热，保障设备高温长期作业。设备工作环境温度变化大，需适应-20～45 ℃。通过调整各种润滑和散热泵的排量，实现动力系统、传动系统、柱塞泵系统内润滑油维持在75～80 ℃，确保油品性能稳定，实现连续高功率运转。同时针对高寒环境作业，配备了加热保温套件，解决设备低温启动时油液温度过低、黏度过大的问题。润滑油吸油管路、回油管路增加过滤装置，确保润滑油洁净度符合工作要求。润滑油温度、液位实时检测，根据预定参数设定报警，解决了设备运转时润滑散热系统的稳定工作问题。

2.4 控制系统

控制开关、按钮、仪表集成安装于控制台，配有远程控制接口，可实现本地和远程控制。采用工业以太网控制，网络中任何一台控制终端都可以对发动机转速和变矩器挡位进行调整，可以实现多台并机控制，实时显示作业状态参数。控制程序采用闭环控制，实时采集发动机、变矩器、柱塞泵、输出流量及压力、润滑、散热系统参数信息，通过预定程序判断执行，自动完成各设备间的协调控制。同时依托渤海装备公司开发的柱塞泵运行智能诊断控制系统，进行在线实时监控、数据记录、分析、故障预警、诊断等。通过系统反馈结果，可把故障信息、处置建议、维修方案，以图形、文字、视频的等方式发送至各维护人员，指导维护人员进行正确的保养和维护。

2.5 撬装框架

动力撬和泵撬使用型钢拼焊而成，框架角处使用标准集装箱角件，撬体运输时可与运输车辆使用标准集装箱转锁进行可靠连接。同时撬体尺寸采用20GP 标准集装箱尺寸，单撬总重小于20 t，远距离公路运输时，可用集装箱专用运输车辆，避免了超限运输。在山区丘陵地区非铺装路段运输时，可用短轴车辆进行单体运输。作业现场具备吊装条件，不会增加额外吊装费用。撬架组装时利用限位楔块快速准确进行连接，线缆、接管使用对插快速接头进行快速连接。相比压裂车组，撬体可用安装空间大，维修空间合理，能实现更大功率设备的安装，且不属于超限运输，道路通过性好。由于单机装机功率大，相同作业要求下可降低机组配套数量，减少井场布置空间。撬装形式减少了对车辆的长期占用，节约了投资成本和车辆养护成本。

国内某油田利用压裂车组对目标井组进行作业，输送介质为清水，作业采用连续工作制，注入压力50～60 MPa，日注入量4500 m3以上。此次作业采用2250 型泵车5 台、1800 型泵车5台轮换作业，目标单井作业9 d，累计注入40 542 m3[1]。但因压裂泵车柴油机工作特性及压裂泵结构特性，导致压裂泵车无法连续运行，此次作业压裂泵车采取运行2 h、停注2 h 的工作方式，多台压裂泵车轮换作业，确保增能吞吐工艺要求执行。在此作业周期中液力端平均使用寿命600 h。

增能吞吐装备最高工作压力60 MPa，最大排量2000 m3/d，额定输出功率2500 hp（1864 kW），可连续24 h 不间断作业。实施注入压力50～60 MPa，日注入量4500 m3以上作业，应用4台机组（用3 备1）进行施工，可实现注入量6000 m3/d，可以无故障完成一个作业周期。对比压裂车组施工方案，设备不用频繁更替启停，减少装机功率50%，机组使用数量减少，可降低施工作业占地面积50%，降低运输费用30%，同时减少设备投资费用30%，降低维修费用60%，缩短作业周期30%。增能吞吐装备采用撬装模式，仅需少量人员即可完成作业任务，无车辆采购费用和养护费用，不需要专业驾驶人员进行车辆驾驶，降低运输风险及人员成本。

增能吞吐装备满足了增能吞吐采油工艺技术对大排量、高压力、连续作业的设备的需求，实现连续不间断作业，减少作业机组配套数量，减少操作人员、运输人员的配备数量，降低运维成本，助力使用方降本增效，有效提高市场竞争力。并解决了大功率设备装机需求与车载式结构受外形尺寸重量限制之间的矛盾，撬装布局合理，单撬重量及尺寸适应普通运输车辆要求，有利于井场间快速转运和现场起吊，尤其利于山区丘陵及边零场站复杂地域作业需求。创新配套的控制系统，能够对故障进行自动诊断，及时预警，为维修人员提供故障信息和处理方法，有效缩短非计划停机时间，保障设备平稳运行，提高设备数字化、自动化程度。

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