1800型壓裂車的研制和應(yīng)用

張利賓，孫巖波，艾紹磊

（中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司中成裝備制造分公司，天津 300280）

壓裂車是油田壓裂施工作業(yè)的主要設(shè)備之一，屬于石油鉆井裝備專用車輛。主要功能是向油氣井內(nèi)注入高壓、大排量的壓裂液，隨著壓裂液的不斷注入，地層所受壓力不斷升高，地層逐漸被壓開，之后把支撐劑擠入裂縫，提高油氣層滲透率和油、氣井采收率。隨著復(fù)雜油氣藏、低滲透油田和煤層氣田的開發(fā)，現(xiàn)場對壓裂施工提出了更高的要求。壓裂車需具有高壓力、大排量、多功能、自動化等特點。近年來，我國已先后成功研制了400型～3000型系列壓裂車。當(dāng)前各油田壓裂施工總體工作量逐年增大，年增長率大約在20%左右。渤海石油裝備中成裝備制造分公司針對客戶提出的市場需求，經(jīng)過認(rèn)真分析和研究，于2016年設(shè)計研制了1800型壓裂車，并于2017年3月交付渤海鉆探井下技術(shù)服務(wù)分公司，目前該壓裂車已在長慶油田、大港油田投入使用。

1 總體方案設(shè)計

1800型壓裂車如圖1所示。該壓裂車主要由二類底盤車、散熱水箱、柴油發(fā)動機(jī)總成、液力變速器總成、自動控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、三缸柱塞泵總成、潤滑系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、高低壓管匯以及檢泵臺、備胎架、梯子等附件組成。該壓裂車動力性強(qiáng)、越野性好、排量大、自動化程度高，適用于油田淺井及中深井的壓裂施工，因而具有廣闊的市場前景。其工作原理為：柴油發(fā)動機(jī)輸出動力，經(jīng)液力變速器、傳動軸傳遞給三缸柱塞泵，三缸柱塞泵將壓裂液增加到一定壓力時，將其注入井內(nèi)進(jìn)行壓裂作業(yè)。

1.1 主要配置

底盤車型號：北奔重汽ND系列；

柴油發(fā)動機(jī)型號：重慶康明斯KTA38-C1400；

液力變速器型號：貴州凱星BY1820；

三缸柱塞泵型號：中成機(jī)械3ZC-1320。

圖1 1800壓裂車整車結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

底盤車功率為276kW，驅(qū)動型式為8×4，最大允許總質(zhì)量31000kg，國V排放標(biāo)準(zhǔn)；整車重量31000kg，一橋、二橋載重量為13000kg，后雙橋載重量為18000kg，最高工作壓力為105MPa（使用直徑φ100柱塞），最大流量為2188L/min（使用直徑φ127柱塞）。

1.3 性能特點

（1）整車結(jié)構(gòu)布局合理，載荷分布均勻，動力性強(qiáng)，越野性好，自動化程度高。（2）具有電子和機(jī)械雙重超壓保護(hù)裝置，反應(yīng)迅速靈敏，設(shè)備工作安全可靠。（3）遠(yuǎn)程控制、就地控制切換簡便，設(shè)備操作可靠。（4）配備燃油加熱器，設(shè)備適應(yīng)于寒冷地區(qū)。

2 結(jié)構(gòu)特點

2.1 整車設(shè)計

壓裂車設(shè)計時，先應(yīng)用SolidWorks繪圖軟件，繪制各部件的三維立體圖，通過組裝配對，建立了不同的壓裂車整車模型；再應(yīng)用ANSYS軟件對各模型進(jìn)行受力分析，選擇各車橋受力最優(yōu)的模型；最后根據(jù)該模型生成二維生產(chǎn)用CAD圖紙，從而完成整車的設(shè)計。

2.2 動力裝置連接

動力裝置由柴油發(fā)動機(jī)、液力變速器及連接支架、散熱器組成。柴油發(fā)動機(jī)、液力變速器與副梁連接采用隔震安裝型式，使用工程橡膠進(jìn)行減震。柴油發(fā)動機(jī)與液力變速器連接成一個獨立的整體，通過三點安裝方式與構(gòu)架連接，一個安裝點在柴油機(jī)前部，兩個柔性安裝點在液力變速器兩側(cè)后部。該安裝結(jié)構(gòu)即消除了柴油發(fā)動機(jī)與液力變速器的安裝誤差，又提高了設(shè)備的抗震性。

2.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)為開式循環(huán)系統(tǒng)，通過溢流閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力。工作原理為：動力源由底盤車發(fā)動機(jī)提供，液壓油通過液壓泵驅(qū)動臺上柴油發(fā)動機(jī)液壓馬達(dá)，啟動臺上柴油發(fā)動機(jī)，臺上設(shè)備進(jìn)行作業(yè)工況，之后即可熄滅底盤車。液壓系統(tǒng)管線、接頭和閥件均采用性能可靠的進(jìn)口部件，大大提升了液壓系統(tǒng)的可靠性。

2.4 氣路系統(tǒng)

壓裂車在進(jìn)行壓裂作業(yè)時，有一個獨立的氣路控制系統(tǒng)，示意圖如圖2所示。該氣路系統(tǒng)由空壓機(jī)、儲氣筒、單向閥、減壓閥、壓力表等組成。臺上柴油機(jī)的空壓機(jī)與底盤車的空壓機(jī)均可向儲氣筒供氣，通過減壓閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作壓力，驅(qū)動氣動隔膜泵為三缸柱塞泵液力端進(jìn)行潤滑。

圖2 氣路系統(tǒng)示意圖

2.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)分為就地控制和遠(yuǎn)程控制，功能結(jié)構(gòu)見圖3，均可實現(xiàn)壓裂車的現(xiàn)場操作。該控制系統(tǒng)包括壓裂車的啟動、調(diào)速、換擋、解鎖和停機(jī)等控制功能，以及柴油發(fā)動機(jī)、液力變速器、三缸柱塞泵的故障報警功能，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和三缸柱塞輸出排量、工作壓力、壓力預(yù)置、超壓保護(hù)的監(jiān)控和預(yù)設(shè)功能。遠(yuǎn)程控制箱通過30米長的35芯電纜與就地控制箱相聯(lián)接。電纜是較柔軟的橡套線，有利于冬天施工作業(yè)。遠(yuǎn)程控制箱采用航空用鋁合金材料，重量輕便于攜帶，通過數(shù)顯電腦控制和操縱，可靠性和安全性高，技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先。

圖3 自動控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3 試驗及應(yīng)用

對該壓裂車的試驗分為廠內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗。

廠內(nèi)試驗在渤海裝備中成裝備制造公司的固壓試驗基地進(jìn)行，該基地能夠滿足超高壓壓裂泵、泥漿泵整車運轉(zhuǎn)試驗與性能試驗，最大試驗壓力可達(dá)140MPa，最大流量可達(dá)2.0m3/min，試驗全過程采用計算機(jī)遠(yuǎn)程控制，可自動記錄、繪制曲線圖。試驗人員根據(jù)試驗大綱對該壓裂車進(jìn)行了測試，試驗壓力和排量數(shù)據(jù)見下表1。

表1 壓裂車試驗數(shù)據(jù)

該壓裂車于2017年3～4月大港油田井下作業(yè)公司進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，完成了港 50-25、港80-20、岐 70-30、官16-16、官17-22共5口井的現(xiàn)場壓裂施工作業(yè)。該壓裂車在作業(yè)過程中，性能穩(wěn)定，運轉(zhuǎn)正常，各項作業(yè)數(shù)據(jù)滿足井場壓裂施工工藝要求，且與廠內(nèi)試驗數(shù)據(jù)基本吻合，達(dá)到了設(shè)計的要求。

4 結(jié)語

該壓裂車具有以下優(yōu)點：（1）整車結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、車橋載荷分布均勻，壓力和排量滿足用戶的使用要求，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價值，性價比高。（2）該車操作方便，就地控制和遠(yuǎn)程控制切換簡單，自動化程度高，能夠適應(yīng)不同地區(qū)的井場作業(yè)。（3）超壓保護(hù)系統(tǒng)反應(yīng)迅速靈敏，保證了現(xiàn)場作業(yè)的安全性和可靠性。