壓裂設(shè)備應(yīng)用評價及技術(shù)發(fā)展展望

張增年， 李華川， 鄭家偉， 馬升平， 戴啟平， 付軍剛

(1中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 2四川寶石機械專用車有限公司 3寶石機械成都裝備制造分公司 4寶雞石油機械有限責任公司)

目前，隨著非常規(guī)油氣的超深井和長水平井不斷增加，儲層改造技術(shù)也不斷創(chuàng)新，要求壓裂裝備朝著具備大功率、高負荷、持續(xù)時間長、智能化程度高等方向急速發(fā)展，并且要實現(xiàn)降低勞動強度，提高作業(yè)安全，滿足現(xiàn)代環(huán)保和節(jié)能要求[1-2]。2500型壓裂裝備作為國內(nèi)壓裂市場的主導產(chǎn)品，相比與傳統(tǒng)的壓裂設(shè)備，具備功率密度高、適應(yīng)國內(nèi)復雜路況、性價比高等特點。

一、壓裂設(shè)備驅(qū)動方式現(xiàn)狀分析

國外壓裂裝備多以柴油驅(qū)動為主，由于北美地區(qū)道路平坦，通過性良好，壓裂裝備多為拖車結(jié)構(gòu)形式為主，近幾年也逐步在嘗試多種驅(qū)動方式，如渦輪驅(qū)動和電驅(qū)，但規(guī)模較小。且北美地區(qū)壓裂施工作業(yè)壓力較低，多以2000型壓裂裝備為主，且多裝載大功率發(fā)動機，以提高發(fā)動機作業(yè)穩(wěn)定性。

國內(nèi)壓裂設(shè)備驅(qū)動方式已經(jīng)多樣化，較常規(guī)壓裂車采取“柴油發(fā)動機-變速箱-壓裂泵”的模式，已經(jīng)成型并量化的有電驅(qū)、液壓驅(qū)、渦輪驅(qū)、及雙燃料等新型壓裂裝備，各種驅(qū)動方式各有優(yōu)缺點。施工作業(yè)呈現(xiàn)多種驅(qū)動方式壓裂設(shè)備聯(lián)合作業(yè)。

1. 柴油驅(qū)動式壓裂裝備

該種驅(qū)動方式通用性較好，普遍存在噪音較大、污染高、工人勞動強度大、作業(yè)成本高等特點，而且受制于大功率柴油發(fā)動機整體尺寸、重量，不利于車載方案的設(shè)計和大功率壓裂車的開發(fā)，特別是隨著低碳環(huán)保要求的提高，大功率柴油機的使用將受限，柴油機驅(qū)動的壓裂裝備將嚴重制約大功率壓裂車的發(fā)展。2500型壓裂車是目前單機功率密度及性價比較高的一種配置，具有體積小、功率密度大、運移性強和可靠性高等優(yōu)點，市場認可度高。

2. 電驅(qū)式壓裂裝備

電驅(qū)壓裂橇由高壓變頻系統(tǒng)橇和電動壓裂橇組成[3]，采用網(wǎng)電提供動力，集成自動化集控、電機直驅(qū)、線性連續(xù)控制，節(jié)能減排及數(shù)據(jù)實時采集傳輸?shù)榷喾N先進技術(shù)，可平滑地調(diào)整壓裂泵排出流量。電動壓裂噪音可低至85 dB(A)以下，具備夜間壓裂施工條件，既能滿足頁巖氣高壓力、長時間、大排量、連續(xù)壓裂施工作業(yè)，又有效緩解當前常規(guī)壓裂設(shè)備裝機功率的不足，施工作業(yè)經(jīng)濟性好，能耗費用為2500型壓裂車的70%～75%，且制造周期短，電機和壓裂泵均能實現(xiàn)國產(chǎn)化；但受制于網(wǎng)電容量的大小，影響施工配置臺數(shù)，如能有效解決電驅(qū)壓裂裝備供電問題，市場前景大。已進行現(xiàn)場試驗的電驅(qū)裝備如表1所示，目前大功率電驅(qū)設(shè)備配套壓裂泵額定沖次較高，對壓裂泵的可靠性提出了更高要求，也需要國內(nèi)配套廠家加強研發(fā)力度，開發(fā)長壽命壓裂泵。

表1 國內(nèi)電驅(qū)壓裂裝備主要技術(shù)指標

3. 液壓式壓裂裝備

液壓式壓裂車是基于液壓傳動的全液壓壓裂裝備，即采用發(fā)動機-液壓泵-液壓油缸-增壓缸的液壓傳動方案。根據(jù)工況條件，采用多臺發(fā)動機功率合流的形式，取代傳統(tǒng)式的傳動箱與傳動軸，實現(xiàn)高壓力、大排量壓裂作業(yè)。通過主閥組控制換向與輸送缸切換，滿足超高壓、大排量的各種壓裂工況參數(shù)要求。作業(yè)中實現(xiàn)了無極調(diào)速、消除換檔沖擊、使得壓裂車的工作更加智能平穩(wěn)，但因液壓傳動效率較低，導致施工能耗高(達到傳統(tǒng)2500型壓裂車的120%～130%)，且液壓維護較困難，高壓液壓油缸的穩(wěn)定性不高[4]。

4. 雙燃料壓裂裝備

雙燃料壓裂車是在傳統(tǒng)柴油機的基礎(chǔ)上加裝外接天然氣、燃油調(diào)節(jié)器和集成控制系統(tǒng)等特性硬件。工作原理是發(fā)動機啟動之后，開啟雙燃料系統(tǒng)，系統(tǒng)自動檢測各傳感器參數(shù)，若各參數(shù)正常，電磁閥打開，燃氣管道打開，燃氣和空氣在混合器混合后進入發(fā)動機。發(fā)動機功率加大，柴油的供給量減少，達到燃氣替代柴油的目的。根據(jù)燃料的種類以及性能不同，替代率也不同,常規(guī)的替代率在50%～70%。

目前，斯倫貝謝公司和貝克休斯公司配套的CAT 3512C型發(fā)動機雙燃料壓裂裝備已經(jīng)投用。雙燃料發(fā)動機既可使用柴油，也可以使用天然氣和柴油混合作為燃料，天然氣與柴油的最大替代率可達75%以上，壓裂作業(yè)平均替代率在50%以上。雙燃料動力的應(yīng)用，不僅可以充分利用油氣資源，代替部分柴油，降低作業(yè)成本、獲取更大經(jīng)濟效益，而且可以降低廢氣的排放、滿足日益嚴格的環(huán)保要求。

5. 渦輪式壓裂裝備

渦輪驅(qū)動壓裂車將傳統(tǒng)龐大而笨重的柴油機更換為體積小、重量輕、功率大的渦輪發(fā)動機[5]，其功率密度是高功率柴油機的20倍，將傳統(tǒng)變速箱更換為超高速渦輪減速箱，實現(xiàn)超級發(fā)動機和大型或多臺壓裂泵的匹配，在運輸和壓裂施工作業(yè)中，可大幅減少配套井場占地及車組人員；在經(jīng)濟方面渦輪壓裂車維護間隔也比柴油機長，且擁有柴油、LNG、CNG、預(yù)留井口氣等多燃料系統(tǒng)；在作業(yè)過程中，可將壓裂作業(yè)成本降低30%左右。

2019年11月，杰瑞全球單機功率最大的渦輪壓裂整套機組在北美實現(xiàn)商用。該成套機組可以高效使用多種氣源，大幅降低燃料成本，滿足不同的排放法規(guī)要求,但渦輪壓裂車噪音大，環(huán)境友好性差。

二、大功率壓裂設(shè)備現(xiàn)狀分析

國內(nèi)壓裂市場主要以2000型壓裂車為主，但不足以滿足小井場大作業(yè)和儲層改造的要求，2500型壓裂車自2008年投入以來，國內(nèi)該型壓裂設(shè)備接近400臺(套)，2500型壓裂設(shè)備較好滿足儲層改造的需求。

1. 2500型與2000型性能對比

對比國外的施工井場，國內(nèi)的施工設(shè)備主要以車載結(jié)構(gòu)為主，主要考慮設(shè)備的移運性能，以2000型和2500型壓裂車為主，根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)、主要性能參數(shù)和設(shè)備使用情況作如下分析，主要性能參數(shù)如表2所示。

(1)增加底盤取力作為臺載發(fā)動機輔助動力，對整套設(shè)備能力增加有限。

(2)在相同配置的前提下，選擇不同液力端，小尺寸柱塞可以覆蓋大尺寸的部分施工能力，且壓力范圍調(diào)整有余度。

(3)在同樣的大泵配置下，選擇2500型施工能力可以明顯提升，壓力與排量調(diào)整范圍更廣。

(4)對于超大型傳統(tǒng)壓裂設(shè)備，設(shè)備施工能力增加的同時，整機重量將大幅提高，對設(shè)備移運性要求較苛刻。

(5)相同的車載結(jié)構(gòu)條件下，相對于2000型，2500型壓裂設(shè)備水功率密度增加25%，優(yōu)勢明顯。

表2 壓裂設(shè)備主要技術(shù)指標

2. 2500型與3100型性能對比

隨著功率為2 200～2 425 kW的卡特3516C型發(fā)動機、底特律DDC 16V4000的推出，和與之匹配的卡特TH55-E70和TH55-E90型變速箱的應(yīng)用，國內(nèi)壓裂設(shè)備生產(chǎn)廠家江漢第四機械廠和煙臺杰瑞也逐步推出3000型和3100型大型壓裂車，已投放市場，呈現(xiàn)出更高的性價比，單位面積水功率密度比2500型提升20%，比2000型提升50%，更適合非常規(guī)油氣領(lǐng)域大型壓裂、連續(xù)施工作業(yè)。但是，整機體積過于龐大，整機重量已經(jīng)超過48 t，不滿足道路通過性要求，2500型和3100型壓裂車主要性能參數(shù)如表2所示。

3. 2500型與4500型性能對比

杰瑞4500型阿波羅渦輪壓裂車2015年2月在珙縣頁巖氣完成現(xiàn)場測試，5月成功完成雙燃料系統(tǒng)測試，基本配置是4 100 kW渦輪發(fā)動機為全車動力單元，配合杰瑞超級減速箱和JR5000型超級壓裂泵，整車實現(xiàn)3 350 kW水馬力功率輸出要求，單機功率密度、道路通過性、節(jié)能減排和操控方便性等方面優(yōu)勢明顯，但是制造周期、噪音、性價比制約其快速發(fā)展。2500型和4500型壓裂車主要性能參數(shù)如表2所示。

三、壓裂設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀分析

雖然新型壓裂裝備不斷研發(fā)，但受制各自局限性，傳統(tǒng)車載壓裂設(shè)備依然占據(jù)市場主流，國內(nèi)和北美設(shè)備制造廠家主要產(chǎn)品是柴油驅(qū)動式壓裂裝備。國內(nèi)壓裂泵制造技術(shù)與性能已與北美先進廠家水平相當，發(fā)動機和變速箱技術(shù)還有待突破，在今后相當長的時間內(nèi)壓裂設(shè)備依然將依賴進口，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，壓裂裝備最終將走向自主研發(fā)，國產(chǎn)化依然是未來發(fā)展的主流方向。

1. 整機形式

裝機形式主要是車載和橇裝兩種形式。由于受制國內(nèi)道路運輸條件，國內(nèi)壓裂設(shè)備主要是重型底盤為主，整車尺寸及重量須滿足GB1589-2016要求，長寬高控制在12 500 mm×2 550 mm×4 000 mm，整車重量不宜超過46 t。

橇裝設(shè)備分整體式和分體式。整體式橇裝設(shè)備是將發(fā)動機、變速箱、壓裂泵及附屬設(shè)施整裝在一個橇座上，分體式橇裝設(shè)備將發(fā)動機、變速箱及附屬設(shè)施安裝在一個橇座，壓裂泵安裝在一個橇座，現(xiàn)場安裝，便于檢修與更換。

2. 部件優(yōu)化形式

2.1 不銹鋼液力端及易損件

國外斯倫貝謝公司通過使用不銹鋼壓裂閥箱和長壽命閥體、閥座，降低施工作業(yè)間隔時間。根據(jù)2018年數(shù)據(jù)顯示，在水馬力總量不變的情況下，該公司在北美通過配套可靠的設(shè)備，工作量由2014年的42個平臺增加到2018年的48個平臺，提高15%，作業(yè)效率極大提升。國內(nèi)自2018年開始以來，各設(shè)備制造廠家陸續(xù)推出同類型閥箱，但因材質(zhì)不能完全達標，不銹鋼閥箱現(xiàn)場應(yīng)用時間普遍在600 h左右。

2019年國內(nèi)油田服務(wù)商嘗試使用不銹鋼壓裂閥箱，但制約壓裂設(shè)備可靠性發(fā)展的問題依然突出，國內(nèi)泵閥箱易損件的質(zhì)量不能滿足長時間的壓裂工況。哈利伯頓配套的長壽命閥體閥座，每130 h檢修一次，而國內(nèi)使用的碳鋼閥體閥座20～30 h檢修一次。壓裂設(shè)備易損件壽命低，可靠性低，更換頻次高，嚴重影響壓裂設(shè)備整體可靠性。同時，國內(nèi)廠家不應(yīng)僅停留在碳化鎢閥體和閥座，也應(yīng)重點關(guān)注與閥體配套使用的膠皮、以及密封盤根和泵蓋密封件等其他配套件的壽命問題。只有提升整體壽命，才能提高壓裂設(shè)備的可靠性。

2.2 球式液力端

球式液力端主要采用特制鋼球代替?zhèn)鹘y(tǒng)液力端的高分子材料做成的凡爾膠皮，將原有與凡爾座的密封方式由面密封改為線性密封。其它結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)壓力泵液力端結(jié)構(gòu)一致，其利用柱塞的往復運動，使液力端腔體內(nèi)產(chǎn)生壓差，凡爾球利用重力進行自吸式開合達到液力端吸入和排出的目的。

球式閥總成通過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化,吸入壓蓋定位孔設(shè)在中心線位置上，與限位支架組合安裝，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的凡爾閥體、凡爾彈簧、凡爾座及凡爾膠皮結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新采用球式凡爾閥總成，增大了液力端閥箱腔體與球式閥總成的補償量，更耐沖刷、抗腐蝕、耐磨損。

3. 控制系統(tǒng)智能化

壓裂設(shè)備主要采用了工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制，機組形成環(huán)網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)遠控箱實現(xiàn)對機組的集成控制，達到對發(fā)動機、傳動箱等的遠程操作控制。目前電驅(qū)設(shè)備也繼承了這種控制方式，但隨著壓裂設(shè)備規(guī)模擴大和作業(yè)時間的延長，機組作業(yè)的安全可靠性問題日益嚴峻，需要提高對運行設(shè)備的在線監(jiān)控和遠程故障診斷的能力，增加相應(yīng)部件的動態(tài)檢測、危險點故障預(yù)警和整車動態(tài)監(jiān)測，提高壓裂機組的智能化水平，同時增加遠程專家故障診斷和運行監(jiān)測，進一步在現(xiàn)有的控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行升級改造，滿足壓裂機組的智能化操作需求。

四、壓裂裝備技術(shù)發(fā)展展望

針對當前非常規(guī)油氣壓裂作業(yè)，從實用性和可靠性方面出發(fā)，車載2500型壓裂車仍是壓裂作業(yè)的主力機型，且能較好滿足目前的壓裂作業(yè)工藝需求。但從國家加大對自主研發(fā)的支持力度和環(huán)保要求的升級，新型驅(qū)動形式壓裂裝備技術(shù)必將成為未來各專業(yè)廠家的核心驅(qū)動力，設(shè)備的免(少)維護和高可靠性成為目前井工廠長時間壓裂作業(yè)的基本要求。目前隨著電網(wǎng)普及或發(fā)電機組集中發(fā)電的建設(shè)，具有維護方便、經(jīng)濟性好、環(huán)境友好和高智能化水平的電驅(qū)壓裂裝備必將成為主流配置。

1. 壓裂裝備技術(shù)的發(fā)展離不開基礎(chǔ)工業(yè)的進步

國內(nèi)壓裂設(shè)備制造廠家受制于國外部件生產(chǎn)商，如車載重型發(fā)動機，主要是卡特彼勒、底特律、康明斯等，傳動箱廠家主要以艾里遜和雙環(huán)為主，尤其是渦輪式發(fā)動機，依賴程度較大。國內(nèi)配套廠商產(chǎn)品還不滿足壓裂裝備對高負荷、長時間工況的性能要求，穩(wěn)定性不高。需加大基礎(chǔ)部件研發(fā)，提高整體抗風險能力。

2. 新型式壓裂裝備正在高速發(fā)展

新型裝備驅(qū)動形式如電驅(qū)、液壓適合國內(nèi)需求，但穩(wěn)定性還需要進一步驗證。電驅(qū)式壓裂裝備受電網(wǎng)容量影響較大，只能因地制宜的開展，解決區(qū)域用電量就能大幅推廣電驅(qū)裝備。在川渝區(qū)域，井口氣發(fā)電正在測試，可以覆蓋周邊平臺用電需求。另外，隨著雙燃料井場發(fā)電機組逐漸推廣，雙燃料壓裂裝備也將大力發(fā)展。

3. 壓裂裝備與壓裂工藝技術(shù)同步發(fā)展

通過現(xiàn)代壓裂工藝發(fā)展歷程和趨勢可以得出，今后油氣上產(chǎn)將以非常規(guī)能源規(guī)模開采為主，壓裂裝備只有不斷向大型化、自動化和智能化方向發(fā)展，才能滿足工藝技術(shù)發(fā)展的需求；隨著裝機功率增大、設(shè)備部件和控制可靠性要求越來越高，施工規(guī)模和施工工藝也就越來越復雜，將更能實現(xiàn)儲層改造增產(chǎn)的目標。

4. 壓裂技術(shù)正朝著可靠性高、精確化控制、智能化邁進

通過幾代人的不懈努力，壓裂裝備與國外的差別越來越小，但差距依然明顯，國內(nèi)裝備普遍存在著可靠性不高，精確化控制不足，智能化欠佳等情況。隨著中國制造2025的不斷推進，高可靠性、高精確性、高智能性的壓裂裝備正全速發(fā)展。