“產(chǎn)學(xué)研用”一體化攻關(guān)實(shí)現(xiàn)大型壓裂裝備自主研發(fā)

王峻喬 王云海 潘靈永 張 波

（1.中石化石油機(jī)械股份有限公司；2.中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司；3.中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司）

大型壓裂裝備屬高端石油鉆采裝備，長期以來核心技術(shù)難以突破，設(shè)備長期依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約了我國油氣資源開發(fā)，也對國家能源安全造成一定威脅。因此，堅(jiān)持自主創(chuàng)新，趕超國外先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型壓裂裝備，成為幾代“石油裝備人”的使命與擔(dān)當(dāng)。

1 我國大型壓裂裝備自主研發(fā)進(jìn)程與目標(biāo)

1.1 大型壓裂裝備研發(fā)從“跟跑”到“并跑”

我國大型壓裂裝備前期以引進(jìn)為主，2008年開始，中石化石油機(jī)械股份有限公司（簡稱石化機(jī)械）在國內(nèi)率先突破2500型大功率輕量化壓裂泵、壓裂液高效混輸、140MPa高壓管匯等核心技術(shù)，先后自主開發(fā)出世界首臺套車裝2500型、3000型壓裂機(jī)組，搭建了大型成套壓裂裝備自主創(chuàng)新平臺，實(shí)現(xiàn)了裝備從部件到整機(jī)、從單機(jī)到機(jī)組集成的重大轉(zhuǎn)變，扭轉(zhuǎn)了自主研發(fā)的壓裂裝備技術(shù)落后、性能不足的局面，邁上了與國外先進(jìn)技術(shù)“并跑”的快車道?！俺邏捍蠊β视蜌鈮毫蜒b備”榮獲2015年國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，成為國家科技重大專項(xiàng)標(biāo)志性裝備及成果。

1.2 國產(chǎn)壓裂裝備研發(fā)面臨的技術(shù)問題

國產(chǎn)壓裂裝備研發(fā)雖然取得突破，并在生產(chǎn)應(yīng)用、優(yōu)化改進(jìn)方面得到市場廣泛認(rèn)可，但技術(shù)研發(fā)與學(xué)術(shù)理論研究協(xié)同較弱，研發(fā)裝備的原創(chuàng)性、革命性創(chuàng)新技術(shù)較少。近年國際油價(jià)持續(xù)下行，國內(nèi)外石油行業(yè)長期處于“寒冬期”，如何實(shí)現(xiàn)油氣資源低成本高效開發(fā)，成為行業(yè)普遍面臨的難題與現(xiàn)實(shí)需求。為滿足我國頁巖氣等非常規(guī)、深層油氣資源低成本、高效、綠色開發(fā)的需要，大型壓裂裝備需大力實(shí)施“產(chǎn)學(xué)研用”自主創(chuàng)新，縮短研發(fā)周期，開發(fā)更高效、更安全、更低成本的精良裝備。

為此，需要解決一些技術(shù)難題：（1）國內(nèi)頁巖氣埋藏深，施工壓力高（≥90MPa），施工難度大，壓裂裝備壽命及可靠性與工程實(shí)際需求有差距[1]；（2）頁巖氣多分布在山區(qū)、丘陵地區(qū)，井場面積小，道路運(yùn)輸條件差，對壓裂裝備整機(jī)集成提出了更高要求，而在役柴油驅(qū)動(dòng)壓裂裝備功率密度低，不能滿足頁巖氣規(guī)模壓裂作業(yè)要求；（3）壓裂設(shè)備配套的底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)箱依賴進(jìn)口，采購周期長（≥6個(gè)月），使用維護(hù)成本高，核心部件受制于人，存在“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)；（4）國家相關(guān)道路法規(guī)、排放標(biāo)準(zhǔn)不斷升級，柴油驅(qū)動(dòng)壓裂裝備運(yùn)行噪聲普遍在110dB上下，噪聲擾民問題突出，不符合油氣開發(fā)綠色、環(huán)保要求，設(shè)備底盤開發(fā)速度也未能跟上新的排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 自主研發(fā)裝備進(jìn)入國際第一方陣

石化機(jī)械以國家重大能源裝備需求為導(dǎo)向，堅(jiān)持科技創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略，開展機(jī)理研究、關(guān)鍵設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究、裝備示范應(yīng)用；積極跟蹤國外先進(jìn)技術(shù)，通過對比分析Evolution公司、USWS公司電動(dòng)壓裂裝備技術(shù)[2-4]，完成國內(nèi)外電力拖動(dòng)、變頻控制等技術(shù)調(diào)研；創(chuàng)新提出壓裂裝備“超大功率、全電動(dòng)化、全自主化”的技術(shù)路線；制定了依托國內(nèi)優(yōu)勢資源，推進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研用”一體化攻關(guān)的工作思路，確立了自主開發(fā)具備國際領(lǐng)先水平“超大功率電動(dòng)成套壓裂裝備”的攻關(guān)目標(biāo)。

“十三五”以來，石化機(jī)械依托承擔(dān)國家科技重大專項(xiàng)“超大功率電動(dòng)成套壓裂裝備研制”，以實(shí)現(xiàn)壓裂裝備電動(dòng)化、自動(dòng)化、數(shù)字化為目標(biāo)，創(chuàng)新研制出5000型大功率電動(dòng)壓裂機(jī)組（含壓裂、混砂、配液、管匯、儀表控制等裝置），有效解決了裝備連續(xù)作業(yè)可靠性及綠色高效難題，綜合成本下降30%[5]，全套裝備自主化率提升至95%，為非常規(guī)油氣經(jīng)濟(jì)規(guī)模化有效開發(fā)提供了重要支撐，標(biāo)志著我國自主研發(fā)的壓裂設(shè)備進(jìn)入國際第一方陣。

2 “產(chǎn)學(xué)研用”一體化創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)

2.1 發(fā)揮企業(yè)創(chuàng)新主體作用協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)工作

按照“產(chǎn)學(xué)研用”一體化攻關(guān)的工作思路，聚焦攻關(guān)目標(biāo)，以石化機(jī)械為主體，聯(lián)合華中科技大學(xué)、長江大學(xué)、中石化江漢石油工程有限公司（簡稱江漢工程）等科研院所和企業(yè)，聚集我國壓裂裝備、大功率電動(dòng)機(jī)、電傳電控和超大規(guī)模壓裂作業(yè)等領(lǐng)域優(yōu)勢技術(shù)單位，組建了由228名專業(yè)技術(shù)人員組成的協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，建立了科學(xué)有效的“產(chǎn)學(xué)研用”組織管理模式。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以企業(yè)作為創(chuàng)新主體，成立項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組，作為項(xiàng)目執(zhí)行的最高決策機(jī)構(gòu)，成員由項(xiàng)目長、課題長、任務(wù)長及各單位領(lǐng)導(dǎo)組成，下設(shè)項(xiàng)目實(shí)施管理辦公室、專家委員會和4個(gè)任務(wù)工作組。管理辦公室負(fù)責(zé)項(xiàng)目日常管理及考核工作，落實(shí)項(xiàng)目執(zhí)行，協(xié)調(diào)攻關(guān)進(jìn)度；專家委員會由若干企業(yè)專家、行業(yè)專家及高校專家組成，負(fù)責(zé)技術(shù)咨詢工作，專業(yè)覆蓋結(jié)構(gòu)、材料、電氣、控制、液壓等重大領(lǐng)域；任務(wù)工作組由技術(shù)骨干組成，負(fù)責(zé)技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品推廣、優(yōu)化整改工作。

2.2 采用項(xiàng)目管理模式

實(shí)行項(xiàng)目長負(fù)責(zé)制，明確工作職責(zé)，保障項(xiàng)目順利實(shí)施，認(rèn)真執(zhí)行“計(jì)劃、執(zhí)行、控制、總結(jié)”4個(gè)控制過程。責(zé)任單位領(lǐng)導(dǎo)掛帥，研、產(chǎn)、銷相關(guān)部門參加，成立跨專業(yè)、跨部門、跨行政體系的綜合項(xiàng)目組。建立交叉融合的科研工作機(jī)制與工作平臺，充分發(fā)揮各專業(yè)特長，解決科研項(xiàng)目“落地難”和“接軌難”問題，促進(jìn)創(chuàng)新成果的快速轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。

2.3 建立目標(biāo)導(dǎo)向考評機(jī)制

依照《國家科技重大專項(xiàng)（民口）管理規(guī)定》《中國石化國家科技重大專項(xiàng)實(shí)施管理辦法》，結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況，制定了《石油機(jī)械公司國家科技重大專項(xiàng)實(shí)施管理辦法》，將技術(shù)水平、創(chuàng)新性、成熟度、難度及工作量、應(yīng)用情況等作為成果評價(jià)的重點(diǎn)內(nèi)容。建立月工作報(bào)表、例會、年度工作會管理模式，定期檢查進(jìn)度、預(yù)算執(zhí)行情況，適時(shí)組織召開任務(wù)推進(jìn)、專題方案評審、聯(lián)合任務(wù)評價(jià)、階段驗(yàn)收等相關(guān)會議，及時(shí)對任務(wù)完成情況進(jìn)行評價(jià)。

項(xiàng)目實(shí)施中建立了目標(biāo)導(dǎo)向?yàn)橹鞯目己嗽u價(jià)機(jī)制，形成了項(xiàng)目長對課題長、課題長對任務(wù)長、任務(wù)長對研究人員的3級考核評分體系。通過考評會，分別從工作完成情況、工作難度、工作質(zhì)量、有效工作時(shí)間、材料完成情況5個(gè)維度，對研究成員進(jìn)行評價(jià)考核。根據(jù)考核結(jié)果確定年度績效激勵(lì)額度，有效激勵(lì)技術(shù)研發(fā)人員主觀能動(dòng)性，激發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新活力。

3 “產(chǎn)學(xué)研用”深度融合促成果轉(zhuǎn)化

以高可靠性長壽命壓裂泵技術(shù)、大排量高效混砂和高壓管匯技術(shù)、大功率電動(dòng)機(jī)及變頻技術(shù)等為靶點(diǎn)，優(yōu)化研發(fā)資源配置，“產(chǎn)學(xué)研用”深度融合，加快推進(jìn)科技創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化。

3.1 研發(fā)團(tuán)隊(duì)協(xié)同創(chuàng)新成果

研發(fā)團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)多相“電驅(qū)單機(jī)雙泵”結(jié)構(gòu)，突破壓裂裝備負(fù)載特性匹配技術(shù)，攻克了全電動(dòng)壓裂裝備成套集成技術(shù)，解決了燃油壓裂裝備功率提升難、能耗高、環(huán)保超標(biāo)、運(yùn)維成本高等難題。創(chuàng)新開發(fā)了高能混配數(shù)字輸砂技術(shù)，在單臺設(shè)備上集成兩臺裝備的功能，大幅提升了混配能力、控制精度。突破了成套機(jī)組變頻控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)操作從單機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)到機(jī)組自動(dòng)無級控制升級。創(chuàng)新提出基于作業(yè)功率需求分析的電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測計(jì)算方法，形成了電動(dòng)壓裂裝備網(wǎng)電系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)方案，確保了系統(tǒng)供配電的可靠性。

華中科技大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對壓裂井場全電網(wǎng)供電方案，在壓裂負(fù)荷突變等惡劣工況下，建立網(wǎng)電系統(tǒng)PSCAD仿真模型，支撐了井場供配電的可行性。長江大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對易損件壽命預(yù)估方法開展研究，創(chuàng)建了壓裂泵泵頭體和高壓管匯元件壽命預(yù)估方法。中車永濟(jì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)首次在壓裂動(dòng)力上采用多相繞組技術(shù)，研制出4100kW多相電動(dòng)機(jī)；開發(fā)了六相變頻控制軟件及控制算法，制定了多相繞組獨(dú)立及容錯(cuò)運(yùn)行控制策略，研制出變頻控制系統(tǒng)。工程應(yīng)用方針對35kV/10kV多檔位有載調(diào)壓本地操作繁瑣、施工風(fēng)險(xiǎn)大等問題，提出遠(yuǎn)程控制、顯示架構(gòu)。

3.2 高可靠長壽命壓裂泵技術(shù)

壓裂泵是壓裂設(shè)備的“心臟”。工程應(yīng)用及理論分析表明，長沖程能夠有效降低沖次，延長壓裂泵使用壽命。石化機(jī)械在業(yè)內(nèi)首次開展長沖程壓裂泵研制，將國際主流的壓裂泵沖程由254.0mm（10in）提升至279.4mm（11in），并對長沖程帶來的運(yùn)動(dòng)受力、結(jié)構(gòu)、材料選型等變化，與長江大學(xué)等高校合作開展材料及機(jī)理研究，合理配置基礎(chǔ)研發(fā)資源，實(shí)現(xiàn)了壓裂泵的自主設(shè)計(jì)，將壓裂泵連續(xù)作業(yè)能力由10h/d提升至24h/d，保持壓裂泵技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。

3.3 大排量高效混砂和高壓管匯技術(shù)

混砂罐是混砂設(shè)備的關(guān)鍵。石化機(jī)械組建博士團(tuán)隊(duì)開展理論及基礎(chǔ)分析，經(jīng)過兩年攻關(guān)，形成混排一體罐設(shè)計(jì)原理，構(gòu)建了自主設(shè)計(jì)平臺，完成了國際上排量最大的混砂裝置（最大設(shè)計(jì)排量達(dá)40m3/min）研制。與國外施工工況相比，國內(nèi)高壓管匯施工壓力更高，安全保障要求更為嚴(yán)苛。研發(fā)團(tuán)隊(duì)攻克了超高壓管匯設(shè)計(jì)、制造等技術(shù)，開發(fā)了全球首創(chuàng)的175MPa管匯系統(tǒng)，安全裕度提升11%～ 13%，有效保障了超高壓長時(shí)間作業(yè)的安全性。

3.4 大功率電動(dòng)機(jī)及變頻技術(shù)

電動(dòng)壓裂裝置的核心突破點(diǎn)是電力拖動(dòng)技術(shù)的自主化。石化機(jī)械與中國中車集團(tuán)有限公司（簡稱中車集團(tuán)）建立合作關(guān)系，開展大功率電動(dòng)機(jī)、變頻系統(tǒng)等技術(shù)攻關(guān)，發(fā)揮國有企業(yè)集中力量辦大事的優(yōu)勢，組建跨領(lǐng)域深度合作研發(fā)團(tuán)隊(duì)，針對壓裂施工功率特性及載荷波動(dòng)特性，開發(fā)3300V壓裂用中高壓IGBT等核心元器件，在沙漠高溫、低溫、潮濕等工況下不斷進(jìn)行試驗(yàn)、優(yōu)化、整改、再優(yōu)化，保障了核心部件的可靠性，有效替代進(jìn)口元器件。研制出3300～ 4500kW系列化多相電動(dòng)機(jī)及變頻控制系統(tǒng)，解決了裝備電動(dòng)化動(dòng)力缺乏難題。

3.5 生產(chǎn)線與試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)

圍繞電動(dòng)壓裂設(shè)備制造、裝配及調(diào)試各環(huán)節(jié)，升級常規(guī)壓裂設(shè)備生產(chǎn)線。一是保障核心部件生產(chǎn)能力，形成年產(chǎn)壓裂泵700臺（套）、高壓管匯件10萬件的生產(chǎn)線。二是與合作單位共建電動(dòng)機(jī)及變頻系統(tǒng)生產(chǎn)線，中車集團(tuán)下屬企業(yè)成立工業(yè)傳動(dòng)事業(yè)部，相關(guān)產(chǎn)業(yè)人員規(guī)模由23人增至340余人，具備年產(chǎn)大功率壓裂動(dòng)力系統(tǒng)100臺（套）的產(chǎn)能水平，國產(chǎn)壓裂用大功率電動(dòng)機(jī)及變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從無到有、從小到大的轉(zhuǎn)變。三是針對電動(dòng)壓裂試驗(yàn)功率大、電網(wǎng)負(fù)荷能力不足的問題，與地方電力公司協(xié)調(diào)，完成8000kVA電動(dòng)壓裂裝置試驗(yàn)場建設(shè)，滿足3000～ 8000型電動(dòng)壓裂裝置型式試驗(yàn)要求。四是加大整機(jī)產(chǎn)能建設(shè)，形成年產(chǎn)壓裂裝備400臺（套）的制造集成能力。

4 “產(chǎn)學(xué)研用”一體化創(chuàng)新服務(wù)模式

4.1 解決推廣應(yīng)用瓶頸，實(shí)施全流程服務(wù)

電動(dòng)壓裂對傳統(tǒng)電力供應(yīng)模式提出新的要求，針對工程推廣中出現(xiàn)的“無電網(wǎng)”“電網(wǎng)接入難”等問題，積極探索“制造+服務(wù)”模式，協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)毓╇姽九c電力工程公司，改變電力供應(yīng)模式，解決電動(dòng)壓裂推廣應(yīng)用中電力供應(yīng)不足或重復(fù)建設(shè)的問題，促進(jìn)油氣開發(fā)電網(wǎng)滿足鉆井、壓裂、生產(chǎn)“一網(wǎng)三用”服務(wù)模式的形成。

石化機(jī)械依托國家科技重大專項(xiàng)形成的關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)新實(shí)施全流程服務(wù)。施工前，與電力部門協(xié)調(diào)電力工程、供電檢測、用電事宜，快速實(shí)現(xiàn)從電網(wǎng)到高壓分線箱、再到變壓器的電纜敷設(shè)和電動(dòng)壓裂機(jī)組的安裝調(diào)試；施工中，提供專業(yè)配件及維保服務(wù)，包括壓裂泵泵頭、閥腔內(nèi)易損件、高壓管匯、密封件及高壓電器元件等配件，保障設(shè)備可靠運(yùn)行；施工后，通過“SOFElink壓裂智能平臺”，對作業(yè)裝備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和工作狀況進(jìn)行分析評估，為裝備升級優(yōu)化提供支撐。

4.2 多渠道交流與推廣，提升市場認(rèn)可度

電動(dòng)壓裂設(shè)備的自主研制及應(yīng)用得益于多渠道交流與推廣。石化機(jī)械與用戶多次對接，召開需求分析會、技術(shù)研討會、現(xiàn)場對接會，對重點(diǎn)工作制定相應(yīng)解決方案，對設(shè)備推廣應(yīng)用提出需求。石化機(jī)械項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過貼近現(xiàn)場、靠前服務(wù)，解決設(shè)備研制重點(diǎn)和難點(diǎn)，每年不定期在中國石化、中國石油及民營市場，與用戶開展技術(shù)交流，利用CIPPE、OTC等國內(nèi)外重大展覽展示平臺，推介電動(dòng)壓裂裝備技術(shù)和產(chǎn)品，5年來累計(jì)完成技術(shù)交流及推廣200余次，為設(shè)備的深入推廣奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。

4.3 依托重大油氣工程，做好示范應(yīng)用

圍繞電動(dòng)壓裂設(shè)備的示范應(yīng)用，石化機(jī)械依托涪陵頁巖氣田、重慶南川頁巖氣田、威榮頁巖氣田等國家重大油氣工程[6]，自2018年首臺（套）5000型電動(dòng)壓裂裝備完成工業(yè)試驗(yàn)以來，先后歷經(jīng)單臺工業(yè)試驗(yàn)、油電混合壓裂應(yīng)用到全電動(dòng)壓裂應(yīng)用3個(gè)階段，累計(jì)完成30多臺（套）裝備應(yīng)用、700多段全電動(dòng)壓裂施工，起到了較好的示范應(yīng)用效果。

2020年5月，依托國家科技重大專項(xiàng)，涵蓋壓裂、混砂、配液、供液、泵注、供砂全流程的電動(dòng)壓裂裝備在涪陵“焦頁27東平臺”投入工業(yè)應(yīng)用，打造國內(nèi)首個(gè)全電動(dòng)壓裂井場，累計(jì)完成4口井（100段）施工，平均效率為4.35段/d，生產(chǎn)效率較涪陵工區(qū)提高70.9%。同年12月，在焦頁18號平臺18天內(nèi)完成106段壓裂作業(yè)，施工效率為5.88段/d，最高達(dá)到9段/d，創(chuàng)國內(nèi)同類氣藏單日單機(jī)組施工最高紀(jì)錄。電動(dòng)壓裂運(yùn)行噪聲大幅下降，施工區(qū)外100m噪聲小于55dB，實(shí)現(xiàn)了24小時(shí)連續(xù)壓裂施工，充分展示了電動(dòng)壓裂設(shè)備功率大、能耗低、噪聲低、安全環(huán)保等優(yōu)勢（圖1）。

圖1 電動(dòng)壓裂設(shè)備在焦頁27東平臺施工

5 認(rèn)識與建議

受益于國內(nèi)相關(guān)基礎(chǔ)工業(yè)能力的提升，依托“十三五”國家重大科技專項(xiàng)，石化機(jī)械注重“產(chǎn)學(xué)研用”相結(jié)合，完成了壓裂裝備研發(fā)平臺的建設(shè)，自主突破大功率電動(dòng)機(jī)、變頻系統(tǒng)、壓裂泵等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大型成套壓裂裝備的自主開發(fā)。

“產(chǎn)學(xué)研用”研發(fā)體系是項(xiàng)目順利實(shí)施的基礎(chǔ)，一體化攻關(guān)促使大型壓裂裝備研發(fā)過程中重大技術(shù)難點(diǎn)得以解決，提供一攬子解決方案，加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程，形成一體化電動(dòng)壓裂服務(wù)體系，為用戶降低成本、創(chuàng)造價(jià)值。

技術(shù)創(chuàng)新是大型壓裂裝備發(fā)展的核心，必須依靠技術(shù)突破，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。超大功率電動(dòng)成套壓裂裝備的研制及推廣，充分展現(xiàn)出大功率、高效、綠色、環(huán)保的優(yōu)勢，將成為我國非常規(guī)油氣開發(fā)提速、降本、增效的重要手段。

目前，壓裂裝備的電動(dòng)化比例較低，建議國家相關(guān)部門參照電動(dòng)車發(fā)展模式，制定優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)相關(guān)企業(yè)實(shí)施壓裂裝備的電動(dòng)化，引導(dǎo)電動(dòng)壓裂裝備及應(yīng)用行業(yè)的良性發(fā)展。