近代壓裂裝備的現(xiàn)狀與發(fā)展綜述
漆寶全
（中石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司）
摘要：壓裂裝備是整個壓裂體系里面至關重要的一環(huán)，隨著壓裂逐步向縱深方向推進，壓裂裝備的研究與發(fā)展也被帶入了一個新臺階；尤其是最近幾年隨著頁巖氣的大開發(fā)，壓裂裝備不論在工作性能還是作業(yè)條件以及新能源的發(fā)展均已達日新月異的地步，“清潔、高效、智能、綠色環(huán)?！背蔀楫斍暗男轮黝}。
文章通過近代壓裂裝備的發(fā)展，以及對現(xiàn)場作業(yè)過程中的優(yōu)缺點進行對比分析與總結，對現(xiàn)有壓裂在用主流裝備提出了新的觀點與看法，同時對后期主要壓裂裝備的開發(fā)方向、技術特點以及適應的工況提出了一些新的想法與思路。
關鍵字：壓裂裝備、技術革新、智能化、電驅
隨著國內(nèi)鉆井技術的不斷進步，尤其是鉆頭技術的不斷更新與完善，國內(nèi)油氣井開產(chǎn)被帶入了一個新臺階，加之國內(nèi)油氣開采逐步邁進繁盛期，致密砂巖氣、頁巖氣、海相酸化深層氣藏已成為當前改造主流。加上水平井以及其他新工藝的發(fā)展，高壓力、大深度、難動產(chǎn)、高排量成為了當前壓裂施工的重難點、施工難度成幾何倍數(shù)增加。除此之外，綠色、環(huán)保、智能、清潔等作業(yè)時代要求，迫使現(xiàn)有的壓裂裝備不論在結構還是動力組成，亦或是操作等都有了革命性進步。
隨著施工壓力的不斷提高、施工排量的不斷加大，原有的1400型、2000型壓裂車已難以滿足當前的壓裂工況的要求，自2008年以來，2500型壓裂泵車呼之欲出，并逐步承擔起當時壓裂的主流。最高施工壓力達到140MPa，最大施工排量2.17m3/min的設備性能參數(shù)使得2500型泵車被各大油田快速投產(chǎn)運用。與前期的1400型、2000型泵車相比，2500型泵車具有單機功率大、作業(yè)效率高、維護保養(yǎng)方便、可操控性強，智能化高、作業(yè)性能更加穩(wěn)定等優(yōu)點。而此時作為配套的儀表、混砂因技術受制影響，主要還是依靠國外進口的100桶混砂（16m3/min）為主。自2014年頁巖氣逐步開采以來，國內(nèi)比較領先的第四機械廠開始對3000型壓裂車的進行研發(fā)。同時代的2500型泵車無論在操控、運行還是現(xiàn)場作業(yè)表現(xiàn)都可圈可點，并逐步成為當時壓裂裝備的主流；新3000型壓裂車的研發(fā)期初為3缸泵車，但是實際運行過程中卻表現(xiàn)得不盡人意，主要顯現(xiàn)為抖動異常，單機功率與2500型泵車對比不明顯等。
而最近幾年，隨著綠色企業(yè)、青山綠水等環(huán)保理念的不斷進步傳統(tǒng)壓裂裝備能耗高、尾氣排放量大、噪音污染等一系列弊端逐漸暴露出來。尤其是頁巖氣“井工廠”壓裂模式的興起，單機輕量化、智能化、環(huán)保化以及超大功率被逐步提上日程。3000型壓裂車、5500型、6000型電動壓裂撬等新興裝備逐漸嶄露頭角。
國外開展水力壓裂的時間較早，與之相匹配的壓裂配套裝備得以發(fā)展。比較具有代表性的就是美國。其國內(nèi)的斯倫貝謝、哈里伯頓、B.J、雙S等公司不論在壓裂裝備研發(fā)、技術創(chuàng)新等均處于世界先進水平。
在研發(fā)理念上，美國國內(nèi)獨有的大平原、淺埋深、低壓力的客觀自然條件，使得美國國內(nèi)壓裂裝備的單機水馬力都相對較低（2000-2500型），同時在結構上多以拖車為主，這樣既能節(jié)約車載式裝備，同時也能確保壓裂裝備利用效率的最大化。大功率、車載式、高壓力、大排量等新興領域并未成為美國壓裂裝備發(fā)展的方向。
國內(nèi)上世紀70年代因基礎工業(yè)相對薄弱，油田壓裂及時成長較晚，加上國內(nèi)多山地丘陵的地理地貌，使得車載式、高通過性、皮實耐造的成套壓裂裝備成為當時各大油田主要的需求。因此該時期主要以引進成批國外壓裂機組為主導。其中美國的雙S、BJ、FMC、SPM成為到時主要的引進廠家。主要型號有700型、900型泵車、1300型泵車、1400型泵車等。
隨著后期國內(nèi)壓裂施工規(guī)模的不斷加大，施工難度的不斷提升，各大油田依據(jù)自身情況，逐步開始引進功率更大的2000壓裂車。同時國內(nèi)對壓裂裝備的研發(fā)也逐步開始，比較有代表性的是中石化石油工程機械有限公司第四機械廠和煙臺杰瑞石油服務集團股份有限公司。在研制型號上，通過2000型壓裂裝備現(xiàn)場的運用同時結合當時壓裂對單機裝備高功率的需求，2300型泵車、2500型泵車逐步被研發(fā)出來。同樣的作業(yè)型號，中石化石油工程機械有限公司第四機械廠（后簡稱第四機械廠）所產(chǎn)裝備在現(xiàn)場的可靠程度要優(yōu)于煙臺杰瑞石油服務集團股份有限公司（后簡稱杰瑞公司），但其單機超重、人體工學不強、科技化程度低等弊端也為各大油田詬病。但總體而言瑕不掩瑜，可靠的性能、極強的越野性能使得第四機械廠的裝備奔騰在國內(nèi)的崇山峻嶺之間。
自2014年以來，隨著國內(nèi)頁巖氣的不斷開發(fā)，以及油田基礎工業(yè)的逐步繁盛，各類型裝備、新廠家如雨后春筍逐步進步繁盛段。比價有代表性是的：四川宏華電氣、三一重工、第四機械廠、杰瑞公司、寶石機械廠等；在壓裂裝備的研發(fā)上，第四機械廠的3000型壓裂車、3000型壓裂撬、5500型電動壓裂撬；宏華電氣的6000型電動壓裂撬、杰瑞的6000型阿波羅燃氣壓裂車等被逐步開發(fā)。
在輔助設備方面，130桶（20m3/min）混砂、多功能儀表、大通徑壓裂管匯、智能化儲液罐、自動輸砂裝置、液控主閘等逐步投入使用
就整個趨勢而言，壓裂裝備逐步向單機高功率、高穩(wěn)定性、節(jié)能環(huán)保、低噪等方向發(fā)展。
常見的壓裂車由底盤車加臺上裝備組成。底盤車多由重型底盤承擔，比較常見的有奔馳底盤車、MAN底盤車、北奔底盤車等。其中現(xiàn)場使用效果較好的是MAN底盤，其優(yōu)越的性能與良好的操控備受駕駛者的青睞。目前國內(nèi)壓裂泵車絕大多數(shù)采用4橋設計，加上臺上裝備及輔助工具，多數(shù)泵車存在轉彎半徑過大、超重等難題。
臺上部分則主要包括：大功率柴油機、變速箱、傳動裝置、大泵、液力端、散熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、壓裂管匯等部件構成。具體常見組配如下：
目前常用的2500型、3000型壓裂車裝備所選柴油機主流是康明斯、底特律、卡特三家。就使用控制總體而言，底特律廠家的柴油機明顯要優(yōu)于康明斯，比較明顯的特征是壓裂施工過程中，當轉速提升至1900轉/min時，康明斯柴油機轉速有較大波動對壓裂泵的工作情況的判斷帶來一定難度和困擾；在變速箱方面，雙環(huán)變速箱一直是行業(yè)主流。
就壓裂泵而言，初期的3000型壓裂車采用的是3缸泵，設計理念為通過使用較少的缸數(shù)和泵配件來降低壓裂施工成本和維護保養(yǎng)時間，提升作業(yè)效率。但實際使用過程中（初期為江漢使用）出現(xiàn)抖動頻率高、震動大與常規(guī)2500型泵相比作業(yè)參數(shù)不突出等弊端，后期通過調(diào)整將3缸調(diào)整為5缸，同時優(yōu)化柴油機與變速箱的傳動比，目前已基本解決上訴問題。
近期卡特生產(chǎn)的3512E一體機化壓裂泵車在現(xiàn)場運用也取得了良好的效果。與傳統(tǒng)柴油機和變速箱連接方式相比，該種機型將柴油機與變速箱裝配在一處，降低了因連接方式帶來的動力損耗。
與壓裂車相比，壓裂撬減少了底盤結構，作業(yè)過程中采用貨車或拖掛進行轉運。常見的壓裂撬主要有柴驅與電驅兩種。
比較有代表性的柴驅壓裂撬是第四機械廠生產(chǎn)的3000型壓裂撬。該種機型采用4000S83L重型柴油機作為動力源來驅動壓裂部件做功，外形尺寸13.30 m×2.45 m×2.85 m，最大輸出水馬力3000hhp，最高工作壓力140MPa。使用過程中擁有動力強勁、操控性強等優(yōu)點。但柴油機、變速箱以及大泵分體式的結構給現(xiàn)場組裝與拆卸帶來了一定難度。同時單部件重量過大也導致貨車在運輸過程中需要超載。
電驅壓裂撬主要有第四機械廠所生產(chǎn)的5500型電動壓裂撬與宏華電氣生產(chǎn)的6000型電動壓裂撬以及杰瑞公司生產(chǎn)的5500型電動壓裂撬構成。因宏華電氣在電泵研制和投入使用方面走在了前列，在現(xiàn)場應用方面相對成熟，單臺電驅撬能達到2.8m3/min,6000hhp。同時與柴油泵相比，電泵具有低能耗、單機大功率、低噪音、場地暫用小等優(yōu)點。但單機重量過大（35-38t）也使得電泵在搬遷與運輸過程中帶來了一定難度。
另一方面，第四機械廠與杰瑞公司生產(chǎn)的5500型電動壓裂撬均采用分體式結構同時雙泵工作的設計，在搬遷安時需要組裝、拆卸以及壓裂過程中多泵保養(yǎng)，給壓裂施工造成了不必要工作量。同時因電動壓裂撬采用高壓電作為動力來源，需要與國電來回對接，同時在安裝拆卸時，需要專業(yè)的高壓電工來操作與維護保養(yǎng)，專業(yè)性較強，高壓電工配套人員短時間內(nèi)難以普及。
3.3.1大通徑壓裂管匯
該裝備是近期新開發(fā)的針對大排量高壓力施工的壓裂管匯，與常規(guī)3寸1502扣壓裂管匯相比，130-15k的大通徑壓裂管匯具有通徑更大，摩阻更低、使用數(shù)量少、壓裂期間管線震動小、操作、維護保養(yǎng)方便的特點。特別值得一提的是大通徑壓裂管匯在連接時將以往的橡膠密封調(diào)整為鋼圈密封，極大的降低了連接薄弱點處的刺蝕。目前該裝備已在各大油田陸續(xù)運用。
3.3.2液罐自動化系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用無線網(wǎng)絡布局，同時結合電控式液動閘門、溫度計量儀、液位換算器、遠程控制板、緊急切斷閥等，形成一套全新的無線液罐自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能快速統(tǒng)計不同液體類型、數(shù)量、溫度、液位高度等常規(guī)信息，同時能將所采集信息以動畫和數(shù)據(jù)的方式呈現(xiàn)給指揮和操作者。不僅如此，該系統(tǒng)還能依據(jù)客戶要求設置相應預警值，保證緊急情況發(fā)生時，不論在有人或無人執(zhí)勤的情況下對液罐閥門進行緊急切斷。
(1)隨著勘探開發(fā)的不斷深入，更高壓力、更大排量的壓裂裝備將逐步被開發(fā)與運用。如20m3/min以上排量的混砂車，140MPa以上的高壓裝備，并形成與之相匹配的高壓管匯。
(2)按目前環(huán)境保護與清潔生產(chǎn)的要求，新動力裝備的研發(fā)與運用將變得更加迫切。如柴油作為動力的壓裂裝備逐步向電力方向過渡，但受電網(wǎng)鋪設及壓裂作業(yè)的具體需求，電動壓裂裝備并不能完全取代柴油機泵壓裂裝備。
(3)受國際油價和國內(nèi)油氣行業(yè)降本壓費的影響，目前各大油田的投資成本將陸續(xù)降低，為此各裝備運營、以及作業(yè)現(xiàn)場均會通過調(diào)整或優(yōu)化來實現(xiàn)降本增效，其中的關鍵環(huán)節(jié)就是壓裂裝備的降本壓費。
(4)智能化、科技化、輕量化等新概念逐步在壓裂板塊得以運用，后續(xù)相應裝備的研發(fā)與拓展也必將沿著該方向推進。人工智能的運用將進一步降低現(xiàn)場作業(yè)人員的數(shù)量，各大危險區(qū)域、繁重的體力勞動等也會被機械逐步替代。
(5)作為新興及前沿裝備，電動壓裂裝備將是后續(xù)壓裂裝備研發(fā)與公關的熱門課題，同時更高耐壓級別的壓裂管匯（如180MPa）以及井下工具智能化的拓展必將進入一個新的領域。
1,....參考文獻
[1]陳鵬飛,劉友權,鄧素芬,等.頁巖氣體積壓裂滑溜水的研究及應用[J].石油與天然氣化工,2013,42(3):270-273.
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