3000型成套壓裂機(jī)組：引領(lǐng)行業(yè)新方向

□ 本刊記者 宋玉春 白臘輝 陳 軍

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3000型成套壓裂機(jī)組：引領(lǐng)行業(yè)新方向

□ 本刊記者 宋玉春 白臘輝 陳 軍

□ 中國(guó)石化3000型成套壓裂機(jī)組奉獻(xiàn)新能源。胡慶明 攝

3000型壓裂機(jī)組成功解決我國(guó)難動(dòng)用油氣資源的商業(yè)化開(kāi)發(fā)難題。

由中國(guó)石化石油機(jī)械股份有限公司承擔(dān)，與中國(guó)石油大學(xué)等8所大學(xué)及科研單位合作，自主創(chuàng)新完成的“超高壓大功率油氣壓裂機(jī)組研制及集群化應(yīng)用”項(xiàng)目，1月8日榮獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。大型成套壓裂裝備的問(wèn)世及應(yīng)用，構(gòu)建了完備的壓裂裝備研發(fā)體系，引領(lǐng)了行業(yè)發(fā)展，提升了我國(guó)壓裂裝備研發(fā)水平，標(biāo)志我國(guó)壓裂裝備研制水平躋身世界領(lǐng)先行列。

瞄準(zhǔn)主戰(zhàn)場(chǎng)

我國(guó)新發(fā)現(xiàn)的油氣儲(chǔ)量中，深層、超深層及頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源約占2/3，高效開(kāi)發(fā)這些資源是保障國(guó)家能源安全的重要戰(zhàn)略舉措，也是油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的主戰(zhàn)場(chǎng)。常規(guī)壓裂機(jī)組已經(jīng)不能滿足我國(guó)極為復(fù)雜的地質(zhì)和地表?xiàng)l件下資源的安全高效開(kāi)發(fā)。利用大型壓裂機(jī)組對(duì)油氣儲(chǔ)層進(jìn)行改造是解放“孔滲低、埋深大、壓力高”油氣藏的決定性手段。

為滿足我國(guó)油氣田超深井、超高壓井、大型壓裂施工和非常規(guī)能源開(kāi)發(fā)的需要，石油工程機(jī)械公司第四機(jī)械廠承擔(dān)了國(guó)家“十二五”科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“3000型成套壓裂裝備研制及應(yīng)用示范工程”的科研任務(wù)。

三年來(lái)，項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)高等院校、研究院所及國(guó)外專(zhuān)家攜手合作，從基礎(chǔ)理論和材料研究入手，攻克了基礎(chǔ)材料、核心部件疲勞性和可靠性試驗(yàn)、多添加劑快速混拌與高精度自動(dòng)控制等多項(xiàng)技術(shù)難題，完成了3300馬力柱塞泵百萬(wàn)沖次耐久試驗(yàn)、成套壓裂機(jī)組樣機(jī)試制、樣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)及工業(yè)試驗(yàn)。

通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，四機(jī)廠構(gòu)建起我國(guó)大型壓裂裝備自主創(chuàng)新的研發(fā)平臺(tái)，研制過(guò)程中形成的核心技術(shù)與研究成果，在工廠系列產(chǎn)品上推廣應(yīng)用，促進(jìn)了我國(guó)壓裂工程技術(shù)及裝備領(lǐng)域整體實(shí)力的提升。

世界首臺(tái)3000型壓裂車(chē)，搭載四機(jī)廠自主研發(fā)的STP3300長(zhǎng)沖程壓裂泵和新一代控制系統(tǒng)，設(shè)備最大輸出功率3000馬力，最高工作壓力140兆帕，是目前國(guó)際上最大型號(hào)的車(chē)載壓裂裝備。在中國(guó)石油集團(tuán)公司重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)探井“束探1H井”的大型酸壓施工中，設(shè)備最高工作壓力84兆帕，施工排量12.6立方米/秒，高負(fù)荷連續(xù)作業(yè)時(shí)間14小時(shí)，設(shè)備性能得到施工方的充分認(rèn)可。

3000型壓裂車(chē)的出爐，標(biāo)志著四機(jī)廠壓裂裝備研發(fā)制造水平躋身世界領(lǐng)先行列。下一步，工廠將對(duì)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的工業(yè)試驗(yàn)和產(chǎn)品優(yōu)化，致力把世界首創(chuàng)做成精品樣板，同時(shí)從設(shè)備研制到集成配套、從井場(chǎng)布置到培訓(xùn)服務(wù)等方面，為油田提供工程服務(wù)一體化解決方案，全力服務(wù)我國(guó)能源開(kāi)發(fā)。

實(shí)現(xiàn)四大創(chuàng)新

作為石油裝備研發(fā)、生產(chǎn)企業(yè)，四機(jī)廠始終奔跑在創(chuàng)新路上，引領(lǐng)著國(guó)內(nèi)壓裂設(shè)備潮流。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)依托國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)、“863”科研項(xiàng)目支持，通過(guò)10多年持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)四大創(chuàng)新。

一是創(chuàng)新形成超高壓大功率壓裂車(chē)輕量化及優(yōu)化集成技術(shù)。創(chuàng)建了壓裂泵理論分析和“百萬(wàn)沖次”實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，研發(fā)了壓裂泵高強(qiáng)韌材料性能調(diào)控和輕量化技術(shù)，研制出功率質(zhì)量比0.28千瓦/千克、工作壓力140兆帕系列大功率壓裂泵，泵頭體壽命相比同類(lèi)先進(jìn)產(chǎn)品，提高50％以上；創(chuàng)新了大功率壓裂車(chē)在有限空間與質(zhì)量約束條件下的優(yōu)化集成方法，先后研制出世界首臺(tái)2500型、3000型壓裂車(chē)，提升了我國(guó)壓裂裝備的核心能力。

二是創(chuàng)新形成大規(guī)模壓裂液全流程精確、高效混配技術(shù)。發(fā)明壓裂液自動(dòng)混配控制方法，創(chuàng)新形成了壓裂液高能混配、砂量寬幅調(diào)整、多介質(zhì)高效混拌技術(shù)，研制出20～13000千克/分鐘精確輸砂裝置，混配液排量20立方米/分鐘的配液及混砂車(chē)，實(shí)現(xiàn)了“井工廠”全流程壓裂液混配模式。

三是創(chuàng)建超高壓管匯設(shè)計(jì)、制造、在線檢測(cè)及使用安全保障技術(shù)體系。提出基于沖蝕機(jī)理和應(yīng)力解析計(jì)算的高壓管匯設(shè)計(jì)方法，形成了超高壓腐蝕條件下的非金屬密封材料評(píng)價(jià)優(yōu)選技術(shù)，研制出140兆帕超高壓管匯。創(chuàng)新研發(fā)高壓管匯件早期損傷磁記憶檢測(cè)技術(shù)，首創(chuàng)了大規(guī)模壓裂高壓管匯在線不拆卸檢測(cè)系統(tǒng)，為管匯的超高壓安全使用提供技術(shù)保障。

四是創(chuàng)新建基于大型壓裂工程成套裝備集群化控制與應(yīng)用技術(shù)。發(fā)明了壓裂機(jī)組網(wǎng)絡(luò)控制方法，構(gòu)建了多重冗余高可靠性測(cè)控網(wǎng)絡(luò)；首創(chuàng)提出“定排限壓”單元功率智能分配模式和基于動(dòng)力儲(chǔ)備、運(yùn)維周期、管匯降阻及系統(tǒng)減振等約束條件下的大型壓裂機(jī)組集群化應(yīng)用準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了多裝備的高效協(xié)調(diào)作業(yè)。

適應(yīng)性更強(qiáng)

美國(guó)壓裂裝備技術(shù)性能先進(jìn)，但裝備外形尺寸、質(zhì)量和移動(dòng)性能，不適應(yīng)我國(guó)油氣田道路和井場(chǎng)條件的要求。3000型車(chē)載壓裂車(chē)比2500型大了500馬力，體積和質(zhì)量卻不變，適應(yīng)中國(guó)“國(guó)情”的優(yōu)勢(shì)明顯。在涪陵頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一個(gè)平臺(tái)通常布設(shè)4口井，由于裝備能力的提升，可以采用國(guó)際先進(jìn)的同步壓裂技術(shù)，提高作業(yè)效率近4倍，使施工節(jié)奏從“短跑”向“長(zhǎng)跑”轉(zhuǎn)變。

3000型成套壓裂裝備的先進(jìn)性不僅體現(xiàn)在節(jié)省場(chǎng)地占用上。針對(duì)過(guò)去發(fā)動(dòng)機(jī)采用風(fēng)扇降溫效果有限的問(wèn)題，該廠設(shè)計(jì)了新的全封閉式冷卻系統(tǒng)，降溫幅度可達(dá)40攝氏度以上。走進(jìn)寬敞的儀表車(chē)內(nèi)，操作員會(huì)告訴你，過(guò)去一個(gè)人機(jī)界面可以控制10臺(tái)壓裂車(chē)，現(xiàn)在這一數(shù)字是30。過(guò)去操作采用的是按鍵方式，現(xiàn)在則是輕點(diǎn)鼠標(biāo)，不僅操作簡(jiǎn)單快捷，還大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度：過(guò)去需要3名操作工干的活兒，現(xiàn)在只需要1個(gè)人就能輕松完成。同時(shí)，控制系統(tǒng)可靠性的提升以及易損件壽命的延長(zhǎng)，滿足了低成本開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)發(fā)展需求。

在較以往產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍的同時(shí)，操作人員還發(fā)現(xiàn)，在焦頁(yè)42號(hào)平臺(tái)壓裂施工中，新投入運(yùn)行的6臺(tái)3000型壓裂車(chē)與之前的同型號(hào)相比，細(xì)節(jié)上又有了新變化：壓裂車(chē)底盤(pán)的啟動(dòng)和掛取力綜合到一個(gè)操作平臺(tái)，直接在儀表車(chē)內(nèi)操作，人員不用長(zhǎng)期待在底盤(pán)駕駛室，壓裂車(chē)啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；柱塞泵裝機(jī)位置前移，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)性更好；加入聲音報(bào)警裝置，避免防凍液溫度過(guò)高出現(xiàn)噴濺等現(xiàn)象……

作為世界首創(chuàng)，3000型壓裂裝備沒(méi)有最好，只有更好。國(guó)外在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中有許多成功的經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)單的移植必將造成“水土不服”，因地制宜開(kāi)發(fā)適應(yīng)國(guó)內(nèi)特點(diǎn)的裝備和施工模式，才能掌握頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的主動(dòng)權(quán)。為此，四機(jī)廠建立了設(shè)備跟蹤反饋機(jī)制，派出大量技術(shù)和服務(wù)人員駐守施工現(xiàn)場(chǎng)，及時(shí)了解用戶需求，不斷對(duì)裝備進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，精益求精，以期最大限度地發(fā)揮裝備的使用效能。

焦頁(yè)42號(hào)平臺(tái)壓裂規(guī)模迄今為止國(guó)內(nèi)最大，10臺(tái)3000型壓裂車(chē)全程參與施工，4口井的壓裂時(shí)間與過(guò)去一口井的壓裂時(shí)間相當(dāng)，卓越的技術(shù)性能和高可靠性，使其成為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)舞臺(tái)上閃亮的“明星”。

□ 3000型壓裂機(jī)組使長(zhǎng)慶油田、普光油田、元壩氣田開(kāi)發(fā)成為現(xiàn)實(shí)。胡慶明 攝

商業(yè)化應(yīng)用成功

中國(guó)石化機(jī)械公司以“井工廠”鉆機(jī)、3000型全套壓裂設(shè)備、復(fù)合橋塞、連續(xù)油管、“等壁厚螺桿鉆具+平穩(wěn)切削PDC鉆頭組合”等創(chuàng)新產(chǎn)品及技術(shù)形成的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)裝備一體化解決方案，為我國(guó)首個(gè)頁(yè)巖氣田——涪陵頁(yè)巖氣田商業(yè)化開(kāi)發(fā)、短期建成50億立方米產(chǎn)能發(fā)揮了重要的裝備支撐作用。已生產(chǎn)出32臺(tái)3000型壓裂車(chē)及配套裝備共67臺(tái)設(shè)備，完成140多口井（2350層段）壓裂施工作業(yè)，助力涪陵頁(yè)巖氣田成為全球除北美之外最大的頁(yè)巖氣田，顯著提高了我國(guó)油氣藏開(kāi)發(fā)的整體技術(shù)水平，為我國(guó)能源安全提供了重要裝備保障。

3000型壓裂機(jī)組成功解決我國(guó)難動(dòng)用油氣資源的商業(yè)化開(kāi)發(fā)難題。在重慶、四川、貴州、新疆、東北、陜北、內(nèi)蒙古等地大型壓裂裝備的技術(shù)突破，解決了我國(guó)難動(dòng)用油氣資源的求產(chǎn)、商業(yè)化開(kāi)發(fā)難題，使長(zhǎng)慶油田、普光氣田、元壩氣田開(kāi)發(fā)成為現(xiàn)實(shí)。

3000型壓裂機(jī)組將成為我國(guó)大型壓裂施工裝備的主力軍。該壓裂機(jī)組在大慶、勝利、延長(zhǎng)等16個(gè)油氣田廣泛應(yīng)用于壓裂作業(yè)，設(shè)備運(yùn)行好，應(yīng)用效果突出，得到了用戶高度的評(píng)價(jià)，使我國(guó)油氣超高壓、大功率施工得以實(shí)現(xiàn)。在焦頁(yè)42號(hào)平臺(tái)長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多月的壓裂施工中，3000型壓裂機(jī)組每天連續(xù)工作16小時(shí)，設(shè)備一直安全穩(wěn)定運(yùn)行。而國(guó)家“十二五”重大專(zhuān)項(xiàng)里對(duì)其的考核指標(biāo)是——長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障運(yùn)行6小時(shí)。卓越的表現(xiàn)贏得了用戶。截至2015年10月，該公司研制的2500 型壓裂裝備達(dá)460臺(tái)（套），國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率70％，成為我國(guó)大型壓裂裝備的主力軍。

目前，3000型壓裂機(jī)組已實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件出口北美、前獨(dú)聯(lián)體等國(guó)家和地區(qū)。該項(xiàng)目形成3項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利20項(xiàng)，授權(quán)9項(xiàng)，獲得軟件著作權(quán)15項(xiàng)，發(fā)表論文87篇。公司建立了6000馬力壓裂泵試驗(yàn)、700兆帕高壓測(cè)試等15套裝置，形成年產(chǎn)壓裂泵700臺(tái)、高壓管匯10萬(wàn)件、系列壓裂裝備400臺(tái)（套）的生產(chǎn)能力。