壓裂設備應用評價及技術發展展望

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，隨著非常規油氣的超深井和長水平井不斷增加，儲層改造技術也不斷創新，要求壓裂裝備朝著具備大功率、高負荷、持續時間長、智能化程度高等方向急速發展，并且要實現降低勞動強度，提高作業安全，滿足現代環保和節能要求[1-2]。2500型壓裂裝備作為國內壓裂市場的主導產品，相比與傳統的壓裂設備，具備功率密度高、適應國內復雜路況、性價比高等特點。

一、壓裂設備驅動方式現狀分析

國外壓裂裝備多以柴油驅動為主，由于北美地區道路平坦，通過性良好，壓裂裝備多為拖車結構形式為主，近幾年也逐步在嘗試多種驅動方式，如渦輪驅動和電驅，但規模較小。且北美地區壓裂施工作業壓力較低，多以2000型壓裂裝備為主，且多裝載大功率發動機，以提高發動機作業穩定性。

國內壓裂設備驅動方式已經多樣化，較常規壓裂車采取“柴油發動機-變速箱-壓裂泵”的模式，已經成型并量化的有電驅、液壓驅、渦輪驅、及雙燃料等新型壓裂裝備，各種驅動方式各有優缺點。施工作業呈現多種驅動方式壓裂設備聯合作業。

1. 柴油驅動式壓裂裝備

該種驅動方式通用性較好，普遍存在噪音較大、污染高、工人勞動強度大、作業成本高等特點，而且受制于大功率柴油發動機整體尺寸、重量，不利于車載方案的設計和大功率壓裂車的開發，特別是隨著低碳環保要求的提高，大功率柴油機的使用將受限，柴油機驅動的壓裂裝備將嚴重制約大功率壓裂車的發展。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點，市場認可度高。

2. 電驅式壓裂裝備

電驅壓裂橇由高壓變頻系統橇和電動壓裂橇組成[3]，采用網電提供動力，集成自動化集控、電機直驅、線性連續控制，節能減排及數據實時采集傳輸等多種先進技術，可平滑地調整壓裂泵排出流量。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、連續壓裂施工作業，又有效緩解當前常規壓裂設備裝機功率的不足，施工作業經濟性好，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國產化；但受制于網電容量的大小，影響施工配置臺數，如能有效解決電驅壓裂裝備供電問題，市場前景大。已進行現場試驗的電驅裝備如表1所示，目前大功率電驅設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，也需要國內配套廠家加強研發力度，開發長壽命壓裂泵。

表1 國內電驅壓裂裝備主要技術指標

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，即采用發動機-液壓泵-液壓油缸-增壓缸的液壓傳動方案。根據工況條件，采用多臺發動機功率合流的形式，取代傳統式的傳動箱與傳動軸，實現高壓力、大排量壓裂作業。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要求。作業中實現了無極調速、消除換檔沖擊、使得壓裂車的工作更加智能平穩，但因液壓傳動效率較低，導致施工能耗高(達到傳統2500型壓裂車的120%～130%)，且液壓維護較困難，高壓液壓油缸的穩定性不高[4]。

4. 雙燃料壓裂裝備

雙燃料壓裂車是在傳統柴油機的基礎上加裝外接天然氣、燃油調節器和集成控制系統等特性硬件。工作原理是發動機啟動之后，開啟雙燃料系統，系統自動檢測各傳感器參數，若各參數正常，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動機。發動機功率加大，柴油的供給量減少，達到燃氣替代柴油的目的。根據燃料的種類以及性能不同，替代率也不同,常規的替代率在50%～70%。

目前，斯倫貝謝公司和貝克休斯公司配套的CAT 3512C型發動機雙燃料壓裂裝備已經投用。雙燃料發動機既可使用柴油，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，壓裂作業平均替代率在50%以上。雙燃料動力的應用，不僅可以充分利用油氣資源，代替部分柴油，降低作業成本、獲取更大經濟效益，而且可以降低廢氣的排放、滿足日益嚴格的環保要求。

5. 渦輪式壓裂裝備

渦輪驅動壓裂車將傳統龐大而笨重的柴油機更換為體積小、重量輕、功率大的渦輪發動機[5]，其功率密度是高功率柴油機的20倍，將傳統變速箱更換為超高速渦輪減速箱，實現超級發動機和大型或多臺壓裂泵的匹配，在運輸和壓裂施工作業中，可大幅減少配套井場占地及車組人員；在經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、預留井口氣等多燃料系統；在作業過程中，可將壓裂作業成本降低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要求,但渦輪壓裂車噪音大，環境友好性差。

二、大功率壓裂設備現狀分析

國內壓裂市場主要以2000型壓裂車為主，但不足以滿足小井場大作業和儲層改造的要求，2500型壓裂車自2008年投入以來，國內該型壓裂設備接近400臺(套)，2500型壓裂設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，國內的施工設備主要以車載結構為主，主要考慮設備的移運性能，以2000型和2500型壓裂車為主，根據設備結構、主要性能參數和設備使用情況作如下分析，主要性能參數如表2所示。

(1)增加底盤取力作為臺載發動機輔助動力，對整套設備能力增加有限。

(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，壓力與排量調整范圍更廣。

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

(5)相同的車載結構條件下，相對于2000型，2500型壓裂設備水功率密度增加25%，優勢明顯。

表2 壓裂設備主要技術指標

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型變速箱的應用，國內壓裂設備生產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%，更適合非常規油氣領域大型壓裂、連續施工作業。但是，整機體積過于龐大，整機重量已經超過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場測試，5月成功完成雙燃料系統測試，基本配置是4 100 kW渦輪發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3 350 kW水馬力功率輸出要求，單機功率密度、道路通過性、節能減排和操控方便性等方面優勢明顯，但是制造周期、噪音、性價比制約其快速發展。2500型和4500型壓裂車主要性能參數如表2所示。

三、壓裂設備技術現狀分析

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

1. 整機形式

裝機形式主要是車載和橇裝兩種形式。由于受制國內道路運輸條件，國內壓裂設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。

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

2. 部件優化形式

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，降低施工作業間隔時間。根據2018年數據顯示，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%，作業效率極大提升。國內自2018年開始以來，各設備制造廠家陸續推出同類型閥箱，但因材質不能完全達標，不銹鋼閥箱現場應用時間普遍在600 h左右。

2019年國內油田服務商嘗試使用不銹鋼壓裂閥箱，但制約壓裂設備可靠性發展的問題依然突出，國內泵閥箱易損件的質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，而國內使用的碳鋼閥體閥座20～30 h檢修一次。壓裂設備易損件壽命低，可靠性低，更換頻次高，嚴重影響壓裂設備整體可靠性。同時，國內廠家不應僅停留在碳化鎢閥體和閥座，也應重點關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傳統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。其它結構與傳統壓力泵液力端結構一致，其利用柱塞的往復運動，使液力端腔體內產生壓差，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。

球式閥總成通過結構設計優化,吸入壓蓋定位孔設在中心線位置上，與限位支架組合安裝，代替傳統的凡爾閥體、凡爾彈簧、凡爾座及凡爾膠皮結構，創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. 控制系統智能化

壓裂設備主要采用了工業以太網網絡控制，機組形成環網，通過網絡遠控箱實現對機組的集成控制，達到對發動機、傳動箱等的遠程操作控制。目前電驅設備也繼承了這種控制方式，但隨著壓裂設備規模擴大和作業時間的延長，機組作業的安全可靠性問題日益嚴峻，需要提高對運行設備的在線監控和遠程故障診斷的能力，增加相應部件的動態檢測、危險點故障預警和整車動態監測，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測，進一步在現有的控制系統基礎上進行升級改造，滿足壓裂機組的智能化操作需求。

四、壓裂裝備技術發展展望

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

1. 壓裂裝備技術的發展離不開基礎工業的進步

國內壓裂設備制造廠家受制于國外部件生產商，如車載重型發動機，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為主，尤其是渦輪式發動機，依賴程度較大。國內配套廠商產品還不滿足壓裂裝備對高負荷、長時間工況的性能要求，穩定性不高。需加大基礎部件研發，提高整體抗風險能力。

2. 新型式壓裂裝備正在高速發展

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

3. 壓裂裝備與壓裂工藝技術同步發展

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

4. 壓裂技術正朝著可靠性高、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展。