川渝地區頁巖氣壓裂設備發展新方向

唐 瑞 歡

(中國石油川慶鉆探工程有限公司)

0 引 言

隨著非常規油氣超深井和長水平井數量的不斷增加，油氣開采的儲層改造技術也在持續跟進，進而促進了壓裂作業設備朝著大功率、高負荷、連續工作及智能化等方向發展[1-3]。這不僅要求壓裂設備要滿足正常的施工作業需求，還要符合我國低碳環保、節能降耗及減輕人員勞動強度等要求。壓裂作業是提高油氣田采收率的重要技術手段。該技術自20世紀50年代被提出來以后，經過70多年的發展已經取得了巨大進步，已從單驅動模式向多驅動模式轉變，施工作業也呈現出聯合作業特點。

川渝區塊是我國“十四五”頁巖氣開發的主戰場，尤其是對龍馬溪組頁巖氣的勘探開發。然而川渝深層海相碳酸鹽巖氣藏以非均勻性強，低孔、低滲儲層為主[4-5]，孔隙度分布范圍大(2.0%～8.0%)；油層溫度梯度大，井深6 000 m時油層溫度達210 ℃；地層壓力高，最高可達到100 MPa。采用傳統的2500型壓裂設備作業時施工排量大，1 m范圍內的噪聲超過115 dB，對工人的身心健康影響較大，不符合我國智能化油田的發展要求。為了綠色、智能高效地開發川渝區塊的頁巖氣，本文在介紹傳統壓裂作業設備現狀和施工模式存在問題的基礎上，分析了2500型壓裂作業設備的短板，指出了壓裂設備的發展方向，分析了新型壓裂設備在頁巖氣壓裂作業中的特點，以期為我國頁巖氣的高效開發及壓裂設備的現場應用和優化提供參考。

1 傳統的壓裂作業設備現狀

頁巖氣大都存儲在致密的頁巖地層中，頁巖分布地域廣，同時含有一定量的黏土礦物，塑性較強，在高應力作用下易發生變形。頁巖地層壓裂時，對作業設備的排量要求高。龍馬溪組頁巖氣埋深2 000～4 000 m，基質的滲透率極低，采用體積壓裂技術時應盡可能地將頁巖儲層打碎，以便形成復雜裂縫，擴大儲層改造體積。施工排量逐步從16 m3/min上升至20 m3/min，每一段的施工排量超過2 000 m3，施工壓力也從80 MPa攀升至110 MPa，整體施工壓力提高近38%。傳統的2500型壓裂車作業噪聲1 m范圍內達115 dB，屬于GBZ/T 229.4—2012《工作場所職業病危害作業分級第4部分：噪聲》中A等級范疇，作業過程必須配套降噪耳機，能耗也隨著施工工況的改變而顯著提高，作業成本大幅增加。圖1為傳統壓裂作業設備現場作業照片。

圖1 2500型壓裂設備現場作業照片Fig.1 Field operation photo of model 2500 fracturing equipment

傳統2500型柴驅壓裂車受制于國家GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》[6]標準和國內大功率發動機及變速箱技術水平限制，主流設備臺上發動機、變速箱等重要部件采用進口品牌，國內同類產品功率質量比達不到使用要求，這在無形中提升了壓裂設備的采購成本，提高了頁巖氣壓裂作業成本。雖然國內的壓裂泵產品實現了批量化生產，但在設備匹配性能、技術參數上達不到頁巖氣的壓裂作業要求。另外，依據國家《非道路柴油移動機械污染物排放控制技術要求》，將壓裂作業車臺上發動機目前應用的非道路第3階段的排放標準進行升級，未來使用非道路移動機械用柴油機的成本將持續提高。

輔助設備方面，大型頁巖氣現場應用燃油加油橇裝置能實現設備自動補燃油；現場常規供液和注入前置液仍需人工進行閘門倒換，流程繁瑣且存在誤操作風險；現場壓裂支撐劑使用自動儲供砂設備，雖已初步實現自動供砂，但在精確計量和設備可靠性方面還有待提高。這些不足都影響2500型壓裂設備在頁巖氣作業中的應用性能，也不符合我國智能油田的發展需要。

2 傳統壓裂設備在頁巖氣作業中的短板

大型頁巖氣施工井場壓力超過110 MPa以后，傳統的壓裂設備技術可靠性和經濟性明顯下降[7-10]，主要表現如下：

(1)壓裂泵液力端易損件壽命較80 MPa施工工況下大幅縮短，部分工況下壓裂設備壽命只有原來壽命的20%～40%，工人勞動強度和生產作業成本大幅增加，并在一定程度上影響了施工效率。

(2)惡劣工況下，臺上發動機、變速箱、壓裂泵等設備異常損壞嚴重，進口配件到貨周期較長。特別是在夏天，天氣炎熱，設備散熱困難；冬季液壓管線、防凍液換線易結冰，膠管破裂、老化嚴重，一定程度上增大了處理難度。

(3)川渝地區頁巖氣開發受制于地理環境，通常井場面積比較狹小，傳統2500型壓裂車空間占用率較高，在井場擺放時，車輛之間的間距較窄，存在一定的安全隱患。

(4)2500型壓裂車燃料成本高、噪聲大，環境友好性較差。

(5)目前使用的140 MPa壓裂高壓管匯多為螺紋連接，密封方式為橡膠件密封。從密封原理上看，橡膠密封方式為臨時高壓密封，耐久度不如大通徑高壓管匯使用的鋼圈密封。隨著施工壓力升高、作業時間延長、施工排量的大幅增加，這種密封結構的缺點也逐步顯現出來，成為影響壓裂施工作業效率和現場人員安全的不穩定因素。

(6)平臺井多井同時作業過程中，供液、供砂流程繁多，自動化程度較低，多數情況下需要人工配合，整體可靠性不高。

3 壓裂設備發展及展望

3.1 電驅壓裂設備的應用

2015年以前，國內的壓裂作業設備大都是柴油機驅動，此種壓裂設備在頁巖氣的勘探開發及大規模油氣開采中發揮了重要作用。然而從2015年開始，壓裂設備呈現3大發展趨勢，分別是：①單機向高壓力、大排量、大數據和智能化方向發展；②橇裝壓裂設備憑借其施工占地面積小、單機功率高、配備人員少等特點，在頁巖氣的開發中有替代傳統壓裂車的趨勢；③隨著國家能源低碳環保政策持續推進，以及數字化油田戰略的提出，油氣勘探將迎來“電代油”發展的黃金時代。

橇裝壓裂設備分為電驅橇裝和柴油驅橇裝壓裂設備[11-12]。電驅壓裂設備通過電機直驅壓裂柱塞泵，可降低壓裂設備制造成本，一般由供電單元、主電機功能單元、傳動單元、增壓單元、高壓排出單元、控制單元及橇座等附屬單元構成。圖2為電驅壓裂設備現場作業布置圖。

圖2 電驅壓裂設備作業現場布置圖Fig.2 Operation site layout of electric fracturing equipment

電驅壓裂橇裝由高壓變頻系統橇和電動壓裂橇組成，采用網電提供動力，集成自動化控制、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量。電驅壓裂具有噪聲低、購置維護便宜、污染小、能耗低、結構簡單、傳動效率高和節約井場面積等特點，逐步成為頁巖氣勘探開發的主打產品。具體表現如下：①減少傳統的車載底盤，整體故障率比傳統壓裂車降低10%～15%；②使用井場面積比傳統2500型壓裂車減少30%～40%；③根據統計，傳統柴驅2500型壓裂車的能耗成本比電驅壓裂橇高29.5%，傳統柴驅2500型壓裂車近1 m噪聲高出26%。電驅壓裂橇使用1萬kW·h電量折合約2.8 t柴油，可減少碳排放2.32 t，減少氮氧物排放量0.03 t，節約成本約5 800元。

表1是國內部分廠家壓裂作業設備主要技術參數表。

油氣勘探開發的“電代油、氣代油”是大勢所趨?！按笈帕?橇裝+電代油(氣代油)”壓裂設備是響應國家雙碳目標、提升經濟效益、適應非常規油氣資源開發趨勢下的必然產物。

圖3為中國石油天然氣集團有限公司(簡稱中國石油)下屬的4大鉆探公司(簡稱川慶鉆探、長城鉆探、渤海鉆探、西部鉆探)2022年電驅壓裂設備現場應用情況(數據截止到2022年9月)，其中川慶鉆探電驅壓裂設備壓裂段數2 500余段，累計作業功率360 394 kW(約49萬水馬力)，排名第一。

圖3 電驅壓裂設備現場應用情況Fig.3 Field application status of electric fracturing equipment

3.2 渦輪式壓裂設備的應用

渦輪壓裂設備主要由裝載底盤、渦輪發動機、減速箱、柱塞泵及潤滑系統構成[13]。渦輪驅動壓裂設備將傳統龐大而笨重的柴油機更換為體積小、質量輕、功率大的渦輪發動機，其功率密度是高功率柴油機的10～20倍，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；在經濟性方面，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，在壓裂柱塞泵有負載運行的前提下，可以實現柴油和天然氣等燃料的自由切換；渦輪壓裂設備擁有大功率、高速比、質量輕及結構緊湊的特點，在作業過程中，可將壓裂作業成本降低10%～15%。

2022年，川慶鉆探公司在蘇里格氣田靖77-XX井組采用燃氣發電電驅壓裂設備作業段數達141段，表明國內燃氣發電電驅壓裂規?；囼炄〉脠A滿成功，宣告了國內電驅壓裂革命的開始。靖77-XX井組平均單日壓裂8.8段以上，其中2 d單日壓裂段數高達12段，整體壓裂效率提升了30%。該井組全電驅壓裂由4臺5.8 MW級的燃氣渦輪機發電機組提供壓裂動力，總輸出功率可達23 200 kW，相當于一座中型發電站的發電量，配套電驅混砂橇、電驅儀表橇和7臺5000型電驅壓裂橇后，最大功率可提至25 742 kW。

3.3 新型系統在壓裂設備中應用及展望

3.3.1 壓裂機組故障狀態監測與故障診斷系統

中國石油為填補國內超大功率壓裂設備的空白，進一步發揮科技創效的優勢，開展了重大現場試驗項目，其中壓裂機組故障診斷技術試驗為通過對壓裂機組現場在線監測試驗、離線檢測試驗，得到壓裂機組的振動信號、故障特征，通過掌握壓裂機組振動特征，形成壓裂機組的故障特征庫及故障診斷技術。圖4為壓裂機組故障監測與故障診斷技術流程圖。

圖4 壓裂機組故障監測與故障診斷圖Fig.4 Fault state monitoring and diagnosis system flow chart of fracturing set

壓裂機組故障狀態監測與故障診斷系統主要包括硬件和軟件2大部分。硬件系統由振動-溫度傳感器、無線數據網關、數據采集處理分析終端組成[14-15]，用于獲取壓裂機組實時振動與溫度信號，并將該信號由現場傳回中控室內的工作站。圖5為壓裂機組故障診斷系統硬件圖。

圖5 壓裂機組故障診斷系統硬件圖Fig.5 Fault diagnosis hardware system of fracturing set

軟件系統包括數據采集軟件和故障診斷軟件，通過對獲取的信號數據進行分析(小波降噪處理)，實現壓裂機組的實時狀態監測、典型故障診斷及振動趨勢分析。壓裂設備在使用過程中，因各工況下的轉速、壓力、排量、工作介質等要素均不一致，壓裂設備的狀態響應方式也不相同，需分析現場工藝數據及與設備對應的監測數據，研究不同工況下工作參數對設備狀態的響應規律；同時，為了提高表征信號提取的準確性和可靠性，提取時域和頻域振動曲線，構建特征向量，實現壓裂柱塞泵狀態的準確辨識。

綜合該技術形成的基于振動信號的壓裂機組故障智能診斷檢測技術，以及常規無損檢測、電氣檢測、性能測試、儀表檢測等技術，形成了壓裂機組定期檢測檢驗技術規范，為壓裂機組建立了全方位的檢測檢驗技術手段。通過該技術規范的實施，全面了解壓裂機組當前各系統工作狀態，對壓裂機組整體健康狀態進行評估，保證壓裂作業安全穩定開展。該技術已在陽101H3井、瀘203H6B井及瀘203H75井完成試驗，現場應用效果顯著。

3.3.2 壓裂儲能(變電)系統技術

頁巖氣井場有時會出現電力不足或柴油發動機損壞的現象，這就需要研發一些備用的應急電源，壓裂儲能(變電)系統技術可以解決這一問題。儲能變電系統主要由儲能系統(電池槽)和雙向逆變系統(PCS框)組成。儲能系統以單體電芯為基本組成單元，通過串聯和并聯等方式，依次組成電池組、電池箱、電池簇、電池橇。雙向逆變系統由控制系統、變壓器及逆變器等組成。以SC2500TS-MV箱式儲能系統為例，該裝置采用集裝箱一體化設計，箱內集成有儲能變流器、雙繞組干式變壓器、高壓環網柜等。集成系統采用4臺630 kW儲能變流器交流側直接并聯方式，通過1臺雙繞組干式變壓器升壓到10 kV，高壓側配置有環網柜，便于儲能系統以環網方式接入上級電網，采用標準20尺集裝箱，能提供2.5 MW的儲能單元。

應用場景：壓裂儲能系統裝置可作為配套設備在全電驅大型頁巖氣壓裂平臺作為應急電源使用。在施工作業過程中如遇極端天氣或電力設備異常造成現場緊急停電時，啟用該裝置提供電能，可驅動電驅壓裂泵將剩余的壓裂液或攜砂液頂入井筒，極大地降低現場井控風險。儲能裝置可配合進行短時間主壓裂、泵槍作業或為電驅混砂、供液、儀表等輔助設備供電，提高電力系統可靠性，并進行錯峰充電，節約生產成本。

3.3.3 壓裂低壓一體化物聯系統

近年來，隨著工業4.0時代的到來，人工智能、工業互聯網等大量的高端技術攻關取得突破，油氣田壓裂領域自動化技術水平也得到顯著提升。針對平臺井多井同時作業過程中，低壓供液流程繁多，施工時需人工開關閘門，時效低且容易發生誤操作的現象。統一規劃、自動化操控和監控管理已成為解決這類問題的關鍵，低壓一體化物聯系統為解決這一問題提供了平臺，可有效提升壓裂作業效率，實現自動化壓裂。低壓一體化物聯系統是集信息化、自動化、一體化、智能化技術為一體的自動控制物聯系統[16]，系統由配套設備、設備采集層、傳輸層及數據管理層組成。系統中數據采集模塊中的液罐上設計有電動蝶閥和液位計，可隨時采集流量數據、壓力數據、液位數據、角度數據；系統開發有集中控制軟件和顯示軟件，可實時監測液罐、液位狀態；自動控制供液設備、供酸設備的啟停和排量控制，以及各閥門的開關及開度調節。低壓一體化物聯系統的應用大幅提升了現場儲液和供液的安全性，減輕了工人勞動強度，實現低壓階段的聯動作業。系統可將大數據系統化集成顯示和分析，并能對服務裝備進行24 h安全監測和預警。圖6為低壓一體化物聯系統構成示意圖。

圖6 低壓一體化物聯系統構成示意圖Fig.6 Schematic diagram for composition of low pressure integrated IOT system

該系統可以通過電腦、手機、大屏幕等設備實時推送油氣田壓裂現場閥門開關狀態、管線流量數據、液位及容量大小、容器殼體壓力、自動閥門電池電量、歷史數據曲線等，也可以在電腦、手機、大屏幕上直接進行閥門開關操作，實現遠程控制；也可實現容器的容量檢查和報警功能查看等操作。2021年9月，該系統已在川慶鉆探工程有限公司井下作業公司負責的瀘203H5平臺進行了現場應用，應用效果良好，遠程控制信號傳輸穩定，精準實施了閥門的遠程操作、泵壓及液位的調節，解決了長期以來困擾壓裂施工的低壓供液問題。

3.4 壓裂裝備技術發展方向

3.4.1 環保、節能輕量化發展

根據最新頒布的GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、載荷及質量限值》要求，油田專用作業車的最大允許總質量不應超過55 t，各軸最大允許軸載荷不超過130 kN。另外，為貫徹中華人民共和國大氣污染防治法，我國全面實施了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(第五階段)》(GB 18352.5—2013)以及《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》(GB 17691—2005)標準[17]。這不僅給壓裂裝備的發動機設計、底盤車承載設計及部件布置提出了挑戰，也給車載部件選型及材料應用提出了更高要求。目前國產的2500型、3000型壓裂車主要存在3、4橋超載問題，以及臺上發動機排放問題。針對國家最新標準要求，各設計廠家要整合優質資源，強化優質技術，提出系統的整機集成方案，以滿足質量、尺寸及排放約束條件。這些集成方案的提出也將促使壓裂裝備設計標準的產生，使壓裂設備朝著環保、節能和輕量化發展。

3.4.2 壓裂管匯自動化、快捷化及集成化發展

在壓裂管匯技術領域，國內壓裂施工作業普遍應用活接頭式壓裂管匯，法蘭連接大通徑高壓管匯正在陸續開展應用，但在管匯模塊化設計、自動化水平、管匯系統標準化等方面仍然存在一定差距。這就要求各壓裂設備廠家大力發展模塊化設計技術，針對管匯法蘭連接、大通徑管匯，提高管匯使用安全性；同時提高壓裂管匯的自動化水平，形成壓裂管匯標準，促使壓裂管匯朝著自動化、快捷化及集成化發展。

3.4.3 向電動壓裂裝備方向發展

電動壓裂裝備具有零排放、噪聲小、使用維護成本低的特點，結合我國特有的電網資源，從節約能源、減少碳排放角度考慮，重新規劃用電容量或采用已有的網電用于壓裂工程，將成為未來我國大型壓裂裝備的發展方向。

4 結 束 語

川渝區塊是我國“十四五”頁巖氣開發的主戰場，而龍馬溪組頁巖氣的勘探開發將為我國壓裂裝備的應用及發展提供平臺。本文在介紹我國傳統壓裂裝備應用現狀的基礎上，分析了傳統壓裂裝備在頁巖氣壓裂施工中的短板，表現在壓裂設備壽命短，自動化程度低，燃料成本高，噪聲大，環境友好性較差等；之后從電驅壓裂設備和渦輪式壓裂設備的應用方面給出了新型系統在壓裂設備中的應用，即壓裂機組故障狀態監測與故障診斷系統、壓裂儲能(變電)系統技術及低壓一體化物聯系統；最后給出了我國壓裂設備的發展方向，朝著環境優化型、輕量化、自動化發展。

與國外相比，國內電驅壓裂設備研發起步較晚，但研發實力和水平不遜于國外，部分技術甚至領先于國外。我國應整合優質資源，提前布局，針對壓裂裝備發展趨勢，各廠家應聯合開展相關技術研發，攻克核心技術，制定壓裂管匯體系標準，力爭早日實現壓裂設備的綠色發展和高效應用。