近代压裂装备的现状与发展综述
漆宝全
（中石化西南石油工程有限公司井下作业分公司）
摘要：压裂装备是整个压裂体系里面至关重要的一环，随着压裂逐步向纵深方向推进，压裂装备的研究与发展也被带入了一个新台阶；尤其是最近几年随着页岩气的大开发，压裂装备不论在工作性能还是作业条件以及新能源的发展均已达日新月异的地步，“清洁、高效、智能、绿色环保”成为当前的新主题。
文章通过近代压裂装备的发展，以及对现场作业过程中的优缺点进行对比分析与总结，对现有压裂在用主流装备提出了新的观点与看法，同时对后期主要压裂装备的开发方向、技术特点以及适应的工况提出了一些新的想法与思路。
关键字：压裂装备、技术革新、智能化、电驱
随着国内钻井技术的不断进步，尤其是钻头技术的不断更新与完善，国内油气井开产被带入了一个新台阶，加之国内油气开采逐步迈进繁盛期，致密砂岩气、页岩气、海相酸化深层气藏已成为当前改造主流。加上水平井以及其他新工艺的发展，高压力、大深度、难动产、高排量成为了当前压裂施工的重难点、施工难度成几何倍数增加。除此之外，绿色、环保、智能、清洁等作业时代要求，迫使现有的压裂装备不论在结构还是动力组成，亦或是操作等都有了革命性进步。
随着施工压力的不断提高、施工排量的不断加大，原有的1400型、2000型压裂车已难以满足当前的压裂工况的要求，自2008年以来，2500型压裂泵车呼之欲出，并逐步承担起当时压裂的主流。最高施工压力达到140MPa，最大施工排量2.17m³/min的设备性能参数使得2500型泵车被各大油田快速投产运用。与前期的1400型、2000型泵车相比，2500型泵车具有单机功率大、作业效率高、维护保养方便、可操控性强，智能化高、作业性能更加稳定等优点。而此时作为配套的仪表、混砂因技术受制影响，主要还是依靠国外进口的100桶混砂（16m³/min）为主。自2014年页岩气逐步开采以来，国内比较领先的第四机械厂开始对3000型压裂车的进行研发。同时代的2500型泵车无论在操控、运行还是现场作业表现都可圈可点，并逐步成为当时压裂装备的主流；新3000型压裂车的研发期初为3缸泵车，但是实际运行过程中却表现得不尽人意，主要显现为抖动异常，单机功率与2500型泵车对比不明显等。
而最近几年，随着绿色企业、青山绿水等环保理念的不断进步传统压裂装备能耗高、尾气排放量大、噪音污染等一系列弊端逐渐暴露出来。尤其是页岩气“井工厂”压裂模式的兴起，单机轻量化、智能化、环保化以及超大功率被逐步提上日程。3000型压裂车、5500型、6000型电动压裂撬等新兴装备逐渐崭露头角。
国外开展水力压裂的时间较早，与之相匹配的压裂配套装备得以发展。比较具有代表性的就是美国。其国内的斯伦贝谢、哈里伯顿、B.J、双S等公司不论在压裂装备研发、技术创新等均处于世界先进水平。
在研发理念上，美国国内独有的大平原、浅埋深、低压力的客观自然条件，使得美国国内压裂装备的单机水马力都相对较低（2000-2500型），同时在结构上多以拖车为主，这样既能节约车载式装备，同时也能确保压裂装备利用效率的最大化。大功率、车载式、高压力、大排量等新兴领域并未成为美国压裂装备发展的方向。
国内上世纪70年代因基础工业相对薄弱，油田压裂及时成长较晚，加上国内多山地丘陵的地理地貌，使得车载式、高通过性、皮实耐造的成套压裂装备成为当时各大油田主要的需求。因此该时期主要以引进成批国外压裂机组为主导。其中美国的双S、BJ、FMC、SPM成为到时主要的引进厂家。主要型号有700型、900型泵车、1300型泵车、1400型泵车等。
随着后期国内压裂施工规模的不断加大，施工难度的不断提升，各大油田依据自身情况，逐步开始引进功率更大的2000压裂车。同时国内对压裂装备的研发也逐步开始，比较有代表性的是中石化石油工程机械有限公司第四机械厂和烟台杰瑞石油服务集团股份有限公司。在研制型号上，通过2000型压裂装备现场的运用同时结合当时压裂对单机装备高功率的需求，2300型泵车、2500型泵车逐步被研发出来。同样的作业型号，中石化石油工程机械有限公司第四机械厂（后简称第四机械厂）所产装备在现场的可靠程度要优于烟台杰瑞石油服务集团股份有限公司（后简称杰瑞公司），但其单机超重、人体工学不强、科技化程度低等弊端也为各大油田诟病。但总体而言瑕不掩瑜，可靠的性能、极强的越野性能使得第四机械厂的装备奔腾在国内的崇山峻岭之间。
自2014年以来，随着国内页岩气的不断开发，以及油田基础工业的逐步繁盛，各类型装备、新厂家如雨后春笋逐步进步繁盛段。比价有代表性是的：四川宏华电气、三一重工、第四机械厂、杰瑞公司、宝石机械厂等；在压裂装备的研发上，第四机械厂的3000型压裂车、3000型压裂撬、5500型电动压裂撬；宏华电气的6000型电动压裂撬、杰瑞的6000型阿波罗燃气压裂车等被逐步开发。
在辅助设备方面，130桶（20m³/min）混砂、多功能仪表、大通径压裂管汇、智能化储液罐、自动输砂装置、液控主闸等逐步投入使用
就整个趋势而言，压裂装备逐步向单机高功率、高稳定性、节能环保、低噪等方向发展。
常见的压裂车由底盘车加台上装备组成。底盘车多由重型底盘承担，比较常见的有奔驰底盘车、MAN底盘车、北奔底盘车等。其中现场使用效果较好的是MAN底盘，其优越的性能与良好的操控备受驾驶者的青睐。目前国内压裂泵车绝大多数采用4桥设计，加上台上装备及辅助工具，多数泵车存在转弯半径过大、超重等难题。
台上部分则主要包括：大功率柴油机、变速箱、传动装置、大泵、液力端、散热系统、控制系统、压裂管汇等部件构成。具体常见组配如下：
目前常用的2500型、3000型压裂车装备所选柴油机主流是康明斯、底特律、卡特三家。就使用控制总体而言，底特律厂家的柴油机明显要优于康明斯，比较明显的特征是压裂施工过程中，当转速提升至1900转/min时，康明斯柴油机转速有较大波动对压裂泵的工作情况的判断带来一定难度和困扰；在变速箱方面，双环变速箱一直是行业主流。
就压裂泵而言，初期的3000型压裂车采用的是3缸泵，设计理念为通过使用较少的缸数和泵配件来降低压裂施工成本和维护保养时间，提升作业效率。但实际使用过程中（初期为江汉使用）出现抖动频率高、震动大与常规2500型泵相比作业参数不突出等弊端，后期通过调整将3缸调整为5缸，同时优化柴油机与变速箱的传动比，目前已基本解决上诉问题。
近期卡特生产的3512E一体机化压裂泵车在现场运用也取得了良好的效果。与传统柴油机和变速箱连接方式相比，该种机型将柴油机与变速箱装配在一处，降低了因连接方式带来的动力损耗。
与压裂车相比，压裂撬减少了底盘结构，作业过程中采用货车或拖挂进行转运。常见的压裂撬主要有柴驱与电驱两种。
比较有代表性的柴驱压裂撬是第四机械厂生产的3000型压裂撬。该种机型采用4000S83L重型柴油机作为动力源来驱动压裂部件做功，外形尺寸13.30 m×2.45 m×2.85 m，最大输出水马力3000hhp，最高工作压力140MPa。使用过程中拥有动力强劲、操控性强等优点。但柴油机、变速箱以及大泵分体式的结构给现场组装与拆卸带来了一定难度。同时单部件重量过大也导致货车在运输过程中需要超载。
电驱压裂撬主要有第四机械厂所生产的5500型电动压裂撬与宏华电气生产的6000型电动压裂撬以及杰瑞公司生产的5500型电动压裂撬构成。因宏华电气在电泵研制和投入使用方面走在了前列，在现场应用方面相对成熟，单台电驱撬能达到2.8m³/min,6000hhp。同时与柴油泵相比，电泵具有低能耗、单机大功率、低噪音、场地暂用小等优点。但单机重量过大（35-38t）也使得电泵在搬迁与运输过程中带来了一定难度。
另一方面，第四机械厂与杰瑞公司生产的5500型电动压裂撬均采用分体式结构同时双泵工作的设计，在搬迁安时需要组装、拆卸以及压裂过程中多泵保养，给压裂施工造成了不必要工作量。同时因电动压裂撬采用高压电作为动力来源，需要与国电来回对接，同时在安装拆卸时，需要专业的高压电工来操作与维护保养，专业性较强，高压电工配套人员短时间内难以普及。
3.3.1大通径压裂管汇
该装备是近期新开发的针对大排量高压力施工的压裂管汇，与常规3寸1502扣压裂管汇相比，130-15k的大通径压裂管汇具有通径更大，摩阻更低、使用数量少、压裂期间管线震动小、操作、维护保养方便的特点。特别值得一提的是大通径压裂管汇在连接时将以往的橡胶密封调整为钢圈密封，极大的降低了连接薄弱点处的刺蚀。目前该装备已在各大油田陆续运用。
3.3.2液罐自动化系统
该系统采用无线网络布局，同时结合电控式液动闸门、温度计量仪、液位换算器、远程控制板、紧急切断阀等，形成一套全新的无线液罐自动化控制系统。该系统不仅能快速统计不同液体类型、数量、温度、液位高度等常规信息，同时能将所采集信息以动画和数据的方式呈现给指挥和操作者。不仅如此，该系统还能依据客户要求设置相应预警值，保证紧急情况发生时，不论在有人或无人执勤的情况下对液罐阀门进行紧急切断。
(1)随着勘探开发的不断深入，更高压力、更大排量的压裂装备将逐步被开发与运用。如20m³/min以上排量的混砂车，140MPa以上的高压装备，并形成与之相匹配的高压管汇。
(2)按目前环境保护与清洁生产的要求，新动力装备的研发与运用将变得更加迫切。如柴油作为动力的压裂装备逐步向电力方向过渡，但受电网铺设及压裂作业的具体需求，电动压裂装备并不能完全取代柴油机泵压裂装备。
(3)受国际油价和国内油气行业降本压费的影响，目前各大油田的投资成本将陆续降低，为此各装备运营、以及作业现场均会通过调整或优化来实现降本增效，其中的关键环节就是压裂装备的降本压费。
(4)智能化、科技化、轻量化等新概念逐步在压裂板块得以运用，后续相应装备的研发与拓展也必将沿着该方向推进。人工智能的运用将进一步降低现场作业人员的数量，各大危险区域、繁重的体力劳动等也会被机械逐步替代。
(5)作为新兴及前沿装备，电动压裂装备将是后续压裂装备研发与公关的热门课题，同时更高耐压级别的压裂管汇（如180MPa）以及井下工具智能化的拓展必将进入一个新的领域。
1,....参考文献
[1]陈鹏飞,刘友权,邓素芬,等.页岩气体积压裂滑溜水的研究及应用[J].石油与天然气化工,2013,42(3):270-273.
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