石油圈
隨著國內天然氣勘探開發的深入，油氣井深度和開發難度不斷增加，壓裂工藝日益強化，無論是施工總量，還是施工規模，每年都在逐漸增大，年增長速度在20%左右。在我國新疆和四川區塊已有氣井施工壓力達125MPa以上、總輸出水功率大于8820kW的超大型壓裂作業。壓裂施工的作業壓力和排量越來越大，目前各大油田作業公司60%的機型以2000型為主，已遠遠不能滿足施工工藝的要求。隨著國內2500型壓裂車的成功研制，該壓裂車已經作為大型壓裂作業的主要機型，作業最高壓力為140MPa，作業性能更加穩定。我國水平井多段壓裂技術已經從試驗性開發走向規?；瘜嵤╇A段，大型壓裂施工從總量和規模上都在擴大，壓裂裝備的發展也應緊隨著施工作業的要求，從當前壓裂裝備的發展看，壓裂裝備的研制也朝著大型和超大型方向發展。國內已經有廠家研制了3000型及以上更大功率的超大型壓裂設備。
然而，由于2000型和2500型壓裂車采用車載式結構，在整機質量和外形尺寸等諸多方面受到限制，屬于超限改裝車，整車超高超重，很難滿足快速運移及小井場作業的要求。特別是如今的頁巖氣壓裂作業要求長時間連續大負荷施工，要求一種占地小、結構緊湊且移運方便的大型壓裂設備，來有效解決國內井場偏僻及作業場地有限的問題。為此，筆者介紹了幾種典型的超大型壓裂設備的技術特點，并分析了各種超大壓裂裝備的性能特點，這對現階段小井場、大作業的“工廠化”作業施工所需壓裂裝備的研制具有一定的指導意義。
國內外壓裂設備發展現狀
美國是主要生產壓裂設備的國家，有哈里伯頓公司、斯倫貝謝公司等，其中哈里伯頓公司的產品代表著世界先進水平。美國壓裂設備主要依據壓裂施工工藝研制。對于北美地區，道路平坦，油田道路通過性良好，且北美頁巖氣施工作業中壓力較低，壓裂車主要以2000型為主，多采用拖車結構。由于北美地區不存在高壓力作業需求，目前北美各大作業公司并未研制大型壓裂車，最高作業壓裂機型以2300型壓裂車為主。國內油田從20世紀70年代開始引進國外成套壓裂機組，成套引進機型主要包括美國BJ公司1000型壓裂機組、雙S公司1600型壓裂機組以及西方公司1400～1800型壓裂機組等。隨著國內壓裂施工規模越來越大，國內油田從21世紀初開始大量引進國外2000型成套壓裂機組。
我國壓裂裝備自主研制從20世紀80年代開始，機型以800型、1000型、1800型和2000型為主，中石化石油工程機械有限公司第四機械廠于2008年成功研制2500型壓裂車。目前國內主要壓裂設備生產廠家以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為主，油田配備的壓裂機型以2000型、2500型為主。目前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已成功研制了3000型超大型壓裂車，且煙臺杰瑞石油服務集團股份有限公司于2014年成功研制了3308kW渦輪驅動壓裂車。
國內獨特的作業環境和工況決定了壓裂裝備未來的發展方向，即應朝著高效、高穩定性和高可靠性方向發展并能與現階段作業工況相適應。
幾種典型的大型壓裂裝備與技術
車載壓裂裝備技術
車載式壓裂裝備采用傳統的車載結構，在重型底盤上安裝臺上設備，如發動機、傳動箱和壓裂泵等。目前國內已經研制開發3000型壓載車，3000型壓載車采用現有車載式結構的成熟技術，通過增加臺上設備性能參數達到2205kW水功率輸出的要求。底盤采用奔馳4151型重型底盤，其動力設備為MTU16V4000型發動機，變速箱采用TWINTA90－8701或者CATTH55變速箱，受到整車尺寸和質量的限制，壓裂泵主要采用的是三缸泵，整車質量45.0t。3000型壓載車最高工作壓力為140MPa。中石化石油工程機械有限公司第四機械廠研制的SYL3000－140Q型壓裂泵車，其最高工作壓力為140MPa，最大排量為2.08m3/min。由于采用的三缸柱塞泵，該3000型壓裂車在現場工業性試驗中，當大排量高壓力時，壓力波動大，現場試驗中車尾振動幅度大，試驗效果不是很理想。相對于2500型壓裂車，3000型壓裂車的最高作業壓力與之相同，最大排量比2500型壓裂車最大排量大6.6%，優勢不夠明顯，但性能穩定性卻遠遠不如2500型壓裂車。因此，3000型壓裂車還不具備大量推廣的條件。對于車載式結構的壓裂車，由于受到整車質量和尺寸的影響，通過單一增大臺上設備來設計超大功率且具有穩定性能的壓裂車已受到限制。
渦輪驅動壓裂裝備技術
目前美國和俄羅斯在壓裂設備中已成功使用渦輪發動機驅動技術，其中美國一家公司成功將渦輪發動機改造后應用于壓裂設備。其中國內成功研制的渦輪發動機制造廠家以煙臺杰瑞石油服務集團股份有限公司和寶雞石油機械有限責任公司為主，煙臺杰瑞石油服務集團股份有限公司研制的3308kW壓裂設備配備的渦輪發動機的型號為TUＲ-BOSHAFT－5600，壓裂車最大輸出功率為3308kW，最高壓力140MPa，整車質量為37.1t；寶雞石油機械有限責任公司的渦輪壓裂裝備以壓裂橇為特色，寶雞石油機械有限責任公司引進的MTT公司的TFP－4000型壓裂橇，配備2830kW渦輪發動機，FMC三缸壓裂泵，最高輸出壓力為105MPa，外形尺寸為4.20m×2.40m×1.15m，質量為18.4t，由于渦輪發動機功率富裕，可以更換壓裂泵以實現更高壓力作業。
目前國內生產的渦輪驅動壓裂裝備還處于現場工業性試驗階段，并未正式投入施工作業。
全液壓驅動壓裂裝備技術
針對目前壓裂車的發展趨勢(高壓力、大排量以及高可靠性)，傳統的壓裂車通過機械傳動驅動壓裂泵進行壓裂液的吸入和排出。針對機械式傳動壓裂車的特點，三一重工股份有限公司提出了一種全新的壓裂車設計思路，即通過液壓系統驅動液壓油缸的往復運動實現壓裂液的吸入和排出。
三一重工股份有限公司生產的SYN5450TYL1860(Y)全液壓壓裂車，通過5個441kW的小型發動機和底盤發動機共同取力，整機額定功率達到2514kW，小型發動機上串聯2個190型液壓油泵，液壓油泵通過閥組控制油缸的往復運動。最高泵壓為125MPa，最大排量為1970L/min，整機質量46.0t，外形尺寸為12.50m×2.50m×4.00m。由于采用的是液壓驅動系統，能實現整機排量的無極調節，采用的液壓缸的最高換向次數為59.2次/min，比傳動的機械式壓裂泵沖次少，減少了易損件磨損，延長了壽命。5臺發動機互為備份，能有效減少壓裂車故障停機的情況發生。由于采用的全液壓系統，降低了對國外大型發動機和變速箱的依賴，有利于壓裂車的國產化。全液壓壓裂車的不足之處在于，整車屬于超限運輸車，且由于采用的全液壓系統，液壓系統比較復雜，裝配過程復雜，排故困難。且液壓控制元件的響應速度不及電氣控制的響應速度，由于為最新設計產品，設計合理性還需進一步驗證。
目前三一重工股份有限公司的全液壓壓裂車已投入現場工業性試驗階段，整機長時間作業穩定性和可靠性還需進一步驗證。
電驅壓裂裝備技術
電驅動壓裂裝備通過電機驅動壓裂泵，將傳動的柴油發動機驅動變成電機直接驅動。發電機發出的交流電經整流器件轉換為直流電，直流電經功率器件驅動電機運轉，控制器控制功率器件的導通時間就可以控制電機的轉樞電壓，從而控制電機轉速，驅動壓裂泵工作。電驅動壓裂車由電源車和壓裂泵車兩部分組成。壓裂泵由同步電機直接驅動，電源車通過渦輪發電機驅動大功率永磁同步發電機給泵車供電。
目前大功率永磁同步電機大量應用于風力發電，通常工作轉速20r/min。壓裂車的工作轉速在1700～1900r/min，需要重新研制大功率永磁同步電機，穩定性和可靠性有待驗證。電源車采用大功率退役渦輪發動機作為原動機驅動高速、高頻永磁同步發電機為壓裂車組提供電源。從電驅壓裂泵車的結構來看，3308kW壓裂泵車同樣需要2臺車載設備，且所用的渦輪發動機、功率器件和永磁電機成本高，渦輪發動機熱效率低，維護成本高，且可靠性有待驗證。
橇裝壓裂裝備技術
目前橇裝壓裂設備在國內應用較少，小型壓裂橇裝設備由于單橇質量過大，普通的4軸運輸車無法滿足其運輸移運的要求，對于小型壓裂設備，一般采用車載式結構；對于大型、超大型壓裂設備，如3000型壓裂設備，車載式結構由于尺寸和質量的約束，整車結構受到限制?；谝陨弦蛩?，寶雞石油機械有限責任公司研制開發了一種新型壓裂泵組單元。
3000型壓裂橇由2個獨立的橇(動力橇和泵橇)組裝而成。整橇質量34.0t，外形尺寸13.30m×2.45m×2.85m，最大輸出水功率2279kW，最高工作壓力140MPa，最大排量2752L/min。通過載荷分布將所有設備分布在不同的橇裝結構上，同時采用集裝箱箱體結構，方便吊裝和運輸。整橇節省了底盤的采購成本，且單橇運輸時整車總質量不超過31.0t，能快速移運，避免了超限運輸車帶來的弊端?，F場組裝時，泵橇和動力橇通過楔形塊進行連接，主傳動軸通過快速連接盤與變速箱輸入端進行連接，橇與橇之間的通訊通過快速插接件進行連接。并且整橇占地面積小，特別適用于井場小的頁巖氣井的作業工況。2橇通過快速連接裝置進行連接，快速連接裝置傳動時通過齒形進行動力傳遞，傳遞平穩可靠，且傳動軸的拆卸和安裝是通過舉升裝置進行，連接快捷方便。整橇主要部件采用DDC/MTU16V4000－S83L發動機，雙環TA90-8703變速箱，SPMQWS3500五缸壓裂泵。3000型壓裂橇的不足之處在于，現狀組裝時耗費人力，且由于井場地面沒有硬化處理，可能會存在傳動軸偏角過大的問題;作業過程中由于是剛性連接，整橇作業時也會存在振動的問題，因此，還需進一步做好減振的研究。目前3000型壓裂橇已處于樣機試制階段。
認識與建議
在頁巖氣和深井、超深井的勘探與開發方面，隨著壓裂工藝向高水平、大排量、大砂量、高砂比和深井方向發展，壓裂裝備的研發也必然會向高壓力和大排量方向發展。國內壓裂裝備制造企業也應該提高研制水平，以超大型壓裂裝備為研究方向進行技術儲備。
隨著國家對環境和安全的更加重視，對道路行駛要求越來越嚴格，超限車的行駛受到了諸多限制。而且川渝頁巖氣井開發平臺和沙漠地區等作業地區道路行駛條件惡劣，傳統的車載式結構已經限制了超大型壓裂裝備的設計開發，未來大型壓裂裝備會朝著整機輕量化和高行駛性能方向發展。隨著“工廠化”壓裂作業的持續發展，且川渝地區存在的井場小以及道路崎嶇的壓裂現狀，從考慮成本和井場布置方便考慮，未來大型壓裂裝備應該方便運輸和井場布置。
隨著大型壓裂作業的施工，機組聯合作業，對設備的可靠性提出了更高的要求，要求各制造廠家根據自身產品的特點提高設備的可靠性和增強自身產品的市場競爭力，降低用戶的使用成本和采購成本，減少事故發生，降低維護運營成本。
從減少人力成本和降低勞動強度，大型壓裂裝備應該更高智能化，通過自動控制技術、網絡通信技術和機電液一體化控制技術，使大型壓裂裝備的控制技術更具人性化和智能化。
從目前幾種超大型壓裂裝備的技術現狀和特點分析，筆者認為橇裝壓裂裝備將會是未來發展的方向，應重點研究橇裝結構的振動和解決橇裝壓裂裝備快速組裝的關鍵技術。
壓裂橇采用橇裝單元組裝的方式，有效解決了國內同等型號發動機和壓裂泵質量大及不利于安裝在車臺的問題，能推進壓裂裝備的國產化進程，降低壓裂裝備核心部件對國外產品的依賴性。
來自/石油機械 雜志
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