压裂设备应用评价及技术发展展望

张增年， 李华川， 郑家伟， 马升平， 戴启平， 付军刚

(1中国石油集团川庆钻探工程有限公司 2四川宝石机械专用车有限公司 3宝石机械成都装备制造分公司 4宝鸡石油机械有限责任公司)

目前，随着非常规油气的超深井和长水平井不断增加，储层改造技术也不断创新，要求压裂装备朝着具备大功率、高负荷、持续时间长、智能化程度高等方向急速发展，并且要实现降低劳动强度，提高作业安全，满足现代环保和节能要求[1-2]。2500型压裂装备作为国内压裂市场的主导产品，相比与传统的压裂设备，具备功率密度高、适应国内复杂路况、性价比高等特点。

一、压裂设备驱动方式现状分析

国外压裂装备多以柴油驱动为主，由于北美地区道路平坦，通过性良好，压裂装备多为拖车结构形式为主，近几年也逐步在尝试多种驱动方式，如涡轮驱动和电驱，但规模较小。且北美地区压裂施工作业压力较低，多以2000型压裂装备为主，且多装载大功率发动机，以提高发动机作业稳定性。

国内压裂设备驱动方式已经多样化，较常规压裂车采取“柴油发动机-变速箱-压裂泵”的模式，已经成型并量化的有电驱、液压驱、涡轮驱、及双燃料等新型压裂装备，各种驱动方式各有优缺点。施工作业呈现多种驱动方式压裂设备联合作业。

1. 柴油驱动式压裂装备

该种驱动方式通用性较好，普遍存在噪音较大、污染高、工人劳动强度大、作业成本高等特点，而且受制于大功率柴油发动机整体尺寸、重量，不利于车载方案的设计和大功率压裂车的开发，特别是随着低碳环保要求的提高，大功率柴油机的使用将受限，柴油机驱动的压裂装备将严重制约大功率压裂车的发展。2500型压裂车是目前单机功率密度及性价比较高的一种配置，具有体积小、功率密度大、运移性强和可靠性高等优点，市场认可度高。

2. 电驱式压裂装备

电驱压裂橇由高压变频系统橇和电动压裂橇组成[3]，采用网电提供动力，集成自动化集控、电机直驱、线性连续控制，节能减排及数据实时采集传输等多种先进技术，可平滑地调整压裂泵排出流量。电动压裂噪音可低至85 dB(A)以下，具备夜间压裂施工条件，既能满足页岩气高压力、长时间、大排量、连续压裂施工作业，又有效缓解当前常规压裂设备装机功率的不足，施工作业经济性好，能耗费用为2500型压裂车的70%～75%，且制造周期短，电机和压裂泵均能实现国产化；但受制于网电容量的大小，影响施工配置台数，如能有效解决电驱压裂装备供电问题，市场前景大。已进行现场试验的电驱装备如表1所示，目前大功率电驱设备配套压裂泵额定冲次较高，对压裂泵的可靠性提出了更高要求，也需要国内配套厂家加强研发力度，开发长寿命压裂泵。

表1 国内电驱压裂装备主要技术指标

3. 液压式压裂装备

液压式压裂车是基于液压传动的全液压压裂装备，即采用发动机-液压泵-液压油缸-增压缸的液压传动方案。根据工况条件，采用多台发动机功率合流的形式，取代传统式的传动箱与传动轴，实现高压力、大排量压裂作业。通过主阀组控制换向与输送缸切换，满足超高压、大排量的各种压裂工况参数要求。作业中实现了无极调速、消除换档冲击、使得压裂车的工作更加智能平稳，但因液压传动效率较低，导致施工能耗高(达到传统2500型压裂车的120%～130%)，且液压维护较困难，高压液压油缸的稳定性不高[4]。

4. 双燃料压裂装备

双燃料压裂车是在传统柴油机的基础上加装外接天然气、燃油调节器和集成控制系统等特性硬件。工作原理是发动机启动之后，开启双燃料系统，系统自动检测各传感器参数，若各参数正常，电磁阀打开，燃气管道打开，燃气和空气在混合器混合后进入发动机。发动机功率加大，柴油的供给量减少，达到燃气替代柴油的目的。根据燃料的种类以及性能不同，替代率也不同,常规的替代率在50%～70%。

目前，斯伦贝谢公司和贝克休斯公司配套的CAT 3512C型发动机双燃料压裂装备已经投用。双燃料发动机既可使用柴油，也可以使用天然气和柴油混合作为燃料，天然气与柴油的最大替代率可达75%以上，压裂作业平均替代率在50%以上。双燃料动力的应用，不仅可以充分利用油气资源，代替部分柴油，降低作业成本、获取更大经济效益，而且可以降低废气的排放、满足日益严格的环保要求。

5. 涡轮式压裂装备

涡轮驱动压裂车将传统庞大而笨重的柴油机更换为体积小、重量轻、功率大的涡轮发动机[5]，其功率密度是高功率柴油机的20倍，将传统变速箱更换为超高速涡轮减速箱，实现超级发动机和大型或多台压裂泵的匹配，在运输和压裂施工作业中，可大幅减少配套井场占地及车组人员；在经济方面涡轮压裂车维护间隔也比柴油机长，且拥有柴油、LNG、CNG、预留井口气等多燃料系统；在作业过程中，可将压裂作业成本降低30%左右。

2019年11月，杰瑞全球单机功率最大的涡轮压裂整套机组在北美实现商用。该成套机组可以高效使用多种气源，大幅降低燃料成本，满足不同的排放法规要求,但涡轮压裂车噪音大，环境友好性差。

二、大功率压裂设备现状分析

国内压裂市场主要以2000型压裂车为主，但不足以满足小井场大作业和储层改造的要求，2500型压裂车自2008年投入以来，国内该型压裂设备接近400台(套)，2500型压裂设备较好满足储层改造的需求。

1. 2500型与2000型性能对比

对比国外的施工井场，国内的施工设备主要以车载结构为主，主要考虑设备的移运性能，以2000型和2500型压裂车为主，根据设备结构、主要性能参数和设备使用情况作如下分析，主要性能参数如表2所示。

(1)增加底盘取力作为台载发动机辅助动力，对整套设备能力增加有限。

(2)在相同配置的前提下，选择不同液力端，小尺寸柱塞可以覆盖大尺寸的部分施工能力，且压力范围调整有余度。

(3)在同样的大泵配置下，选择2500型施工能力可以明显提升，压力与排量调整范围更广。

(4)对于超大型传统压裂设备，设备施工能力增加的同时，整机重量将大幅提高，对设备移运性要求较苛刻。

(5)相同的车载结构条件下，相对于2000型，2500型压裂设备水功率密度增加25%，优势明显。

表2 压裂设备主要技术指标

2. 2500型与3100型性能对比

随着功率为2 200～2 425 kW的卡特3516C型发动机、底特律DDC 16V4000的推出，和与之匹配的卡特TH55-E70和TH55-E90型变速箱的应用，国内压裂设备生产厂家江汉第四机械厂和烟台杰瑞也逐步推出3000型和3100型大型压裂车，已投放市场，呈现出更高的性价比，单位面积水功率密度比2500型提升20%，比2000型提升50%，更适合非常规油气领域大型压裂、连续施工作业。但是，整机体积过于庞大，整机重量已经超过48 t，不满足道路通过性要求，2500型和3100型压裂车主要性能参数如表2所示。

3. 2500型与4500型性能对比

杰瑞4500型阿波罗涡轮压裂车2015年2月在珙县页岩气完成现场测试，5月成功完成双燃料系统测试，基本配置是4 100 kW涡轮发动机为全车动力单元，配合杰瑞超级减速箱和JR5000型超级压裂泵，整车实现3 350 kW水马力功率输出要求，单机功率密度、道路通过性、节能减排和操控方便性等方面优势明显，但是制造周期、噪音、性价比制约其快速发展。2500型和4500型压裂车主要性能参数如表2所示。

三、压裂设备技术现状分析

虽然新型压裂装备不断研发，但受制各自局限性，传统车载压裂设备依然占据市场主流，国内和北美设备制造厂家主要产品是柴油驱动式压裂装备。国内压裂泵制造技术与性能已与北美先进厂家水平相当，发动机和变速箱技术还有待突破，在今后相当长的时间内压裂设备依然将依赖进口，随着技术不断发展，压裂装备最终将走向自主研发，国产化依然是未来发展的主流方向。

1. 整机形式

装机形式主要是车载和橇装两种形式。由于受制国内道路运输条件，国内压裂设备主要是重型底盘为主，整车尺寸及重量须满足GB1589-2016要求，长宽高控制在12 500 mm×2 550 mm×4 000 mm，整车重量不宜超过46 t。

橇装设备分整体式和分体式。整体式橇装设备是将发动机、变速箱、压裂泵及附属设施整装在一个橇座上，分体式橇装设备将发动机、变速箱及附属设施安装在一个橇座，压裂泵安装在一个橇座，现场安装，便于检修与更换。

2. 部件优化形式

2.1 不锈钢液力端及易损件

国外斯伦贝谢公司通过使用不锈钢压裂阀箱和长寿命阀体、阀座，降低施工作业间隔时间。根据2018年数据显示，在水马力总量不变的情况下，该公司在北美通过配套可靠的设备，工作量由2014年的42个平台增加到2018年的48个平台，提高15%，作业效率极大提升。国内自2018年开始以来，各设备制造厂家陆续推出同类型阀箱，但因材质不能完全达标，不锈钢阀箱现场应用时间普遍在600 h左右。

2019年国内油田服务商尝试使用不锈钢压裂阀箱，但制约压裂设备可靠性发展的问题依然突出，国内泵阀箱易损件的质量不能满足长时间的压裂工况。哈利伯顿配套的长寿命阀体阀座，每130 h检修一次，而国内使用的碳钢阀体阀座20～30 h检修一次。压裂设备易损件寿命低，可靠性低，更换频次高，严重影响压裂设备整体可靠性。同时，国内厂家不应仅停留在碳化钨阀体和阀座，也应重点关注与阀体配套使用的胶皮、以及密封盘根和泵盖密封件等其他配套件的寿命问题。只有提升整体寿命，才能提高压裂设备的可靠性。

2.2 球式液力端

球式液力端主要采用特制钢球代替传统液力端的高分子材料做成的凡尔胶皮，将原有与凡尔座的密封方式由面密封改为线性密封。其它结构与传统压力泵液力端结构一致，其利用柱塞的往复运动，使液力端腔体内产生压差，凡尔球利用重力进行自吸式开合达到液力端吸入和排出的目的。

球式阀总成通过结构设计优化,吸入压盖定位孔设在中心线位置上，与限位支架组合安装，代替传统的凡尔阀体、凡尔弹簧、凡尔座及凡尔胶皮结构，创新采用球式凡尔阀总成，增大了液力端阀箱腔体与球式阀总成的补偿量，更耐冲刷、抗腐蚀、耐磨损。

3. 控制系统智能化

压裂设备主要采用了工业以太网网络控制，机组形成环网，通过网络远控箱实现对机组的集成控制，达到对发动机、传动箱等的远程操作控制。目前电驱设备也继承了这种控制方式，但随着压裂设备规模扩大和作业时间的延长，机组作业的安全可靠性问题日益严峻，需要提高对运行设备的在线监控和远程故障诊断的能力，增加相应部件的动态检测、危险点故障预警和整车动态监测，提高压裂机组的智能化水平，同时增加远程专家故障诊断和运行监测，进一步在现有的控制系统基础上进行升级改造，满足压裂机组的智能化操作需求。

四、压裂装备技术发展展望

针对当前非常规油气压裂作业，从实用性和可靠性方面出发，车载2500型压裂车仍是压裂作业的主力机型，且能较好满足目前的压裂作业工艺需求。但从国家加大对自主研发的支持力度和环保要求的升级，新型驱动形式压裂装备技术必将成为未来各专业厂家的核心驱动力，设备的免(少)维护和高可靠性成为目前井工厂长时间压裂作业的基本要求。目前随着电网普及或发电机组集中发电的建设，具有维护方便、经济性好、环境友好和高智能化水平的电驱压裂装备必将成为主流配置。

1. 压裂装备技术的发展离不开基础工业的进步

国内压裂设备制造厂家受制于国外部件生产商，如车载重型发动机，主要是卡特彼勒、底特律、康明斯等，传动箱厂家主要以艾里逊和双环为主，尤其是涡轮式发动机，依赖程度较大。国内配套厂商产品还不满足压裂装备对高负荷、长时间工况的性能要求，稳定性不高。需加大基础部件研发，提高整体抗风险能力。

2. 新型式压裂装备正在高速发展

新型装备驱动形式如电驱、液压适合国内需求，但稳定性还需要进一步验证。电驱式压裂装备受电网容量影响较大，只能因地制宜的开展，解决区域用电量就能大幅推广电驱装备。在川渝区域，井口气发电正在测试，可以覆盖周边平台用电需求。另外，随着双燃料井场发电机组逐渐推广，双燃料压裂装备也将大力发展。

3. 压裂装备与压裂工艺技术同步发展

通过现代压裂工艺发展历程和趋势可以得出，今后油气上产将以非常规能源规模开采为主，压裂装备只有不断向大型化、自动化和智能化方向发展，才能满足工艺技术发展的需求；随着装机功率增大、设备部件和控制可靠性要求越来越高，施工规模和施工工艺也就越来越复杂，将更能实现储层改造增产的目标。

4. 压裂技术正朝着可靠性高、精确化控制、智能化迈进

通过几代人的不懈努力，压裂装备与国外的差别越来越小，但差距依然明显，国内装备普遍存在着可靠性不高，精确化控制不足，智能化欠佳等情况。随着中国制造2025的不断推进，高可靠性、高精确性、高智能性的压裂装备正全速发展。