压裂装备发展现状及发展趋势探讨*

王俊玉，李彦志，王志喜，侯勇俊，席建秋，刘有平，段 萍

(1.川庆钻探工程有限公司 井下作业公司，四川 成都 610213； 2. 西南石油大学 机电工程学院，四川 成都 610500；3.四川宝石机械专用车有限公司，四川 广汉 618300； 4.宝石机械成都装备制造分公司，四川 成都 610052)

关键字:压裂装备；发展现状；电驱化；模块化；智能化；功率大型化；长寿命易损件

0 引 言

1947 年，美国进行了第一次水力压裂试验[1]，经过70 多年的发展，水力压裂已经是提高油气井采收率的主要措施，是开发深部油气藏和改造低渗透油气藏的主要手段。 压裂的核心基础——压裂装备也得到了不断发展。 2002 年后，水平井取得巨大成功并成为主流钻井方式，水平井压裂井段长，需要的压裂液量大、压力高，压裂设备连续作业长。 水平井压裂及装备技术不断进步，使得美国页岩气开发成本在近15 年间持续降低了85%，促进了产量的快速增长，尤其2006 年后产量更呈现爆炸式增长。 之后，世界各国对页岩压裂技术的研究也逐步提上日程，并在全球范围内掀起了一场“页岩革命”[2]，伴随着这场“革命”，压裂装备推陈出新，快速发展。 压裂装备主要包括压裂泵注设备、混砂设备、压裂料存储设备和压裂管汇等。 压裂施工时，压裂液、支撑剂等压裂材料按设定配料方案通过混砂设备搅拌均匀，再由往复式泵注设备加压至需要的压力(可高达140 MPa)，经压裂管汇、井口进入井筒。 笔者重点介绍了压裂设备中的泵注设备等核心设备的国外和国内发展现状，给出了国内压裂设备电驱化、核心设备单机大功率化的发展趋势，结合国内压裂工艺技术的发展，给出了超长冲程超低冲次压裂泵、支撑剂新工艺流程，指出了压裂装备自动化和智能化发展方向，对提高我国压裂装备技术的水平、保障国家油气安全具有重要的意义。

1 国外压裂装备发展现状

国外压裂装备技术研究起步早、时间久、水平高。美国是生产大型压裂装备的主要国家，拥有许多大型压裂装备制造公司。 比如双S 公司、哈里伯顿公司、斯伦贝谢公司、西方公司、B.J (BYEONJACKSON)公司等。

2012 年，贝克休斯公司开发出GorillaTM 重型压裂泵[3]，可以进行高温高压和大排量的作业。 该压裂泵的引擎功率为2 205 kW，可提供的功率为1 984.5 kW，最大排量为4.9 m3/min，最高工作压力为137.9 MPa，是当时世界上最强大的可移动压裂泵之一。

2013 年，贝克休斯公司开发出RhinoTM 双燃料引擎驱动压裂车[3]。 该压裂车可完全使用柴油做燃料，也可使用井口天然气、管道天然气、压缩天然气(CNG) 、液化天然气(LNG)，还可使用柴油与天然气混合物作为燃料，大大降低了压裂作业时污染物的排放，其中CO 排放减少到0，氮氧化合物(NOx)排放减少，颗粒物排放减少约70%，完全满足美国环境保护局的尾气排放标准。

2014 年，U.S. Well Service 推出了首个全电驱动、可移动的压裂设备(图1)[4]。 根据油气井增产得出实际需求的水马力(hhp)，可使用3 台或者4 台5.67 MW涡轮发电机发电， 输出电压13 800 V，用变压器降压至600 V 后为电驱压裂设备供电。 用电机和变频设备(VFDs)替代了传统压裂设备的柴油发动机和变速箱，使电驱压裂泵的振动降低80%，噪音降低80%，污染气体排放降低99%。

图1 U.S. Well Service 电驱压裂设备

2018 年AFGlobal 推出DURASTIM © 型液压压裂泵(图2)，冲程达48"(1 219.2 mm)，约为传统设备的4 倍，冲次低至20 冲/min，仅为传统设备的10%。 由恒速6 600 VAC 电机驱动四个液压旋转泵，通过液压驱动压裂泵，可实现变排量以及完全自动化。 由于冲次的大幅降低，使得液力端及易损件寿命延长，压裂泵振动减小。

图2 DURASTIM© 型液压压裂泵

Energy Recovery 公司研发出以压力交换技术为核心的VorTeq 压裂设备(图3)，VorTeq 重新规划磨蚀性支撑剂的运动路线，确保只有纯净的水可以接触压裂泵，将泵的使用寿命延长到一个全新的行业水平。 由于可移动部件采用了特殊的耐磨材料，VorTeq系统可承受极高的压力，在大排量、极端温度和研磨性极强的支撑剂等各种苛刻条件下，仍然可以持续正常运转。

图3 VorTeq 压裂系统

国外压裂装备公司注重全球合规和安全设计标准，遵循通用的ISO 和IEC 安全规范，从而减少了由于地理、区域要求或偏好形成的偏差。 国外压裂装备的专业厂商很多，能够提供压裂泵车包括底盘卡车、动力机、传动系统及压裂泵等的成套技术装备，形成了电力、液压、柴油机或燃气轮机等多种动力驱动形式的系列产品。 大多数国外压裂装备制造公司既从事装备制造， 又从事油田工程技术服务，所以他们生产的压裂装备性能既能够和压裂施工工艺紧密地结合，又具有各自的个性特色。

2 国内压裂装备发展现状

20 世纪70 年代，国内开始从国外引进成套的压裂装备，经过50 年的研发和应用，已基本实现压裂设备的国产化。

90 年代，500、700 型等中小功率压裂设备实现国产化。 本世纪初期我国开始自主研发由柴油机驱动的2000 型、2500 型等中等功率压裂车，现已成为国内压裂作业的主要设备。

2013 年，国产3000 型等中大功率的压裂车开始投入使用，并很好地适应了油田施工要求。 宝石专用车公司的3 000 hp 一体式变频电驱压裂橇将变频房与压裂橇集音降低至95 dB 以下，与同功率柴油压裂车相比，成本降低30%，清洁环保，无需单独配备变频房，运输安装方便[4]。 同年，烟台杰瑞石油装备技术有限公司研发出了3100 型压裂车，最高输出功率达到3115 水马力[5]。 2015 年，杰瑞研发出了输出水功率达4 500 hp 的涡轮压裂车[6]。 2018 年，中车永济电机公司与中石化江汉四机厂联合研制的页岩气开采用4500 马力电驱动压裂泵系统，在涪陵中石化油气田成功完成开采压裂施工。

2009 年，四川宏华成功研制出全球首套6000 型大功率电动压裂泵，并在美国OTC 向全球发布，2012年在国内首次实现和传统压裂车联合作业试验，2016年开始在页岩气平台大规模应用[7]。 2019 年中石油宝石机械和杰瑞同时自主研发7000 型大功率电动压裂橇[8]，该压裂橇功率达5 220 kW，最大工作压力140 MPa，噪音可降至90 dB 以下。 7000 型电动压裂橇搭载了全球功率最大的柱塞泵，象征着我国电动压裂装备技术已达世界领先水平。

2015 年，三一集团研制了国内首台全液压式压裂车[9]，整机额定功率2 514 kW，最高泵压125 MPa，最大排量为1 970 L/min，冲程1 500 mm、冲次≤59.2次/分，是目前世界上冲程最长的压裂设备。

3 压裂装备发展趋势

(1) 压裂设备电驱化

在压裂设备的驱动方式方面，柴油机作为动力的主要为中小功率和中等功率的压裂车[6，9]，电驱动压裂设备在中等功率、大功率压裂设备中均可使用，特别是大功率的压裂设备全部采用了电驱动[4，7，8]；涡轮发动机驱动的压裂设备目前仅有杰瑞的4 500 hp压裂车[6]。

(2) 单机大功率化

国产压裂设备的单机功率从2 500 hp 以下的中小功率，到3 000～4 500 hp 的中等功率，再到6 000～7 000 hp的大功率，仅仅只用了10 年左右的时间。

(3) 压裂泵向超长冲程超低冲次方向逐步发展

在驱动单元有相当能力的基础上，随着大规模、长时间的设备运行，因易损件故障导致的设备设施的可靠性问题也随之凸显出来。 近年来，阀箱、泵阀、柱塞密封组件等寿命虽在逐渐提高，但离现场使用要求还有一定差距。 增大压裂泵的冲程、降低压裂泵的冲次是提高阀箱、阀组件和柱塞密封组件最有效的途径。 四川宏华的6000 型大功率电动压裂泵，其冲程达到12"，是采用曲柄滑块机构工作原理的压裂设备中冲程最大的；AFGlobal 的DURASTIM © 型液压压裂泵冲程达到48"，最低冲次20 冲/min；三一集团全液压式压裂车冲程达1 500 mm，最高冲次59.2 冲/min。 鉴于国产高压大流量的液压控制器件的缺乏，研发既能发挥传统曲柄连杆压裂泵换向简单可靠的优势，又能有效降低冲次、增加冲程的新型压裂泵可能是提高未来压裂设备连续工作可靠性的最有效途径[10-12]。

(4) 支撑剂不通过压裂泵的新工艺流程

在流体和支撑剂的流程设计中，传统压裂装备支撑剂经搅拌混合后进入压裂泵，加压后泵入井下，支撑剂等硬颗粒物料和化学剂会通过压裂泵阀箱、泵阀，使泵阀和柱塞密封的寿命变短。 Energy Recovery公司的VorTeq 压裂设备采用了全新支撑剂和化学剂流程，避免了磨粒磨损性强的支撑剂和腐蚀性大的化学剂进入压裂泵，即使采用了传统的压裂泵，也极大地提升了压裂泵的工作寿命。

(5) 压裂设备体积小型化和功能模块化

体积小型化和功能模块化是用户重点需求之一。小体积的优势在于运输的便利，节约运输成本，方便设备转场。 在保障相当功率的前提下尽可能减小体积将成为主压裂装备的发展趋势；模块化的优势在于方便现场组装，缩短作业准备时间，提高生产时效，方便装备的快速替换和检修。 实现全井场区域装备一体化、模块化，结合三标一规范，打造“一盘棋”式作业现场。

(6) 压裂装备的自动化、数字化和智能化

以前，国外压裂装备在控制系统自动化方面优势明显，近年来，随着国内科技的不断发展，国产压裂装备控制系统已能和国外并驾齐驱，并能根据用户要求实现自动化定制。 在今后的压裂装备发展中，自动化控制和智能化进程将会是必然趋势。 发展的关键在于指令执行过程中控制信号的抗干扰能力以及执行单元的响应速度和准确度。 控制系统同时应具有兼容性，能使不同厂家装备实现互联并网控制，这样易于操作，便于培训。 从目前国内压裂设备配套发展来看，需要尽快建立压裂装备数字化、自动化的行业标准，以实现控制、数据采集系统的高度兼容、统一。 但是，在实现高精度的自动化控制进程中，还需同时留配手动或半自动控制方式，将其作为储备手段进行辅助。

随着模拟、数字技术的成熟，压裂现场运用大量数字化技术，目前已经可以实现高压区巡视、液位远程监控、高低压闸门远程控制等功能，结合前文提到的井场一体化和模块化，利用数字系统可实现远程监控、指挥。 基于数字化和智能化的不断发展，无线传输不受空间限制且其具备简洁快速的特点，将来的应用前景必将一片光明。

(7) 特殊作业压裂装备

根据特定条件、特殊工艺(如小排量配合测井、连续油管作业)、特殊泵注工艺(如注二氧化碳)，可配置小型化、专用化压裂装备。

4 结 语

将压裂装备电驱化、体积小型化、功能模块化，压裂泵单机功率大型化、超长冲程超低冲次的发展方向与飞速发展的数字化和智能化技术相结合，应用物联网技术，可实现压裂装备的跨越式发展。 结合我国压裂作业特征，跟踪世界压裂装备与技术发展动向，把握世界压裂装备与技术发展脉搏，调整和优化当前压裂装备与技术的研发方向，提前做好技术储备，促进我国能源装备的长足发展，对保障国家的石油战略安全有着重要意义。