壓裂裝備發展現狀及發展趨勢探討*

王俊玉，李彥志，王志喜，侯勇俊，席建秋，劉有平，段 萍

(1.川慶鉆探工程有限公司 井下作業公司，四川 成都 610213； 2. 西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500；3.四川寶石機械專用車有限公司，四川 廣漢 618300； 4.寶石機械成都裝備制造分公司，四川 成都 610052)

關鍵字:壓裂裝備；發展現狀；電驅化；模塊化；智能化；功率大型化；長壽命易損件

0 引 言

1947 年，美國進行了第一次水力壓裂試驗[1]，經過70 多年的發展，水力壓裂已經是提高油氣井采收率的主要措施，是開發深部油氣藏和改造低滲透油氣藏的主要手段。 壓裂的核心基礎——壓裂裝備也得到了不斷發展。 2002 年后，水平井取得巨大成功并成為主流鉆井方式，水平井壓裂井段長，需要的壓裂液量大、壓力高，壓裂設備連續作業長。 水平井壓裂及裝備技術不斷進步，使得美國頁巖氣開發成本在近15 年間持續降低了85%，促進了產量的快速增長，尤其2006 年后產量更呈現爆炸式增長。 之后，世界各國對頁巖壓裂技術的研究也逐步提上日程，并在全球范圍內掀起了一場“頁巖革命”[2]，伴隨著這場“革命”，壓裂裝備推陳出新，快速發展。 壓裂裝備主要包括壓裂泵注設備、混砂設備、壓裂料存儲設備和壓裂管匯等。 壓裂施工時，壓裂液、支撐劑等壓裂材料按設定配料方案通過混砂設備攪拌均勻，再由往復式泵注設備加壓至需要的壓力(可高達140 MPa)，經壓裂管匯、井口進入井筒。 筆者重點介紹了壓裂設備中的泵注設備等核心設備的國外和國內發展現狀，給出了國內壓裂設備電驅化、核心設備單機大功率化的發展趨勢，結合國內壓裂工藝技術的發展，給出了超長沖程超低沖次壓裂泵、支撐劑新工藝流程，指出了壓裂裝備自動化和智能化發展方向，對提高我國壓裂裝備技術的水平、保障國家油氣安全具有重要的意義。

1 國外壓裂裝備發展現狀

國外壓裂裝備技術研究起步早、時間久、水平高。美國是生產大型壓裂裝備的主要國家，擁有許多大型壓裂裝備制造公司。 比如雙S 公司、哈里伯頓公司、斯倫貝謝公司、西方公司、B.J (BYEONJACKSON)公司等。

2012 年，貝克休斯公司開發出GorillaTM 重型壓裂泵[3]，可以進行高溫高壓和大排量的作業。 該壓裂泵的引擎功率為2 205 kW，可提供的功率為1 984.5 kW，最大排量為4.9 m3/min，最高工作壓力為137.9 MPa，是當時世界上最強大的可移動壓裂泵之一。

2013 年，貝克休斯公司開發出RhinoTM 雙燃料引擎驅動壓裂車[3]。 該壓裂車可完全使用柴油做燃料，也可使用井口天然氣、管道天然氣、壓縮天然氣(CNG) 、液化天然氣(LNG)，還可使用柴油與天然氣混合物作為燃料，大大降低了壓裂作業時污染物的排放，其中CO 排放減少到0，氮氧化合物(NOx)排放減少，顆粒物排放減少約70%，完全滿足美國環境保護局的尾氣排放標準。

2014 年，U.S. Well Service 推出了首個全電驅動、可移動的壓裂設備(圖1)[4]。 根據油氣井增產得出實際需求的水馬力(hhp)，可使用3 臺或者4 臺5.67 MW渦輪發電機發電， 輸出電壓13 800 V，用變壓器降壓至600 V 后為電驅壓裂設備供電。 用電機和變頻設備(VFDs)替代了傳統壓裂設備的柴油發動機和變速箱，使電驅壓裂泵的振動降低80%，噪音降低80%，污染氣體排放降低99%。

圖1 U.S. Well Service 電驅壓裂設備

2018 年AFGlobal 推出DURASTIM ? 型液壓壓裂泵(圖2)，沖程達48"(1 219.2 mm)，約為傳統設備的4 倍，沖次低至20 沖/min，僅為傳統設備的10%。 由恒速6 600 VAC 電機驅動四個液壓旋轉泵，通過液壓驅動壓裂泵，可實現變排量以及完全自動化。 由于沖次的大幅降低，使得液力端及易損件壽命延長，壓裂泵振動減小。

圖2 DURASTIM? 型液壓壓裂泵

Energy Recovery 公司研發出以壓力交換技術為核心的VorTeq 壓裂設備(圖3)，VorTeq 重新規劃磨蝕性支撐劑的運動路線，確保只有純凈的水可以接觸壓裂泵，將泵的使用壽命延長到一個全新的行業水平。 由于可移動部件采用了特殊的耐磨材料，VorTeq系統可承受極高的壓力，在大排量、極端溫度和研磨性極強的支撐劑等各種苛刻條件下，仍然可以持續正常運轉。

圖3 VorTeq 壓裂系統

國外壓裂裝備公司注重全球合規和安全設計標準，遵循通用的ISO 和IEC 安全規范，從而減少了由于地理、區域要求或偏好形成的偏差。 國外壓裂裝備的專業廠商很多，能夠提供壓裂泵車包括底盤卡車、動力機、傳動系統及壓裂泵等的成套技術裝備，形成了電力、液壓、柴油機或燃氣輪機等多種動力驅動形式的系列產品。 大多數國外壓裂裝備制造公司既從事裝備制造， 又從事油田工程技術服務，所以他們生產的壓裂裝備性能既能夠和壓裂施工工藝緊密地結合，又具有各自的個性特色。

2 國內壓裂裝備發展現狀

20 世紀70 年代，國內開始從國外引進成套的壓裂裝備，經過50 年的研發和應用，已基本實現壓裂設備的國產化。

90 年代，500、700 型等中小功率壓裂設備實現國產化。 本世紀初期我國開始自主研發由柴油機驅動的2000 型、2500 型等中等功率壓裂車，現已成為國內壓裂作業的主要設備。

2013 年，國產3000 型等中大功率的壓裂車開始投入使用，并很好地適應了油田施工要求。 寶石專用車公司的3 000 hp 一體式變頻電驅壓裂橇將變頻房與壓裂橇集音降低至95 dB 以下，與同功率柴油壓裂車相比，成本降低30%，清潔環保，無需單獨配備變頻房，運輸安裝方便[4]。 同年，煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司研發出了3100 型壓裂車，最高輸出功率達到3115 水馬力[5]。 2015 年，杰瑞研發出了輸出水功率達4 500 hp 的渦輪壓裂車[6]。 2018 年，中車永濟電機公司與中石化江漢四機廠聯合研制的頁巖氣開采用4500 馬力電驅動壓裂泵系統，在涪陵中石化油氣田成功完成開采壓裂施工。

2009 年，四川宏華成功研制出全球首套6000 型大功率電動壓裂泵，并在美國OTC 向全球發布，2012年在國內首次實現和傳統壓裂車聯合作業試驗，2016年開始在頁巖氣平臺大規模應用[7]。 2019 年中石油寶石機械和杰瑞同時自主研發7000 型大功率電動壓裂橇[8]，該壓裂橇功率達5 220 kW，最大工作壓力140 MPa，噪音可降至90 dB 以下。 7000 型電動壓裂橇搭載了全球功率最大的柱塞泵，象征著我國電動壓裂裝備技術已達世界領先水平。

2015 年，三一集團研制了國內首臺全液壓式壓裂車[9]，整機額定功率2 514 kW，最高泵壓125 MPa，最大排量為1 970 L/min，沖程1 500 mm、沖次≤59.2次/分，是目前世界上沖程最長的壓裂設備。

3 壓裂裝備發展趨勢

(1) 壓裂設備電驅化

在壓裂設備的驅動方式方面，柴油機作為動力的主要為中小功率和中等功率的壓裂車[6，9]，電驅動壓裂設備在中等功率、大功率壓裂設備中均可使用，特別是大功率的壓裂設備全部采用了電驅動[4，7，8]；渦輪發動機驅動的壓裂設備目前僅有杰瑞的4 500 hp壓裂車[6]。

(2) 單機大功率化

國產壓裂設備的單機功率從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，僅僅只用了10 年左右的時間。

(3) 壓裂泵向超長沖程超低沖次方向逐步發展

在驅動單元有相當能力的基礎上，隨著大規模、長時間的設備運行，因易損件故障導致的設備設施的可靠性問題也隨之凸顯出來。 近年來，閥箱、泵閥、柱塞密封組件等壽命雖在逐漸提高，但離現場使用要求還有一定差距。 增大壓裂泵的沖程、降低壓裂泵的沖次是提高閥箱、閥組件和柱塞密封組件最有效的途徑。 四川宏華的6000 型大功率電動壓裂泵，其沖程達到12"，是采用曲柄滑塊機構工作原理的壓裂設備中沖程最大的；AFGlobal 的DURASTIM ? 型液壓壓裂泵沖程達到48"，最低沖次20 沖/min；三一集團全液壓式壓裂車沖程達1 500 mm，最高沖次59.2 沖/min。 鑒于國產高壓大流量的液壓控制器件的缺乏，研發既能發揮傳統曲柄連桿壓裂泵換向簡單可靠的優勢，又能有效降低沖次、增加沖程的新型壓裂泵可能是提高未來壓裂設備連續工作可靠性的最有效途徑[10-12]。

(4) 支撐劑不通過壓裂泵的新工藝流程

在流體和支撐劑的流程設計中，傳統壓裂裝備支撐劑經攪拌混合后進入壓裂泵，加壓后泵入井下，支撐劑等硬顆粒物料和化學劑會通過壓裂泵閥箱、泵閥，使泵閥和柱塞密封的壽命變短。 Energy Recovery公司的VorTeq 壓裂設備采用了全新支撐劑和化學劑流程，避免了磨粒磨損性強的支撐劑和腐蝕性大的化學劑進入壓裂泵，即使采用了傳統的壓裂泵，也極大地提升了壓裂泵的工作壽命。

(5) 壓裂設備體積小型化和功能模塊化

體積小型化和功能模塊化是用戶重點需求之一。小體積的優勢在于運輸的便利，節約運輸成本，方便設備轉場。 在保障相當功率的前提下盡可能減小體積將成為主壓裂裝備的發展趨勢；模塊化的優勢在于方便現場組裝，縮短作業準備時間，提高生產時效，方便裝備的快速替換和檢修。 實現全井場區域裝備一體化、模塊化，結合三標一規范，打造“一盤棋”式作業現場。

(6) 壓裂裝備的自動化、數字化和智能化

以前，國外壓裂裝備在控制系統自動化方面優勢明顯，近年來，隨著國內科技的不斷發展，國產壓裂裝備控制系統已能和國外并駕齊驅，并能根據用戶要求實現自動化定制。 在今后的壓裂裝備發展中，自動化控制和智能化進程將會是必然趨勢。 發展的關鍵在于指令執行過程中控制信號的抗干擾能力以及執行單元的響應速度和準確度。 控制系統同時應具有兼容性，能使不同廠家裝備實現互聯并網控制，這樣易于操作，便于培訓。 從目前國內壓裂設備配套發展來看，需要盡快建立壓裂裝備數字化、自動化的行業標準，以實現控制、數據采集系統的高度兼容、統一。 但是，在實現高精度的自動化控制進程中，還需同時留配手動或半自動控制方式，將其作為儲備手段進行輔助。

隨著模擬、數字技術的成熟，壓裂現場運用大量數字化技術，目前已經可以實現高壓區巡視、液位遠程監控、高低壓閘門遠程控制等功能，結合前文提到的井場一體化和模塊化，利用數字系統可實現遠程監控、指揮。 基于數字化和智能化的不斷發展，無線傳輸不受空間限制且其具備簡潔快速的特點，將來的應用前景必將一片光明。

(7) 特殊作業壓裂裝備

根據特定條件、特殊工藝(如小排量配合測井、連續油管作業)、特殊泵注工藝(如注二氧化碳)，可配置小型化、專用化壓裂裝備。

4 結 語

將壓裂裝備電驅化、體積小型化、功能模塊化，壓裂泵單機功率大型化、超長沖程超低沖次的發展方向與飛速發展的數字化和智能化技術相結合，應用物聯網技術，可實現壓裂裝備的跨越式發展。 結合我國壓裂作業特征，跟蹤世界壓裂裝備與技術發展動向，把握世界壓裂裝備與技術發展脈搏，調整和優化當前壓裂裝備與技術的研發方向，提前做好技術儲備，促進我國能源裝備的長足發展，對保障國家的石油戰略安全有著重要意義。