壓裂裝備發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)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(yè)公司，四川 成都 610213； 2. 西南石油大學(xué) 機電工程學(xué)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(guān)鍵字:壓裂裝備；發(fā)展現(xiàn)狀；電驅(qū)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(jīng)過70 多年的發(fā)展，水力壓裂已經(jīng)是提高油氣井采收率的主要措施，是開發(fā)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(chǔ)——壓裂裝備也得到了不斷發(fā)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(shè)備連續(xù)作業(yè)長。 水平井壓裂及裝備技術(shù)不斷進步，使得美國頁巖氣開發(fā)成本在近15 年間持續(xù)降低了85%，促進了產(chǎn)量的快速增長，尤其2006 年后產(chǎn)量更呈現(xiàn)爆炸式增長。 之后，世界各國對頁巖壓裂技術(shù)的研究也逐步提上日程，并在全球范圍內(nèi)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(fā)展。 壓裂裝備主要包括壓裂泵注設(shè)備、混砂設(shè)備、壓裂料存儲設(shè)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(shè)定配料方案通過混砂設(shè)備攪拌均勻，再由往復(fù)式泵注設(shè)備加壓至需要的壓力(可高達140 MPa)，經(jīng)壓裂管匯、井口進入井筒。 筆者重點介紹了壓裂設(shè)備中的泵注設(shè)備等核心設(shè)備的國外和國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，給出了國內(nèi)壓裂設(shè)備電驅(qū)化、核心設(shè)備單機大功率化的發(fā)展趨勢，結(jié)合國內(nèi)壓裂工藝技術(shù)的發(fā)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(fā)展方向，對提高我國壓裂裝備技術(shù)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(fā)展現(xiàn)狀

國外壓裂裝備技術(shù)研究起步早、時間久、水平高。美國是生產(chǎn)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(fā)出GorillaTM 重型壓裂泵[3]，可以進行高溫高壓和大排量的作業(yè)。 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(dāng)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(fā)出RhinoTM 雙燃料引擎驅(qū)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(yè)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(huán)境保護局的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

2014 年，U.S. Well Service 推出了首個全電驅(qū)動、可移動的壓裂設(shè)備(圖1)[4]。 根據(jù)油氣井增產(chǎn)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(fā)電機發(fā)電， 輸出電壓13 800 V，用變壓器降壓至600 V 后為電驅(qū)壓裂設(shè)備供電。 用電機和變頻設(shè)備(VFDs)替代了傳統(tǒng)壓裂設(shè)備的柴油發(fā)動機和變速箱，使電驅(qū)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(qū)壓裂設(shè)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(tǒng)設(shè)備的4 倍，沖次低至20 沖/min，僅為傳統(tǒng)設(shè)備的10%。 由恒速6 600 VAC 電機驅(qū)動四個液壓旋轉(zhuǎn)泵，通過液壓驅(qū)動壓裂泵，可實現(xiàn)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(fā)出以壓力交換技術(shù)為核心的VorTeq 壓裂設(shè)備(圖3)，VorTeq 重新規(guī)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(yè)水平。 由于可移動部件采用了特殊的耐磨材料，VorTeq系統(tǒng)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(xù)正常運轉(zhuǎn)。

圖3 VorTeq 壓裂系統(tǒng)

國外壓裂裝備公司注重全球合規(guī)和安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，遵循通用的ISO 和IEC 安全規(guī)范，從而減少了由于地理、區(qū)域要求或偏好形成的偏差。 國外壓裂裝備的專業(yè)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(tǒng)及壓裂泵等的成套技術(shù)裝備，形成了電力、液壓、柴油機或燃氣輪機等多種動力驅(qū)動形式的系列產(chǎn)品。 大多數(shù)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(shù)服務(wù)，所以他們生產(chǎn)的壓裂裝備性能既能夠和壓裂施工工藝緊密地結(jié)合，又具有各自的個性特色。

2 國內(nèi)壓裂裝備發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)70 年代，國內(nèi)開始從國外引進成套的壓裂裝備，經(jīng)過50 年的研發(fā)和應(yīng)用，已基本實現(xiàn)壓裂設(shè)備的國產(chǎn)化。

90 年代，500、700 型等中小功率壓裂設(shè)備實現(xiàn)國產(chǎn)化。 本世紀(jì)初期我國開始自主研發(fā)由柴油機驅(qū)動的2000 型、2500 型等中等功率壓裂車，現(xiàn)已成為國內(nèi)壓裂作業(yè)的主要設(shè)備。

2013 年，國產(chǎn)3000 型等中大功率的壓裂車開始投入使用，并很好地適應(yīng)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(qū)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(huán)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(shù)有限公司研發(fā)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(fā)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(lián)合研制的頁巖氣開采用4500 馬力電驅(qū)動壓裂泵系統(tǒng)，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(fā)布，2012年在國內(nèi)首次實現(xiàn)和傳統(tǒng)壓裂車聯(lián)合作業(yè)試驗，2016年開始在頁巖氣平臺大規(guī)模應(yīng)用[7]。 2019 年中石油寶石機械和杰瑞同時自主研發(fā)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(shù)已達世界領(lǐng)先水平。

2015 年，三一集團研制了國內(nèi)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(shè)備。

3 壓裂裝備發(fā)展趨勢

(1) 壓裂設(shè)備電驅(qū)化

在壓裂設(shè)備的驅(qū)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(qū)動壓裂設(shè)備在中等功率、大功率壓裂設(shè)備中均可使用，特別是大功率的壓裂設(shè)備全部采用了電驅(qū)動[4，7，8]；渦輪發(fā)動機驅(qū)動的壓裂設(shè)備目前僅有杰瑞的4 500 hp壓裂車[6]。

(2) 單機大功率化

國產(chǎn)壓裂設(shè)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(fā)展

在驅(qū)動單元有相當(dāng)能力的基礎(chǔ)上，隨著大規(guī)模、長時間的設(shè)備運行，因易損件故障導(dǎo)致的設(shè)備設(shè)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(xiàn)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(gòu)工作原理的壓裂設(shè)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(chǎn)高壓大流量的液壓控制器件的缺乏，研發(fā)既能發(fā)揮傳統(tǒng)曲柄連桿壓裂泵換向簡單可靠的優(yōu)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(shè)備連續(xù)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(shè)計中，傳統(tǒng)壓裂裝備支撐劑經(jīng)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(xué)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(shè)備采用了全新支撐劑和化學(xué)劑流程，避免了磨粒磨損性強的支撐劑和腐蝕性大的化學(xué)劑進入壓裂泵，即使采用了傳統(tǒng)的壓裂泵，也極大地提升了壓裂泵的工作壽命。

(5) 壓裂設(shè)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(yōu)勢在于運輸?shù)谋憷?，?jié)約運輸成本，方便設(shè)備轉(zhuǎn)場。 在保障相當(dāng)功率的前提下盡可能減小體積將成為主壓裂裝備的發(fā)展趨勢；模塊化的優(yōu)勢在于方便現(xiàn)場組裝，縮短作業(yè)準(zhǔn)備時間，提高生產(chǎn)時效，方便裝備的快速替換和檢修。 實現(xiàn)全井場區(qū)域裝備一體化、模塊化，結(jié)合三標(biāo)一規(guī)范，打造“一盤棋”式作業(yè)現(xiàn)場。

(6) 壓裂裝備的自動化、數(shù)字化和智能化

以前，國外壓裂裝備在控制系統(tǒng)自動化方面優(yōu)勢明顯，近年來，隨著國內(nèi)科技的不斷發(fā)展，國產(chǎn)壓裂裝備控制系統(tǒng)已能和國外并駕齊驅(qū)，并能根據(jù)用戶要求實現(xiàn)自動化定制。 在今后的壓裂裝備發(fā)展中，自動化控制和智能化進程將會是必然趨勢。 發(fā)展的關(guān)鍵在于指令執(zhí)行過程中控制信號的抗干擾能力以及執(zhí)行單元的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確度。 控制系統(tǒng)同時應(yīng)具有兼容性，能使不同廠家裝備實現(xiàn)互聯(lián)并網(wǎng)控制，這樣易于操作，便于培訓(xùn)。 從目前國內(nèi)壓裂設(shè)備配套發(fā)展來看，需要盡快建立壓裂裝備數(shù)字化、自動化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高度兼容、統(tǒng)一。 但是，在實現(xiàn)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(shù)字技術(shù)的成熟，壓裂現(xiàn)場運用大量數(shù)字化技術(shù)，目前已經(jīng)可以實現(xiàn)高壓區(qū)巡視、液位遠程監(jiān)控、高低壓閘門遠程控制等功能，結(jié)合前文提到的井場一體化和模塊化，利用數(shù)字系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程監(jiān)控、指揮。 基于數(shù)字化和智能化的不斷發(fā)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(yīng)用前景必將一片光明。

(7) 特殊作業(yè)壓裂裝備

根據(jù)特定條件、特殊工藝(如小排量配合測井、連續(xù)油管作業(yè))、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(jié) 語

將壓裂裝備電驅(qū)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(fā)展方向與飛速發(fā)展的數(shù)字化和智能化技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實現(xiàn)壓裂裝備的跨越式發(fā)展。 結(jié)合我國壓裂作業(yè)特征，跟蹤世界壓裂裝備與技術(shù)發(fā)展動向，把握世界壓裂裝備與技術(shù)發(fā)展脈搏，調(diào)整和優(yōu)化當(dāng)前壓裂裝備與技術(shù)的研發(fā)方向，提前做好技術(shù)儲備，促進我國能源裝備的長足發(fā)展，對保障國家的石油戰(zhàn)略安全有著重要意義。