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文/趙緒平 李志波 孫奉道 車永順，北方重工集團有限公司工程設計研究院

壓裂施工作業(yè)已經成為改造低滲透油氣藏和開發(fā)非常規(guī)油氣藏的主要手段，是提高油氣井采收率的有效措施之一，廣泛應用于油、氣井增產和注水井的增注。但隨著壓裂工藝技術水平的提高和頁巖氣等非常規(guī)油氣井的大規(guī)模開發(fā)，壓裂施工作業(yè)對壓裂車的單機功率、壓力、排量、可靠性及自動化水平的要求越來越高，單機功率1 490 kW 以下的壓裂車不能適應“萬方液、千方砂”的“工廠化”作業(yè)要求，壓裂車將朝著低成本、大功率、超高壓、大排量和智能控制的方向發(fā)展。

1 壓裂車的組成

壓裂車一般由底盤( 橇架) 、臺上發(fā)動機、變速箱、壓裂泵、潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和高低壓管匯等部分組成，是實施壓裂施工作業(yè)的核心設備。針對不同地域和不同使用工況，廣泛應用于石油、煤層氣和頁巖氣等油氣田開發(fā)，工作地域覆蓋陸地、沙漠和海洋，結構包括車載式、拖掛式和橇裝式三種形式。

2 國內外壓裂車研究現(xiàn)狀

自 1947 年美國進行首次水力壓裂以來，至今已進行數百萬井次的壓裂作業(yè)。經過 70 多年的發(fā)展，壓裂裝備取得了較大的進步，先后研制出功率 520 ～ 2 237 kW、壓力 50 ～160 MPa、流量 0. 9 ～ 3 m3/min 系列化壓裂車，為提高油氣田采收率做出了貢獻。

2. 1 國外壓裂車研究現(xiàn)狀

美國在壓裂車的設計和制造方面一直居于領先地位，產品性能先進、自動化程度高、工作壓力大、排量大、品種全，主力機型為 1 490 kW 和 1 864 kW，最大工作壓力達 160 MPa，最大流量為 2. 7 m3/min。由于北美地區(qū)的油氣田大多位于平原地區(qū)，在整機載重質量、壓裂泵布置等諸多方面不受道路條件限制，1 864 kW 以上壓裂車大都采用拖掛式結構。

2. 2 國內壓裂車研究現(xiàn)狀

我國壓裂裝備經過 20 多年的發(fā)展，技術研發(fā)和生產制造能力基本達到國際先進水平，但在設計理念、控制水平、產品質量和穩(wěn)定性方面尚有一定差距。目前國內已研制出世界最大單機功率 2 237 kW 的車載壓裂車，最大工作壓力 140 MPa，最大流量 3 m3/min，可有效解我國井場偏僻和作業(yè)場地有限的問題。

3 新型壓裂車發(fā)展方向

壓裂車均采用“柴油發(fā)動機—變速箱—壓裂泵”的動力方案，不僅存在噪音大、污染高、工人作業(yè)條件差、作業(yè)成本高等缺點，而且大功率柴油發(fā)動機和變速箱尺寸、重量大，不利于車載方案的設計和大功率壓裂車的開發(fā)。特別是隨著低碳環(huán)保要求的提高，大功率柴油機的使用將受限，柴油機驅動方案成為制約壓裂車發(fā)展的瓶頸。為減少環(huán)境污染、降低開采成本、提高油氣開采效率，新型壓裂車將朝著以下幾個方向發(fā)展。

3. 1 雙燃料壓裂車

目前，國內外大型壓裂車動力均采用柴油發(fā)動機，不僅燃油消耗成本高，而且對環(huán)境污染較大; 若采用純天然氣發(fā)動機，則價格是同功率柴油機的 2 ～ 3 倍，壓裂車生產成本過高; 柴油—天然氣雙燃料發(fā)動機既可使用 100柴油作為燃料，也可使用柴油和天然氣( 管道天然氣、CNG、LNG、油井氣等氣體燃料) 混合燃料，通過高度集成控制，實現(xiàn)柴油和天然氣的無縫切換。特別是頁巖氣和煤層氣開采區(qū)域均有現(xiàn)成的天然氣，在施工現(xiàn)場很容易滿足雙燃料發(fā)動機對天然氣的需求。

雙燃料壓裂車是在傳統(tǒng)柴油機的基礎上加裝外接天然氣管路、燃油調節(jié)器和集成控制系統(tǒng)等特性硬件，工作原理與傳統(tǒng)柴油機相同，并根據載荷自動優(yōu)化混合燃料配比，輸出與柴油機相同的功率密度、扭矩及瞬態(tài)響應速度，柴油最大替代比例達 70 ，可將壓裂作業(yè)成本降低 40 ，廢氣排放減少 10 ，節(jié)能減排效果顯著。

3. 2 渦輪驅動壓裂車

由于頁巖氣儲藏環(huán)境復雜，施工區(qū)域的地理環(huán)境和道路條件要求壓裂車具有高度的運移性、安全性和適應性，其外型尺寸和重量受到嚴格限制，需要以大功率壓裂車來提高壓裂效率、降低壓裂成本，傳統(tǒng)柴油機驅動的壓裂車輸出功率很難超過 2 237 kW，因而使壓裂車的大型化發(fā)展陷入兩難的境界。渦輪驅動壓裂車可在限定的尺寸和重量要求下使單臺壓裂車的輸出功率達2 982 ～ 4475 kW，道路通過性和靈活性大幅提升，可有效解決大型壓裂車“上牌難、上路難、上山難”的難題。

渦輪驅動壓裂車將傳統(tǒng)龐大而笨重的柴油機更換為體積小、重量輕、功率大的渦輪發(fā)動機，其功率密度是高功率柴油機的20 倍，將傳統(tǒng)變速箱更換為超高速渦輪減速箱，實現(xiàn)超級發(fā)動機與大型或多臺壓裂泵的匹配; 在運輸和壓裂施工作業(yè)操作中，可大幅減少配套井場占地及車組人員，節(jié)省人力和物力，提高施工效益; 在經濟性方面，渦輪驅動壓裂車維護間隔也比柴油機長，還擁有柴油、LNG、CNG、預處理井口氣等多燃料系統(tǒng)，可在作業(yè)過程中實現(xiàn)無縫切換，將壓裂施工作業(yè)成本降低30 左右。

3. 3 電驅動壓裂車

隨著頁巖氣等非常規(guī)油氣資源的規(guī)?；_發(fā)，為提高開發(fā)效率和降低開發(fā)成本，油氣開發(fā)方式逐步由直井向水平井，單井向叢式井轉變。“工廠化”鉆井和壓裂作業(yè)將成為未來頁巖氣主要開采模式，井場電網預先架設為電驅動壓裂車的應用提供了可能。電驅動壓裂車可有效解決現(xiàn)有壓裂車存在的燃油消耗大、發(fā)動機和變矩器配套困難等缺陷，是實現(xiàn)頁巖氣高效、環(huán)保、低成本開發(fā)的高效途徑之一。

電驅動壓裂車采用中壓變頻電機直接驅動壓裂泵，可平滑地調整壓裂泵流量和壓力，在同等壓力下，具有更強的排量輸出能力，適于頁巖層或致密砂巖的壓裂工況。

由于減少了變矩器使用，在限定尺寸和重量要求下使單臺壓裂車的輸出功率達到 4 475 kW，有效提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本。在環(huán)保和經濟方面，電驅動壓裂車不僅實現(xiàn)了零排放和低噪聲污染，而且可將施工成本降低50 左右。

3. 5 智能化壓裂車

大型“工廠化”壓裂施工已成為未來壓裂施工作業(yè)發(fā)展的趨勢，由于多家設備參與施工作業(yè)，控制系統(tǒng)和自動化程度不統(tǒng)一，對現(xiàn)場指揮調度人員要求非常高，大規(guī)模壓裂施工的集中控制問題亟待解決。

智能化壓裂車采用開放式平臺、無線網絡和在線系統(tǒng)以提升系統(tǒng)高效性、互操作性和可靠性，將所有裝備納入整體網絡，通過數據共享、監(jiān)控集中，實現(xiàn)多裝備( 不同廠商) 群控和壓裂施工作業(yè)無人值守，從而提升裝備機動性能和快速集成能力，降低施工作業(yè)成本，滿足大型頁巖氣連續(xù)壓裂施工的高可靠性和集群控制要求。

4 結論

隨著壓裂工藝技術水平的提高和頁巖氣等非常規(guī)油氣井的大規(guī)模開發(fā)，壓裂施工作業(yè)對壓裂車的單機功率、壓力、排量、可靠性及智能化水平的要求越來越高，為滿足連續(xù)施工、大負載、長時間的“工廠化”壓裂施工作業(yè)要求，從重量、節(jié)能、排放及施工作業(yè)成本等方面提出了新型壓裂車的發(fā)展方向，可有效解決現(xiàn)代壓裂施工對壓裂車大功率、超高壓、大排量和智能化的要求。