关键词：大型压裂装备；发展现状；策略
随着国内2500型压裂车的成功研制，该压裂车已经作为大型压裂作业的主要机型，作业最高压力为140MPa，作业性能更加稳定。我国水平井多段压裂技术已经从试验性开发走向规模化实施阶段，大型压裂施工从总量和规模上都在扩大，压裂装备的发展也应紧随着施工作业的要求，从当前压裂装备的发展看，压裂装备的研制也朝着大型和超大型方向发展。国内已经有厂家研制了3000型及以上更大功率的超大型压裂设备。
1、国内外压裂设备发展现状
美国是主要生产压裂设备的国家，有哈里伯顿公司、斯伦贝谢公司等，其中哈里伯顿公司的产品代表着世界先进水平。美国压裂设备主要依据压裂施工工艺研制。对于北美地区，道路平坦，油田道路通过性良好，且北美页岩气施工作业中压力较低，压裂车主要以2000型为主，多采用拖车结构。由于北美地区不存在高压力作业需求，目前北美各大作业公司并未研制大型压裂车，最高作业压裂机型以2300型压裂车为主。国内油田从20世纪70年代开始引进国外成套压裂机组，成套引进机型主要包括美国BJ公司1000型压裂机组、双S公司1600型压裂机组以及西方公司1400～1800型压裂机组等。随着国内压裂施工规模越来越大，国内油田从21世纪初开始大量引进国外2000型成套压裂机组。
我国压裂装备自主研制从20世纪80年代开始，机型以800型、1000型、1800型和2000型为主，中石化石油工程机械有限公司第四机械厂于2008年成功研制2500型压裂车。目前国内主要压裂设备生产厂家以中石化石油工程机械有限公司第四机械厂和烟台杰瑞石油服务集团股份有限公司为主，油田配备的压裂机型以2000型、2500型为主。目前中石化石油工程机械有限公司第四机械厂和烟台杰瑞石油服务集团股份有限公司已成功研制了3000型超大型压裂车，且烟台杰瑞石油服务集团股份有限公司于2014年成功研制了3308kW涡轮驱动压裂车。 国内独特的作业环境和工况决定了压裂装备未来的发展方向，即应朝着高效、高稳定性和高可靠性方向发展并能与现阶段作业工况相适应。
2、几种典型的大型压裂装备与技术
2.1车载压裂装备技术
车载式压裂装备采用传统的车载结构，在重型底盘上安装台上设备，如发动机、传动箱和压裂泵等。目前国内已经研制开发3000型压载车，3000型压载车采用现有车载式结构的成熟技术，通过增加台上设备性能参数达到2205kW水功率输出的要求。底盘采用奔驰4151型重型底盘，其动力设备为MTU16V4000型发动机，变速箱采用TWINTA90－8701或者CATTH55变速箱，受到整车尺寸和质量的限制，压裂泵主要采用的是三缸泵，整车质量45.0t。3000型压载车最高工作压力为140MPa。中石化石油工程机械有限公司第四机械厂研制的SYL3000－140Q型压裂泵车，其最高工作压力为140MPa，最大排量为2.08m3/min。由于采用的三缸柱塞泵，该3000型压裂车在现场工业性试验中，当大排量高压力时，压力波动大，现场试验中车尾振动幅度大，试验效果不是很理想。相对于2500型压裂车，3000型压裂车的最高作业压力与之相同，最大排量比2500型压裂车最大排量大6.6%，优势不够明显，但性能稳定性却远远不如2500型压裂车。因此，3000型压裂车还不具备大量推广的条件。对于车载式结构的压裂车，由于受到整车质量和尺寸的影响，通过单一增大台上设备来设计超大功率且具有稳定性能的压裂车已受到限制。
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2.2涡轮驱动压裂装备技术
目前美国和俄罗斯在压裂设备中已成功使用涡轮发动机驱动技术，其中美国一家公司成功将涡轮发动机改造后应用于压裂设备。其中国内成功研制的涡轮发动机制造厂家以烟台杰瑞石油服务集团股份有限公司和宝鸡石油机械有限责任公司为主，烟台杰瑞石油服务集团股份有限公司研制的3308kW压裂设备配备的涡轮发动机的型号为TUＲ-BOSHAFT－5600，压裂车最大输出功率为3308kW，最高压力140MPa，整车质量为37.1t；宝鸡石油机械有限责任公司的涡轮压裂装备以压裂橇为特色，宝鸡石油机械有限责任公司引进的MTT公司的TFP－4000型压裂橇，配备2830kW涡轮发动机，FMC三缸压裂泵，最高输出压力为105MPa，外形尺寸为4.20m×2.40m×1.15m，质量为18.4t，由于涡轮发动机功率富裕，可以更换压裂泵以实现更高压力作业。 目前国内生产的涡轮驱动压裂装备还处于现场工业性试验阶段，并未正式投入施工作业。
2.3全液压驱动压裂装备技术
针对目前压裂车的发展趋势(高压力、大排量以及高可靠性)，传统的压裂车通过机械传动驱动压裂泵进行压裂液的吸入和排出。针对机械式传动压裂车的特点，三一重工股份有限公司提出了一种全新的压裂车设计思路，即通过液压系统驱动液压油缸的往复运动实现压裂液的吸入和排出。 三一重工股份有限公司生产的SYN5450TYL1860(Y)全液压压裂车，通过5个441kW的小型发动机和底盘发动机共同取力，整机额定功率达到2514kW，小型发动机上串联2个190型液压油泵，液压油泵通过阀组控制油缸的往复运动。最高泵压为125MPa，最大排量为1970L/min，整机质量46.0t，外形尺寸为12.50m×2.50m×4.00m。由于采用的是液压驱动系统，能实现整机排量的无极调节，采用的液压缸的最高换向次数为59.2次/min，比传动的机械式压裂泵冲次少，减少了易损件磨损，延长了寿命。5台发动机互为备份，能有效减少压裂车故障停机的情况发生。由于采用的全液压系统，降低了对国外大型发动机和变速箱的依赖，有利于压裂车的国产化。全液压压裂车的不足之处在于，整车属于超限运输车，且由于采用的全液压系统，液压系统比较复杂，装配过程复杂，排故困难。且液压控制元件的响应速度不及电气控制的响应速度，由于为最新设计产品，设计合理性还需进一步验证。
2.4电驱压裂装备技术
电驱动压裂装备通过电机驱动压裂泵，将传动的柴油发动机驱动变成电机直接驱动。发电机发出的交流电经整流器件转换为直流电，直流电经功率器件驱动电机运转，控制器控制功率器件的导通时间就可以控制电机的转枢电压，从而控制电机转速，驱动压裂泵工作。电驱动压裂车由电源车和压裂泵车两部分组成。压裂泵由同步电机直接驱动，电源车通过涡轮发电机驱动大功率永磁同步发电机给泵车供电。 目前大功率永磁同步电机大量应用于风力发电，通常工作转速20r/min。压裂车的工作转速在1700～1900r/min，需要重新研制大功率永磁同步电机，稳定性和可靠性有待验证。电源车采用大功率退役涡轮发动机作为原动机驱动高速、高频永磁同步发电机为压裂车组提供电源。从电驱压裂泵车的结构来看，3308kW压裂泵车同样需要2台车载设备，且所用的涡轮发动机、功率器件和永磁电机成本高，涡轮发动机热效率低，维护成本高，且可靠性有待验证。
3、结束语
从目前几种超大型压裂装备的技术现状和特点分析，笔者认为橇装压裂装备将会是未来发展的方向，应重点研究橇装结构的振动和解决橇装压裂装备快速组装的关键技术。 压裂橇采用橇装单元组装的方式，有效解决了国内同等型号发动机和压裂泵质量大及不利于安装在车台的问题，能推进压裂装备的国产化进程，降低压裂装备核心部件对国外产品的依赖性。
参考文献
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论文作者:樊庆虎 刘伟 张铭
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年5卷20期
论文发表时间:2019/12/2
标签：压裂车论文; 压裂论文; 装备论文; 作业论文; 涡轮论文; 发动机论文; 永磁论文; 《工程管理前沿》2019年5卷20期论文;