石油圈
随着国内天然气勘探开发的深入，油气井深度和开发难度不断增加，压裂工艺日益强化，无论是施工总量，还是施工规模，每年都在逐渐增大，年增长速度在20%左右。在我国新疆和四川区块已有气井施工压力达125MPa以上、总输出水功率大于8820kW的超大型压裂作业。压裂施工的作业压力和排量越来越大，目前各大油田作业公司60%的机型以2000型为主，已远远不能满足施工工艺的要求。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。
然而，由于2000型和2500型压裂车采用车载式结构，在整机质量和外形尺寸等诸多方面受到限制，属于超限改装车，整车超高超重，很难满足快速运移及小井场作业的要求。特别是如今的页岩气压裂作业要求长时间连续大负荷施工，要求一种占地小、结构紧凑且移运方便的大型压裂设备，来有效解决国内井场偏僻及作业场地有限的问题。为此，笔者介绍了几种典型的超大型压裂设备的技术特点，并分析了各种超大压裂装备的性能特点，这对现阶段小井场、大作业的“工厂化”作业施工所需压裂装备的研制具有一定的指导意义。
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。
几种典型的大型压裂装备与技术
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。
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。
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。
目前三一重工股份有限公司的全液压压裂车已投入现场工业性试验阶段，整机长时间作业稳定性和可靠性还需进一步验证。
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。
橇装压裂装备技术
目前橇装压裂设备在国内应用较少，小型压裂橇装设备由于单橇质量过大，普通的4轴运输车无法满足其运输移运的要求，对于小型压裂设备，一般采用车载式结构；对于大型、超大型压裂设备，如3000型压裂设备，车载式结构由于尺寸和质量的约束，整车结构受到限制。基于以上因素，宝鸡石油机械有限责任公司研制开发了一种新型压裂泵组单元。
3000型压裂橇由2个独立的橇(动力橇和泵橇)组装而成。整橇质量34.0t，外形尺寸13.30m×2.45m×2.85m，最大输出水功率2279kW，最高工作压力140MPa，最大排量2752L/min。通过载荷分布将所有设备分布在不同的橇装结构上，同时采用集装箱箱体结构，方便吊装和运输。整橇节省了底盘的采购成本，且单橇运输时整车总质量不超过31.0t，能快速移运，避免了超限运输车带来的弊端。现场组装时，泵橇和动力橇通过楔形块进行连接，主传动轴通过快速连接盘与变速箱输入端进行连接，橇与橇之间的通讯通过快速插接件进行连接。并且整橇占地面积小，特别适用于井场小的页岩气井的作业工况。2橇通过快速连接装置进行连接，快速连接装置传动时通过齿形进行动力传递，传递平稳可靠，且传动轴的拆卸和安装是通过举升装置进行，连接快捷方便。整橇主要部件采用DDC/MTU16V4000－S83L发动机，双环TA90-8703变速箱，SPMQWS3500五缸压裂泵。3000型压裂橇的不足之处在于，现状组装时耗费人力，且由于井场地面没有硬化处理，可能会存在传动轴偏角过大的问题;作业过程中由于是刚性连接，整橇作业时也会存在振动的问题，因此，还需进一步做好减振的研究。目前3000型压裂橇已处于样机试制阶段。
认识与建议
在页岩气和深井、超深井的勘探与开发方面，随着压裂工艺向高水平、大排量、大砂量、高砂比和深井方向发展，压裂装备的研发也必然会向高压力和大排量方向发展。国内压裂装备制造企业也应该提高研制水平，以超大型压裂装备为研究方向进行技术储备。
随着国家对环境和安全的更加重视，对道路行驶要求越来越严格，超限车的行驶受到了诸多限制。而且川渝页岩气井开发平台和沙漠地区等作业地区道路行驶条件恶劣，传统的车载式结构已经限制了超大型压裂装备的设计开发，未来大型压裂装备会朝着整机轻量化和高行驶性能方向发展。随着“工厂化”压裂作业的持续发展，且川渝地区存在的井场小以及道路崎岖的压裂现状，从考虑成本和井场布置方便考虑，未来大型压裂装备应该方便运输和井场布置。
随着大型压裂作业的施工，机组联合作业，对设备的可靠性提出了更高的要求，要求各制造厂家根据自身产品的特点提高设备的可靠性和增强自身产品的市场竞争力，降低用户的使用成本和采购成本，减少事故发生，降低维护运营成本。
从减少人力成本和降低劳动强度，大型压裂装备应该更高智能化，通过自动控制技术、网络通信技术和机电液一体化控制技术，使大型压裂装备的控制技术更具人性化和智能化。
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。
来自/石油机械 杂志
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