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压裂车的国内外现状及发展机自四班蒋金超胡云鹤刘军摘要：在近年油气探明储量中，低渗透储量所占比例上升速度在逐年加大。低渗透油气藏渗透率、孔隙度低，非均质性强，绝大多数油气井必须实施压裂增产措施后方见产能，压裂增产技术在低渗透油气藏开发中的作用日益明显。相应的对于压裂车要求就日趋增高，压裂车的关键技术提高和发展也有所提高。分析了压裂车的关键技术，提出解决方法以及国内外现状和发展趋势。关键词：压裂车技术关键优化改造发展趋势压裂车组的组成及特点压裂车组是一种为了提高油井油气层渗透率从而提高油、气采收率而向地层压注高压液体、对地层进行加砂压裂作业的设备，它将机械、电子、液压、化工、环保等各领域的先进技术模块化集成在专用车底盘上，从而实现油气田特定压裂功能。通常1套压裂车组由压裂泵车多台（5~10）、混砂车1~2台、管汇车1台、仪表车1台等组成。国内外压裂车组研发现状美国是主要生产压裂设备的国家，有哈里伯顿、道威尔-斯伦贝谢、B.J（BYEONJACKSON）公司、西方公司斯图尔特-斯蒂纹森等公司。加拿大有戴尔公司，法国有道威尔公司。当前哈里伯顿公司的产品代表着世界先进水平。美国压裂设备制造商依据压裂施工工艺对压裂设备的整体要求，按部件生产商提供的部件参数选购柴油机、压裂泵、传动箱、载重卡车等。除斯图尔特-斯蒂纹森公司外，其他美国公司既从事设备制造，又从事工程技术服务。柱塞泵等关键部件是压裂车组的核心要素，国外市场上拥有高功率柱塞泵制造能力的企业仅有美国哈利伯顿、美国斯伦贝谢、美国SPM公司、美国加顿-丹佛以及OPI、FMCOFM、拜伦�杰克逊等公司。哈利伯顿和斯伦贝谢的柱塞泵全部为自产自销，不对外销售；SPM和GardnerDenver是全球最主要的独立柱塞泵供应商，年产能分别在900台和300~400台；FMC的柱塞泵在中国区由杰瑞股份独家代理；OFM规模相对较小，2010年产能在100台。油田压裂车属高技术密集、资本密集专用设备制造产业，行业进入的技术与资本门槛高、资金投入大。现阶段我国具有一定产能、专门针对老油井和页岩气（油）、煤层气等油气资源开采的专用压裂车生产企业数量较少，全国只有8~10家，规模化生产的企业目前有3~4家。主导品牌制造商如中国石化江汉石油管理局第四机械厂、烟台杰瑞石油服务集团股份有限公司、兰州通用机器制造有限公司、甘肃华腾石油机械制造有限公司、湖北中油科昊机械制造有限公司、胜利油田东星石油技术有限公司、兰州矿场机械有限公司等。其他一些制造商如南阳二机石油装备（集团）有限公司、河南南阳油田石油机械厂原产压裂车主要适用于常规油气田开采，近两年也开始制定投资战略，研制适合页岩气、页岩油、煤层气等特定工况环境压裂车或机组设备。当前国内大部分市场份额被第四石油机械厂和杰瑞公司占据。这2家企业起步较早、技术积累多、产品知名度高，在国内压裂、固井设备市场的产品数量上占有优势。第四石油机械厂能提供2000~2500马力高功率压裂成套设备，正在攻关3000型压裂车组，年生产能力20~25套，2011年底获得美国100台大型压裂车定单。杰瑞公司能生产2500型以下压裂成套设备，年生产能力为12~18套。除在国内销售外，还大量出口国外，约占年产量的30%。兰州通用机器制造有限公司主要生产500~1500马力中小型压裂设备。我国压裂设备制造业虽然经过多年的发展，但由于基础工业和配套条件的限制，自动化程度与国外产品有一定差距。引进美国技术生产的压裂车，配置采用与国外相同的柴油机和传动箱，输出压力相当。由于压裂泵与载重车配置上有差异，我国总体技术指标与美国产品有一定差距。关键技术1超压保护功能针对机械设备而言,使设备始终运行在合理的工况是保护人员和设备安全的有效措施。因此超压保护、超温保护、过载保护等技术在油田设备中得到了大面积的推广。其中,针对泵类特车开发的超压保护技术已经成为这些高压设备的标准配置。具体为:当作业压力超过当前设定压力,动力系统自动降低输出功率或切断动力。在老式压裂车中,多数没有超压保护功能。在进行技改时,增加该功能有实际意义。但具体设备的配置不同,会有多种实施方案。以万国双机双泵压裂车为例:该车上装发动机为DDC6V系列柴油机,传动箱为ALLISON6061液力变速箱。其中,DDC6V系列柴油机油门控制方式为拉线控制,ALLISON6061液力变速箱挡为手动或气动控制,两种部件均没有电控功能。在此类产品中,均可用“电接点压力表+继电器+执行元件”的方案实现超压保护的要求,但根据设备的实际情况的不同,执行元件的类型及控制点可以有多种实施方案。2更换发动机出于对成本的考虑,通常会使用国产机械调速发动机替代进口发动机,其调速形式为机械调速。由于调速形式的限制,当超压信号发送后,系统无法自动降速。根据此项限制,可以在发动机进油路上增加一个燃油电磁阀,由配套继电器控制。当继电器接受到超压信号时,控制燃油电磁阀动作,切断燃油供给,使发动机熄火。4整机功能拓展随着压裂设备的装机功率日益提高,很多老式压裂车在输出功率上已不能满足高压大排量的注入要求。虽然不能作为压裂施工的主力装备,但仍可完成套管平衡、试压、碰压等作业。在完成上述作业时,均要求设备以稳定压力和小排量泵送液体,在老式压裂车中基本都是通过调整针型阀开度、调整发动机转速和变速箱挡位等三种手段实现。在实际作业中,这三种手段需要配合调整,不能仅依靠一种方法。因自动化程度较低,对于操作者的技术水平要求较高,且劳动强度大。5冷却系统的自动控制在压裂车中,安装了多个由液压系统驱动的冷却器,分别用来冷却发动机、变速箱、柱塞泵动力端中的液体。在现有设备中多数使用“定量泵+定量马达”的形式来驱动风扇,即风扇转速与定量泵的驱动转速成正比,与系统被冷却部件的温度没有关系。我国油藏分别较广,由于地域的不同,设备的冷却要求也不尽相同。在高温地区,要求冷却气流大,提升冷却速度;低温地区,则要求冷却速度不能过快,否则会因冷却油液在低温下粘度增大,降低传动效率,同时增大油耗。6柴油加热器在车台柴油机的前端装有柴油加热器,对车台柴油机的冷却液进行加热。柴油加热器通过主控台上的开关开启,加热炉自带水泵循环发动机冷却液,同时对发动机油底壳进行加热。待温度达到要求后,需人工关闭电源,3min后加热炉会自动停止工作。加热器的进水和出水管线分别与发动机水道连接,进、出口均设有阀门。在启动加热装置之前,必须开启2个阀门与水道连通。加热过程完成后,应将2个阀门关闭。油田压裂车组控制系统的优化改造1功能设计优化在功能方面，经过改造后，压裂车组的自动控制系统应具有的基本功能有：数据实时监测功能和数据处理管理功能。控制系统硬件部分的核心是工业化控制一体机，通过采集数据、实时监测、状态控制及显示最后数据结果等步骤，最终实现整个系统的功能。控制系统的监控程序主要承担着实时控制井下压裂施工过程以及通过数据联系保持与主控计算机的通信，主要由数据I/O模块、光电隔离式数据传感器模块、网络数据管理模块和计算机系统等单元组成。控制系统软件部分的核心是Windows操作系统，采用Delphi5开发完成，主要承担着实现压裂车组档位转换控制、转速调整控制以及油门控制等功能。通过硬件与软件系统的协同工作，从而实现了整个控制系统对数据实时数据监测、管理与调整的功能，其数据的来源主要是通过对井下压裂作业设计的各个参数进行的采集，与此同时还有完成即时报警输出功能、数字与模拟信号互相转换功能、控制数据输出功能等，并将发动机、柱塞泵、减速器以及液压系统等的控制信号全部集成到1939通讯协议之中，从而通过网络数据进行控制。2系统原理与结构改进通过对国内外有关车组控制系统科学的设计思路以及先进的安装与连线方式的学习与借鉴，考虑到压裂车组控制系统繁复程度和独立使用的要求，可以将整个控制系统划分为几个相互独立又相互关联的子系统。主要结构有：井下压裂施工作业实时监测及调整系统、井下压裂车组远距离自动控制部分、井下混合砂砾车远距离实时控制系统、井下压裂作业设计数据反馈与调整系统、超高压自动保护系统、电源电路系统等。井下压裂施工作业实时监测及调整系统承担着对压裂车组作业工程的实时监测，另外还装置了专门的施工作业实时监督系统，并在控制中心通过显示器数字化显示出各个监控的参数；井下压裂车组远距离自动控制部分除了主要实现对压裂车组作业的自动化控制，另外还将手动操作控制作业的功能保存了下来；井下混合砂砾车远距离实时控制系统，在其操作面板上可以选择手动或自动控制功能，可以完成对混砂车整套系统各个子单元的实时控制；井下压裂作业设计数据反馈与调整系统的主要功能是录入保存与调用转换压裂作业的各个设计参数；超高压自动保护系统主要承担着实时监控井下压裂作业过程当中管汇流体压力的任务，一旦压力超过设定值时压裂车组立即转换到空挡并进行刹车；电源电路系统为压裂施工作业提供能量来源，并通过电路实现电能向各部分的传递。在压裂车组控制系统功能实现过程中，要求系统的参数与作业实时监测到的数据要确保一致性与准确性，各子系统单元在实现自身功能的同时，相互之间也要有着一定的关联性。为此，通过网络分配装置为每个联机的电脑网卡分配地址，组成一个网络系统。3功能执行机构优化油田压裂车组控制系统实现其功能的执行机构主要包含有：车组油门调整机构、档位转换机构以及其它一些控制参数反馈调整装置等。车组油门调整机构要设置有手动与自动两种可供选择的控制方式，并且通过计算机将自动调节的控制程序和模式预先设置好，以使油门调节达到对油田压裂车组系统各个发动机的最优控制效果。档位转换机构也要设置有手动与自动两套可供选择的操作模式，主要是通过编码控制程序和频率控制开关来实现对井下压裂车各个档位之间的转换。控制参数反馈与调整装置应该将对各个执行机构的控制模式预先编制好，通过计算机进行设置，从而实现自动控制。如果需要转换到手动操作模式，则可以利用控制数据输出模块、对面板电位器进行调节来实现对现场执行机构的控制。我国压裂车组发展趋势在常规油田开采方面，未来推动压裂车市场发展的驱动力主要是老油田（大庆、玉门、辽河等油田）的油气稳产、增产要求，早期从国外引进的压裂车组逐步进入退役阶段，其有效功率下降、部件故障率增高、操作控制系统技术落后，已经不能适应油田大型和超大型压裂施工作业的要求，更新和配置新压裂车组已成为各油田当务之急。随着常规油田压裂作业工作量大幅度增加，对压裂施工的排量和压力提出更大更高要求，动用压裂设备频次增加。稳定老油田的产能、提高采收率是国内石油企业的发展方向，压裂增产作业是缓解老油田的开发衰竭、提高油田采收率的主要措施之一。因此，国内油田用户对压裂设备的需求将会持续增长，压裂车组设备具有广阔的市场前景。实践证明，我国压裂车组装备制造业已经通过坚持不懈的自主技术创新取得了快速发展，并逐步追赶国际先进水平。在新的历史机遇面前，必将继续快步前行，不断取得新的突破与进展。我们相信通过广大科技人员的努力，一定能够使我国压裂车组设备的研发能力发生质的飞跃，建成集设计、研究、制造、服务于一体的国际化企业。发展我国压裂设备制造业的建议(1)、积极研究国外产品和标准,制订切实可行或与国际接轨的标准。(2)、按市场规则,逐渐形成压裂设备制造公司和井下作业工程服务公司一体化的集团公司。降低压裂设备制造商研制新产品的高投入和高风险。并能获得同行业的平均利润,使生产与科研良性互动。(3)、通过市场调节机械优化资源配置,形成专业化的造泵公司。从事泥浆泵和压裂泵的研发和制造。通过规模化和系列化生产,降低售价,满足不同的市场需求。(4)、压裂设备制造公司与科研院所联合,进行相关方面的基础研究,改善设计方法和手段,完善实验设施。应研制适合压裂泵要求且比压大于35MPa的高比压滑动轴承以及加工性能好的高强度泵头材料,还应研制大功率五缸柱塞压裂泵。