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文/赵绪平 李志波 孙奉道 车永顺，北方重工集团有限公司工程设计研究院
压裂施工作业已经成为改造低渗透油气藏和开发非常规油气藏的主要手段，是提高油气井采收率的有效措施之一，广泛应用于油、气井增产和注水井的增注。但随着压裂工艺技术水平的提高和页岩气等非常规油气井的大规模开发，压裂施工作业对压裂车的单机功率、压力、排量、可靠性及自动化水平的要求越来越高，单机功率1 490 kW 以下的压裂车不能适应“万方液、千方砂”的“工厂化”作业要求，压裂车将朝着低成本、大功率、超高压、大排量和智能控制的方向发展。
1 压裂车的组成
压裂车一般由底盘( 橇架) 、台上发动机、变速箱、压裂泵、润滑系统、液压系统、控制系统和高低压管汇等部分组成，是实施压裂施工作业的核心设备。针对不同地域和不同使用工况，广泛应用于石油、煤层气和页岩气等油气田开发，工作地域覆盖陆地、沙漠和海洋，结构包括车载式、拖挂式和橇装式三种形式。
2 国内外压裂车研究现状
自 1947 年美国进行首次水力压裂以来，至今已进行数百万井次的压裂作业。经过 70 多年的发展，压裂装备取得了较大的进步，先后研制出功率 520 ～ 2 237 kW、压力 50 ～160 MPa、流量 0. 9 ～ 3 m3/min 系列化压裂车，为提高油气田采收率做出了贡献。
2. 1 国外压裂车研究现状
美国在压裂车的设计和制造方面一直居于领先地位，产品性能先进、自动化程度高、工作压力大、排量大、品种全，主力机型为 1 490 kW 和 1 864 kW，最大工作压力达 160 MPa，最大流量为 2. 7 m3/min。由于北美地区的油气田大多位于平原地区，在整机载重质量、压裂泵布置等诸多方面不受道路条件限制，1 864 kW 以上压裂车大都采用拖挂式结构。
2. 2 国内压裂车研究现状
我国压裂装备经过 20 多年的发展，技术研发和生产制造能力基本达到国际先进水平，但在设计理念、控制水平、产品质量和稳定性方面尚有一定差距。目前国内已研制出世界最大单机功率 2 237 kW 的车载压裂车，最大工作压力 140 MPa，最大流量 3 m3/min，可有效解我国井场偏僻和作业场地有限的问题。
3 新型压裂车发展方向
压裂车均采用“柴油发动机—变速箱—压裂泵”的动力方案，不仅存在噪音大、污染高、工人作业条件差、作业成本高等缺点，而且大功率柴油发动机和变速箱尺寸、重量大，不利于车载方案的设计和大功率压裂车的开发。特别是随着低碳环保要求的提高，大功率柴油机的使用将受限，柴油机驱动方案成为制约压裂车发展的瓶颈。为减少环境污染、降低开采成本、提高油气开采效率，新型压裂车将朝着以下几个方向发展。
3. 1 双燃料压裂车
目前，国内外大型压裂车动力均采用柴油发动机，不仅燃油消耗成本高，而且对环境污染较大; 若采用纯天然气发动机，则价格是同功率柴油机的 2 ～ 3 倍，压裂车生产成本过高; 柴油—天然气双燃料发动机既可使用 100柴油作为燃料，也可使用柴油和天然气( 管道天然气、CNG、LNG、油井气等气体燃料) 混合燃料，通过高度集成控制，实现柴油和天然气的无缝切换。特别是页岩气和煤层气开采区域均有现成的天然气，在施工现场很容易满足双燃料发动机对天然气的需求。
双燃料压裂车是在传统柴油机的基础上加装外接天然气管路、燃油调节器和集成控制系统等特性硬件，工作原理与传统柴油机相同，并根据载荷自动优化混合燃料配比，输出与柴油机相同的功率密度、扭矩及瞬态响应速度，柴油最大替代比例达 70 ，可将压裂作业成本降低 40 ，废气排放减少 10 ，节能减排效果显著。
3. 2 涡轮驱动压裂车
由于页岩气储藏环境复杂，施工区域的地理环境和道路条件要求压裂车具有高度的运移性、安全性和适应性，其外型尺寸和重量受到严格限制，需要以大功率压裂车来提高压裂效率、降低压裂成本，传统柴油机驱动的压裂车输出功率很难超过 2 237 kW，因而使压裂车的大型化发展陷入两难的境界。涡轮驱动压裂车可在限定的尺寸和重量要求下使单台压裂车的输出功率达2 982 ～ 4475 kW，道路通过性和灵活性大幅提升，可有效解决大型压裂车“上牌难、上路难、上山难”的难题。
涡轮驱动压裂车将传统庞大而笨重的柴油机更换为体积小、重量轻、功率大的涡轮发动机，其功率密度是高功率柴油机的20 倍，将传统变速箱更换为超高速涡轮减速箱，实现超级发动机与大型或多台压裂泵的匹配; 在运输和压裂施工作业操作中，可大幅减少配套井场占地及车组人员，节省人力和物力，提高施工效益; 在经济性方面，涡轮驱动压裂车维护间隔也比柴油机长，还拥有柴油、LNG、CNG、预处理井口气等多燃料系统，可在作业过程中实现无缝切换，将压裂施工作业成本降低30 左右。
3. 3 电驱动压裂车
随着页岩气等非常规油气资源的规模化开发，为提高开发效率和降低开发成本，油气开发方式逐步由直井向水平井，单井向丛式井转变。“工厂化”钻井和压裂作业将成为未来页岩气主要开采模式，井场电网预先架设为电驱动压裂车的应用提供了可能。电驱动压裂车可有效解决现有压裂车存在的燃油消耗大、发动机和变矩器配套困难等缺陷，是实现页岩气高效、环保、低成本开发的高效途径之一。
电驱动压裂车采用中压变频电机直接驱动压裂泵，可平滑地调整压裂泵流量和压力，在同等压力下，具有更强的排量输出能力，适于页岩层或致密砂岩的压裂工况。
由于减少了变矩器使用，在限定尺寸和重量要求下使单台压裂车的输出功率达到 4 475 kW，有效提高作业效率，降低作业成本。在环保和经济方面，电驱动压裂车不仅实现了零排放和低噪声污染，而且可将施工成本降低50 左右。
3. 5 智能化压裂车
大型“工厂化”压裂施工已成为未来压裂施工作业发展的趋势，由于多家设备参与施工作业，控制系统和自动化程度不统一，对现场指挥调度人员要求非常高，大规模压裂施工的集中控制问题亟待解决。
智能化压裂车采用开放式平台、无线网络和在线系统以提升系统高效性、互操作性和可靠性，将所有装备纳入整体网络，通过数据共享、监控集中，实现多装备( 不同厂商) 群控和压裂施工作业无人值守，从而提升装备机动性能和快速集成能力，降低施工作业成本，满足大型页岩气连续压裂施工的高可靠性和集群控制要求。
4 结论
随着压裂工艺技术水平的提高和页岩气等非常规油气井的大规模开发，压裂施工作业对压裂车的单机功率、压力、排量、可靠性及智能化水平的要求越来越高，为满足连续施工、大负载、长时间的“工厂化”压裂施工作业要求，从重量、节能、排放及施工作业成本等方面提出了新型压裂车的发展方向，可有效解决现代压裂施工对压裂车大功率、超高压、大排量和智能化的要求。
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