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精选 | 压裂设备应用评价及技术:相同条件2500型

随着非常规油气开发和常规油气改造规模的不断扩大,对压裂装备性能指 标提出了更高的要求。本文从几种压裂设备的市场应用情况出发,分别介绍了 柴油驱动、电驱、液压驱动、双
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       随着非常规油气开发和常规油气改造规模的不断扩大,对压裂装备性能指
标提出了更高的要求。本文从几种压裂设备的市场应用情况出发,分别介绍了
柴油驱动、电驱、液压驱动、双燃料和涡轮式压裂装备的技术特性和市场应用
现状,对比分析了目前大功率2500型压裂车与其他几种大功率压裂驱动装备
的性能优劣特点,提出了优化改进措施,最后从压裂设备的发展方向提出建议。
一、压裂设备驱动方式现状分析
国外压裂装备多以柴油驱动为主,由于北美地区道路平坦,通过性良好,压裂
装备多为拖车结构形式为主,近几年也逐步在尝试多种驱动方式,如涡轮驱动
和电驱,但规模较小。
北美地区压裂施工作业压力较低,多以2000型压裂装备
为主,装载大功率发动机,以提高发动机作业稳定性。
 
国内压裂设备驱动方式已经多样化,较常规压裂车采取“柴油发动机-变速箱-
压裂泵”的模式,
已经成型并量化的有电驱、液压驱、涡轮驱、及双燃料等新
型压裂装备,各种驱动方式各有优缺点。施工作业呈现多种驱动方式压裂设备
联合作业。

 

1、柴油驱动式压裂装备
 
通用性较好,噪音较大、污染高、工人劳动强度大、作业成本高,受制于大
功率柴油发动机整体尺寸、重量,不利于车载方案的设计和大功率压裂车的
开发,随着低碳环保要求的提高,
柴油机驱动的压裂装备将严重制约大功率
压裂车的发展。
 
2500型压裂车是目前单机功率密度及性价比较高的一种配置,具有体积小、
功率密度大、运移性强和可靠性高等优点,市场认可度高。
 
2、电驱式压裂装备
 
电驱压裂橇集成自动化集控、电机直驱、线性连续控制,节能减排及数据
实时采集传输等多种先进技术,可平滑地调整压裂泵排出流量。
 
电动压裂噪音可低至85dB(A)以下,具备夜间压裂施工条件,施工作业经
济性好,
能耗费用为2500型压裂车的70%~75%,且制造周期短,电机
和压裂泵均能实现国产化;
但受制于网电容量的大小,影响施工配置台数,
如能有效解决电驱压裂装备供电问题,市场前景大
 
已进行现场试验的电驱装备如表1所示,目前大功率电驱设备配套压裂泵
额定冲次较高,需要国内配套厂家开发长寿命压裂泵。

表1:国内电驱压裂装备主要技术指标
 
3、液压式压裂装备
 
液压式压裂车根据工况条件,采用多台发动机功率合流的形式,取代传统式
的传动箱与传动轴,实现高压力、大排量压裂作业。
 
作业中实现了无极调速、消除换档冲击、使得压裂车的工作更加智能平稳,
但因液压传动效率较低,导致施工能耗高(达到传统2500型压裂车的
120%~130%),且液压维护较困难,高压液压油缸的稳定性不高。
 
4、双燃料压裂装备
 
双燃料压裂车是在传统柴油机的基础上加装外接天然气、燃油调节器和集成
控制系统等特性硬件,
达到燃气替代柴油的目的,常规的替代率在50%~70%。
目前,斯伦贝谢公司和贝克休斯公司配套的CAT3512C型发动机双燃料压裂装备
已经投用。双燃料发动机既可使用柴油,也可以使用天然气和柴油混合作为燃料,

天然气与柴油的最大替代率可达75%以上,压裂作业平均替代率在50%以上。
 
双燃料动力的应用,不仅可以充分利用油气资源,代替部分柴油,降低作业成本、
获取更大经济效益,而且可以降低废气的排放、满足日益严格的环保要求。
5、涡轮式压裂装备
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,其率密度是高功率柴油机的20倍,可大幅减少配套井场占地及
车组人员,维护间隔也比柴油机长,且拥有柴油、LNG、CNG、预留井口气
等多燃料系统,
可将压裂作业成本降低30%左右。
2019年11月,杰瑞全球单机功率最大的涡轮压裂整套机组在北美实现商
用。该成套机组可以高效使用多种气源,大幅降低燃料成本,满足不同的
排放法规要求,但涡轮压裂车噪音大,环境友好性差。
 

二、大功率压裂设备现状分析

 

国内压裂市场主要以2000型压裂车为主,但不足以满足小井场大作业和储
层改造的要求,2500型压裂车自2008年投入以来,国内该型压裂设备接近
400台(套),2500型压裂设备较好满足储层改造的需求。

 

1、2500型与2000型性能对比

 

对比国外的施工井场,国内的施工设备主要以车载结构为主,主要考虑设备
的移运性能,以2000型和2500型压裂车为主,根据设备结构、主要性能参
数和设备使用情况作如下分析,主要性能参数如表2所示。


表2:压裂设备主要技术指标

在同样的大泵配置下,选择2500型施工能力可以明显提升,压力与排
量调整范围更广。对于超大型传统压裂设备,设备施工能力增加的同
时,整机重量将大幅提高,对设备移运性要求较苛刻。相同的车载结
构条件下,相对于2000型,2500型压裂设备水功率密度增加25%。

2、2500型与3100型性能对比

 

国内压裂设备生产厂家江汉第四机械厂和烟台杰瑞也逐步推出3000型和
3100型大型压裂车,已投放市场,
呈现出更高的性价比,单位面积水
功率密度比2500型提升20%,比2000型提升50%,更适合非常规油气
领域大型压裂、连续施工作业。
但整机重量已经超过48t,不满足道路
通过性要求,2500型和3100型压裂车主要性能参数如表2所示。

 

3、2500型与4500型性能对比

 

杰瑞4500型阿波罗涡轮压裂车2015年2月在珙县页岩气完成现场测试,
5月成功完成双燃料系统测试,整车实现3350kW水马力功率输出要求,
单机功率密度、道路通过性、节能减排和操控方便性等方面优势明显,
但是制造周期、噪音、性价比制约其快速发展。2500型和4500型压裂
车主要性能参数如表2所示。

 

三、压裂设备技术现状分析

 

1、整机形式
 
装机形式主要是车载和橇装两种形式。由于受制国内道路运输条件,
国内压裂设备主要是重型底盘为主,整车尺寸及重量须满足
GB1589-2016要求,长宽高控制在12500 ×2550 ×4000 mm,
整车重量不宜超过46t。
 
橇装设备分整体式和分体式。整体式橇装设备是将发动机、变速箱、
压裂泵及附属设施整装在一个橇座上,分体式橇装设备将发动机、
变速箱及附属设施安装在一个橇座,压裂泵安装在一个橇座,现
场安装,便于检修与更换。
 
2、不锈钢液力端及易损件
 
国外斯伦贝谢公司通过使用不锈钢压裂阀箱和长寿命阀体、阀座,
降低施工作业间隔时间。
根据2018年数据显示,在水马力总量不
变的情况下,工作量由2014年的42个平台增加到2018年的48个
平台,提高15%。
国内自2018年开始以来,各设备制造厂家陆续
推出同类型阀箱,但因材质不能完全达标,不锈钢阀箱现场应用
时间普遍在600h左右。
哈利伯顿配套的长寿命阀体阀座,每130h检修一次,而国内使
用的碳钢阀体阀座20~30h检修一次。压裂设备易损件寿命低,
可靠性低。同时,国内厂家不应仅停留在碳化钨阀体和阀座,

也应重点关注与阀体配套使用的胶皮、以及密封盘根和泵盖密
封件等其他配套件的寿命问题。
3、控制系统智能化
 
压裂设备主要采用了工业以太网网络控制,目前电驱设备也是这种控制方式,
但随着压裂设备规模扩大和作业时间的延长,需要提高对运行设备的在线监控
和远程故障诊断的能力,提高压裂机组的智能化水平,同时增加远程专家故障
诊断和运行监测,满足压裂机组的智能化操作需求。

 

四、压裂装备技术发展展望

 

1、压裂装备技术的发展离不开基础工业的进步
 
国内压裂设备制造厂家受制于国外部件生产商,如车载重型发动机,主要是
卡特彼勒、底特律、康明斯等,传动箱厂家主要以艾里逊和双环为主,尤其
是涡轮式发动机,依赖程度较大。国内配套厂商产品还不满足压裂装备对高
负荷、
长时间工况的性能要求,稳定性不高。需加大基础部件研发,提高整
体抗风险能力。

 

 
2、新型式压裂装备正高速发展
新型装备驱动形式如电驱、液压适合国内需求,但稳定性还需要进一步验证。
电驱式压裂装备受电网容量影响较大,只能因地制宜的开展,解决区域用电
量就能大幅推广电驱装备。在川渝区域,井口气发电正在测试,可以覆盖周
边平台用电需求。另外,随着双燃料井场发电机组逐渐推广,双燃料压裂装
备也将大力发展。
 
此外,今后油气上产将以非常规能源规模开采为主,压裂装备只有不断向大型化、自动化和智能化方向发展,才能满足工艺技术发展的需求。
注:文章来自 
ECF国际页岩气论坛

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