2500型超高压页岩气压裂车开发研究

* 赵绪平，男，高级工程师。

2006年毕业于沈阳工业大学机械制造及自动化专业，获硕士学位。

现在北方重工集团有限公司，主要从事产品研发工作。

地址：辽宁省沈阳经济技术开发区开发大路16号北方重工集团工程设计院，110141。

E-mail：huoshan_0531@文章编号：1004-2970（2017）03-0012-04赵绪平* 孔丹 常亮（北方重工集团有限公司工程设计研究院）赵绪平等. 2500型超高压页岩气压裂车开发研究. 石油规划设计，2017，28（3）：12～14，43基金项目：辽宁省重大科技专项“大型超高压压裂成套装备”（编号201303003）摘要 我国页岩气多分布在山区，不仅埋藏深、岩石抗张强度大，而且井场道路复杂、施工场地有限，所需开采压力、排量、时间均高于美国页岩气开采的技术要求，对压裂车的单机功率、压力、排量、通过性、自动化水平及可靠性有着更高的要求。

针对国内页岩气压裂工艺的特点，分析了超高压页岩气压裂车开发需解决的技术难点，从2500型超高压页岩气压裂车的技术参数、结构特点、先进性及试验情况进行了研究，为解决我国页岩气开采对压裂车大功率、超高压、大排量和智能化的要求提供了技术支持。

性能测试结果表明，2500型超高压页岩气压裂车设计合理，各项性能完全满足我国页岩气压裂开采要求。

关键词 页岩气；压裂车；超高压；开发研究中图分类号：TE934.2 文献标识码：A DOI ：10.3969/j.issn.1004-2970.2017.03.004在美国页岩气革命的引领下，全球掀起了页岩气开采的高潮。

大规模页岩气压裂施工从单层向多层、多段方向发展，压裂工况由“间歇式”向“连续式”转变，“工厂化”压裂作业模式大幅度提高了单井产量，降低了开采成本，改变着世界能源的格局［1-4］。

我国页岩气比美国埋藏深、岩石抗张强度大、井场道路复杂、施工场地有限，所需开采压力、排量、时间均高于美国页岩气开采的技术要求，现有设备不满足页岩气“工厂化”压裂施工要求［5-8］，因此，开发适用于我国页岩气开采的超高压、大排量和长时间的压裂车具有十分重要的意义。

1 技术分析超高压页岩气压裂车开发必须解决以下技术难点：一是随着页岩气压裂施工总量朝着“万方液、千方砂”的工厂化压裂作业方向发展［9-10］，需解决超高压、大功率、长时间连续压裂作业对设备可靠性要求高的技术难题；二是我国页岩气井大多位于山区，施工场地有限，大功率、大排量压裂车虽然可有效提高作业效率，降低施工成本，但需解决因设备性能提升与车体尺寸、重量之间的矛盾，满足大型压裂车特殊道路通过性和越野性要求；三是新型超高压压裂泵在额定输出功率的条件下不但要输出140 MPa 的超高压和大排量，还需提高使用寿命，并且适合车载要求；四是页岩气大规模压裂作业不仅要求压裂车控制先进，还需解决车组集群控制和工艺适应性等技术难题。

2 主要技术参数2500型超高压压裂车是根据我国特殊路况、地质条件和页岩气压裂工艺要求而研制的高端压裂装备，具有控制精准、可靠性高、兼容性强、切换方式灵活等特点，其主要技术参数见表1。

3 主要结构特点2500型超高压页岩气压裂车采用车载结构，结构组成见图1，工作原理为：控制系统4通过底盘1 发动机取力启动双燃料发动机2，变速箱3将双燃料发动机2动力传递给超高压压裂泵6对压裂液进行增压，并将增压后的压裂液压入到目的页岩层，增加页岩气流动性，以提高页岩气的开采量。

3.1 动力系统动力系统主要由双燃料发动机、变速箱、传动轴、冷却系统及相关附件组成。

为满足页岩气压裂表1 2500型超高压页岩气压裂车主要技术参数最大工作压力/MPa最大排量/（m3·min-1）最大输出功率/kW柱塞直径/mm转弯半径/m重量/kg外形尺寸（长×宽×高）/mm140 2.8 1 864 101.6 16 43 50012 300×2 500×4 000作业长时间连续作业的高可靠性和经济性要求，采用额定功率2 206 kW的全电脑控制涡轮增压双燃料发动机和自动控制变速箱，动力匹配合理，使动力系统的操作性和可靠性能有了很大提高，不仅性能稳定、动力充足，而且换挡平滑、冲击小。

冷却系统运用集成化的设计理念，采用风扇转速智能控制的卧式一体化散热器，减少自身重量和燃料消耗、提高散热效率和车辆空间利用率，使压裂车的动力性和经济性达到最优。

3.2 超高压压裂泵压裂泵性能直接决定了压裂车的优劣，是压裂车最核心部件。

通过研究超高压、大功率和大排量压裂泵技术，采用ADMS动力学仿真对压裂泵动力端、液力端进行优化设计，提高输出压力和排量，保证压裂泵可靠性和使用寿命，对参数进行合理选择及结构优化，攻克了现有压裂泵存在泵压或排量不足、控制精度或范围有限、可靠性不够高的技术难关，研制出新型长冲程、低冲次、大连杆负荷超高压五缸压裂泵，不仅实现了140 MPa的超高压力和2.8 m3/min大排量输出，而且使用寿命大大延长，可靠性大幅度提高，相比现有同功率压裂泵输出压力波动小、效率高，进一步减小了重量和体积，提高了压裂车的可移动性，满足了页岩气压裂所需的超高压、高性能、大排量、大功率作业要求。

3.3 底盘底盘是压裂车的主要承载部件，加上我国页岩气井大多位于山区，现场作业道路恶劣，对汽车底盘的要求非常高，为提高设备通过性和越野性，采用进口8X6加强型重载底盘，最大承载能力50 t。

运用仿真技术对车架的强度、刚度、模态、疲劳寿命、典型工况进行动态有限元计算分析，计算底盘副梁在各种工况下的应力分布、变形情况及疲劳寿命，通过优化整车布置，实现了前后桥载荷80%负荷均匀分布，重心位置合理，提高了压裂车特殊道路越野性和通过性。

3.4 低压吸入管汇为适应页岩气压裂工艺大排量输出和井场管线的连接，吸入管线采用两个上水接口。

通常情况下1—底盘；2—双燃料发动机；3—变速箱；4—控制系统；5—冷却系统；6—超高压压裂泵图1 2500型超高压页岩气压裂车1 2 345 6142017年5月赵绪平等：2500型超高压页岩气压裂车开发研究第28卷 第3期根据车辆布置情况只需要连接一个接口，在采用大排量压裂作业时，为保证泵的吸入性能，可以连接两个上水管线。

为降低压裂泵流体吸入流阻，低压吸入管汇采用大倾角式向下倾斜设计，同时配置吸入缓冲器保证吸入压力的恒定；在吸入管汇末端配置气力排空装置，实现作业后的管汇残液排空功能，能节省操作人员的劳动强度和时间。

3.5 高压排出管汇高压排出管横向固定在车辆尾部，施工中可打开支架固定销，将排出管线放在地面并进行支撑。

压裂泵高压排出管汇设有超压保护装置，压力等级为140 MPa，满足页岩气超高压压裂工艺要求。

3.6 安全保护系统超高压压裂车配有自动超压保护装置和机械超压保护安全阀两套系统。

自动超压保护装置采用电控形式，根据现场作业的压力需要设定压力保护值，当实际工作压力超过设定值时，超压保护装置给出控制信号，并在控制箱上出现超压报警，发动机根据控制信号自动回到怠速状态，并自动启动刹车系统。

当超压设定解除后，可以重新启动发动机和压裂泵进行工作；机械超压保护安全阀是根据压裂车予先设定的压力保护值，在自动超压保护装置失灵的情况下，工作压力达到设备设定压力时，机械超压保护安全阀卸压，起到安全保护的功能。

3.7 润滑系统压裂泵的润滑系统包括动力端润滑系统和液力端润滑系统，它是保证压裂泵具有最佳工作性能和最长使用寿命的重要因素之一。

动力端采用连续式压力润滑，通过电动润滑泵提供润滑油。

液力端采用电动泵间歇式润滑，设备挂挡后可以自动启动盘根润滑，当传动箱置于刹车挡位时系统将自动关闭液力端润滑系统。

3.8 控制系统采用国际先进、性能一流的高可靠性控制器，通过对集群环网控制、多泵车功率智能分配控制、多泵组压力和排量自动控制等技术进行研究，开发出国际先进水平的网络化自动控制系统，可实现现场作业无人值守，使施工过程快捷、可靠性高、兼容性强、操作灵活，能在-40℃至60℃恶劣环境中稳定工作。

压裂车可以单机进行施工作业，也可以多台设备组成机组与其他设备实现联机作业。

每台设备通过数据线进行连接，设备之间相互串联形成网络，各台设备的发动机、传动箱、压裂泵等信号和数据通过网络进行双向传递，从而实现数据共享。

联机作业过程中可以对单车和多车进行编组，通过事先对作业流程进行编组并设置各阶段流程，实现各组设备自动排量和自动压力控制流程。

施工作业参数可以通行采集和打印，也可以通过任何一台控制箱上的采集数据口，使用笔记本电脑采集施工作业参数，满足了大型页岩气连续压裂施工高可靠性和集群控制要求。

4 试验与应用情况该设备于2014年在北方重工集团公司试验场进行了页岩气压裂工况全过程模拟试验，分别经历了连续12 h超高压力（140 MPa）和大排量压裂（2.8 m3/min）的考验，各项性能指标均达到设计要求，见表2，设备运行稳定，满足页岩气压裂工况的各项技术要求。

表2 2500型超高压页岩气压裂车试验数据 挡位泵转速/（r·min-1）排量/（m3·min-1）工作压力/MPa输出功率/kW1 61 0.63 140 1 7402 77 0.79 140 1 8253 96 0.99 114 1 8644 114 1.17 96 1 8645 143 1.47 77 1 8646 178 1.83 62 1 8647 219 2.26 54 1 8648 274 2.82 40 1 864在松原吉林油田工业性试验中，2500型超高压页岩气压裂车与美国NOV的压裂机组进行了现场编组并试压6口井，工作期间经历了清水压裂、滑溜水压裂、携砂压裂、大排量压裂、持续高压等不同工况，施工参数见表3，试验结果表明该压裂车技术指标先进、性能可靠、控制系统兼容性高，完全满足现场压裂施工需求，试验取得圆满成功。

表3 2500型超高压页岩气压裂车现场实验结果井号施工排量/m3砂量/m3施工排量/（m3·min-1）最大压力/MPa民+20-28井 12 441.2 690.2 7.5～13.5 95民西+57-07井16 540.3 831.5 8.2～10 90.6民+57-09井 17 425.6 468.4 8～12.2 795 结论1）为满足我国页岩气开采工艺的需要，研制了2500型超高压页岩气压裂车，其大排量、超高压特点有效提高了压裂作业效率，降低了施工成本，解决了超大规模压裂作业与井场面积小的矛盾。

（下转第43页）第28卷 第3期石 油 规 划 设 计2017年5月 43实现在移动端的需求提报、气量查询、服务请求、预付款缴费等实用功能，在满足客户通用需求的同时，也要考虑客户的个性化需求。