張樹立，馬偉東，李心成，王繼鑫

（1.煙臺杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司，山東 煙臺264003；2.中國石油大慶鉆探工程公司，黑龍江 大慶163458）

YLC140-2320型頁巖氣專用壓裂車研制

張樹立1，馬偉東2，李心成1，王繼鑫1

（1.煙臺杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司，山東 煙臺264003；2.中國石油大慶鉆探工程公司，黑龍江 大慶163458）

由于我國頁巖氣的分布多在山區(qū)，道路崎嶇狹窄、壓裂井場狹小，對壓裂設(shè)備的單機(jī)功率、整機(jī)尺寸和質(zhì)量、行駛性能有著更高的要求。研制了YLC140-2320型壓裂車，介紹了技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點、創(chuàng)新點、先進(jìn)性及試驗情況，其性能滿足在小井場上進(jìn)行大型頁巖氣壓裂和道路行駛的要求。

壓裂車；頁巖氣；水平井

隨著美國頁巖氣的大規(guī)模商業(yè)開發(fā)，全球掀起了一場頁巖氣開發(fā)的熱潮，歐洲、亞洲的多個國家都啟動了頁巖氣勘探開發(fā)計劃。2011年，國土資源部首次進(jìn)行了我國頁巖氣資源潛力評價工作，地質(zhì)資源134.42萬億 m3，可采資源25.08萬億m3，資源十分豐富［1］。2012-03，國家發(fā)改委、財政部、國土資源部、國家能源局共同發(fā)布《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011—2015年）》，計劃到2015年，國內(nèi)頁巖氣產(chǎn)量將達(dá)65億 m3，2020年力爭實現(xiàn)年產(chǎn)量600～1 000億m3。因為頁巖氣屬于超致密氣，滲透率極低，不進(jìn)行大規(guī)模的水平井多段壓裂來改造儲層，將無法開采頁巖氣。因此，在頁巖氣開發(fā)的過程中壓裂作業(yè)便成為了非常重要的一個完井環(huán)節(jié)［2-5］。頁巖氣壓裂的特點是壓力高、流量大、時間長，作業(yè)車功率配置約為2.94×104k W，如果選用2000型壓裂車，需配置20臺，選用2500型壓裂車需要配置16臺，再加上其他的配套設(shè)備，井場的規(guī)模是較大的。我國的頁巖氣藏多處在多山地區(qū)，井場的面積有限，井場布置困難。研制單機(jī)功率更大的壓裂車，以減少壓裂車的數(shù)量，滿足小井場的布置成為目前的重要課題［6-8］。煙臺杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司根據(jù)我國頁巖氣開發(fā)的需要以及我國多山的油氣藏地形特點，開發(fā)了大的功率YLC140-2320型壓裂車（3100型壓裂車）。

1 總體方案

1.1 結(jié)構(gòu)

YLC140-2320型壓裂車主要由裝載底盤車、發(fā)動機(jī)、變速箱、柱塞泵及潤滑系統(tǒng)、液壓與控制系統(tǒng)、高低壓管匯等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1。從底盤車取力通過液壓傳動系統(tǒng)啟動臺上發(fā)動機(jī)及散熱器。柱塞泵由臺上發(fā)動機(jī)通過變速箱驅(qū)動，將壓裂液增壓后排出，注入井下實施壓裂作業(yè)。

由于壓裂車的上裝設(shè)備的質(zhì)量達(dá)到33 t，加上油田作業(yè)道路惡劣，對汽車底盤的要求非常高。經(jīng)過與德國奔馳公司的技術(shù)交流，選取奔馳4151型8×6奔馳重型底盤，并根據(jù)上裝載荷的分布要求對底盤車的軸距、后懸、大梁、橋載等進(jìn)行特殊改裝，以滿足要求。經(jīng)過改裝后的底盤前橋載荷180 k N，后橋載荷320 k N，該特殊加強(qiáng)型副梁滿足整車載荷分布、行駛性、越野性和安全性要求。YLC140-2320型壓裂車整體結(jié)構(gòu)合理，軸載荷分布均勻，重心位置均經(jīng)過專業(yè)的設(shè)計計算。

動力傳動系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)及附屬系統(tǒng)、變速箱、傳動軸等。發(fā)動機(jī)的散熱器采用臥式結(jié)構(gòu)，同時集成發(fā)動機(jī)缸套水冷卻、中冷水冷卻、變速箱傳動油冷卻、液壓油冷卻、柱塞泵潤滑油冷卻、燃油冷卻，采用液壓驅(qū)動風(fēng)扇，并能通過發(fā)動機(jī)水溫控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，同時設(shè)計有強(qiáng)制冷卻開關(guān)，用于強(qiáng)制冷卻。

底盤發(fā)動機(jī)為上裝設(shè)備提供部分動力；上裝動力傳動系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、變速箱和傳動軸等組成，為柱塞泵提供動力；采用自主研發(fā)的高性能、大功率、行星減速傳動的三缸柱塞泵，最大功率為2.94×103k W，能夠?qū)崿F(xiàn)2.2×103k W連續(xù)作業(yè)，能夠很好地適應(yīng)頁巖氣開發(fā)工況對大功率儲備的需求。該泵采用行星輪減速機(jī)構(gòu)，該種傳動機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)時無軸向力，能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運行，同時又能夠?qū)崿F(xiàn)大功率、大轉(zhuǎn)矩的作業(yè)需求。低壓管匯采用傾斜和圓弧過渡的結(jié)構(gòu)，并配有閥放水工具由壬口和空氣吹掃裝置，提高壓裂液的流動性和作業(yè)后殘液排放的方便性。配置140 MPa等級的高壓管件，保證了設(shè)備的安全性。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

額定壓力 137.9 MPa（20 000 psi）

額定排量 2.9 m3／min

最大輸出功率 2 320 k W

質(zhì)量 47 800 kg

外形尺寸（長×寬×高）12 300 mm×2 500 mm×4 200 mm

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

設(shè)計頁巖氣專用壓裂車必須解決以下關(guān)鍵技術(shù)：滿足國內(nèi)頁巖氣壓裂所需的超高壓力和大排量的作業(yè)要求；提升單車輸出水功率，盡量減少整個車組設(shè)備的數(shù)量，減少設(shè)備作業(yè)占用場地，降低作業(yè)成本；研發(fā)適合于頁巖氣壓裂工況的控制系統(tǒng)，滿足超大規(guī)模的壓裂車組集群控制要求，具有聯(lián)機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集、安全保護(hù)等功能，實現(xiàn)對整個作業(yè)過程的實時監(jiān)控。

YLC140-2320型壓裂車在方案設(shè)計階段充分考慮了頁巖氣壓裂施工工況的要求：在滿足137.9 MPa（20 000 psi）壓力的前提下，柱塞泵柱塞直徑大（114.3 mm）、沖程長（279.4 mm），既滿足了高壓大排量的要求，又降低了泵的沖次，提高了液力端的使用壽命。同時，三缸泵的設(shè)計有效地減輕了體積和質(zhì)量。比傳統(tǒng)2000型和2500型壓裂車的水功率分別提高55%和24%，最大施工壓力可達(dá)137.9 MPa，滿足頁巖氣壓裂作業(yè)施工要求。在進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)時，使用該壓裂車可以減少整套車組的設(shè)備數(shù)量，減小占地面積和操作人員，降低作業(yè)成本。針對頁巖氣壓裂工藝研制出大型智能集群控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)整個井場的所有設(shè)備集中監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集傳輸與處理功能。

2 結(jié)構(gòu)特點

YLC140-2320型壓裂車整車布局合理，各系統(tǒng)匹配合理，性能穩(wěn)定。同時配備低溫環(huán)境的加熱系統(tǒng)和高溫環(huán)境的控制箱散熱系統(tǒng)，能夠滿足高溫、高寒等特殊環(huán)境的作業(yè)要求。

2.1 動力系統(tǒng)

考慮到壓裂作業(yè)高可靠性的特點，配置MTU DDC 16V4000 S83L型電控渦輪增壓柴油機(jī)，額定功率2 425 k W，性能可靠、動力強(qiáng)勁，具有高轉(zhuǎn)速、高水溫、低油壓、低水位等自動保護(hù)功能。同時配置進(jìn)氣切斷式緊急停機(jī)裝置，滿足氣井壓裂作業(yè)安全要求。變速箱采用Twindisc的TH55-E70型液力變速箱，額定功率2 425 k W。

2.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)用于臺上發(fā)動機(jī)的啟動和風(fēng)扇驅(qū)動，采用閉式液壓系統(tǒng)，通過底盤變速箱取力驅(qū)動變量柱塞液壓泵。因為發(fā)動機(jī)驅(qū)動和風(fēng)扇啟動不同時工作，所以系統(tǒng)設(shè)計時根據(jù)變量泵斜盤的兩個變量方向來改變油流方向，分別驅(qū)動臺上發(fā)動機(jī)啟動馬達(dá)和風(fēng)扇馬達(dá)，發(fā)動機(jī)啟動后改變泵的斜盤方向，改變液壓油的流向驅(qū)動風(fēng)扇運轉(zhuǎn)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由安裝在發(fā)動機(jī)管匯上的溫控控制閥控制。依據(jù)設(shè)定的溫度值控制風(fēng)扇啟動停止與轉(zhuǎn)速控制，控制面板設(shè)計強(qiáng)制冷卻開關(guān)，保證緊急情況下強(qiáng)制風(fēng)扇正常工作。液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

2.3 柱塞泵潤滑系統(tǒng)

柱塞泵潤滑系統(tǒng)主要包括動力端潤滑和液力端潤滑系統(tǒng)。動力端潤滑系統(tǒng)由變速箱的取力口驅(qū)動一齒輪泵，對動力端內(nèi)各旋轉(zhuǎn)和滑動部位進(jìn)行壓力油式強(qiáng)制潤滑，對齒輪進(jìn)行噴濺潤滑。該潤滑系統(tǒng)配有安全閥和壓力傳感器，具有超壓保護(hù)和低壓報警功能，保證系統(tǒng)安全。柱塞泵動力端潤滑系統(tǒng)如圖3所示。

液力端潤滑系統(tǒng)采用電動潤滑脂集中潤滑，潤滑的時間與間隔時間可以設(shè)定，也可以按照柱塞泵的沖次設(shè)定進(jìn)行自動潤滑，潤滑脂無泄漏，用量少，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

2.4 管匯系統(tǒng)

管匯系統(tǒng)包括低壓吸入管匯和高壓排出管匯。為降低柱塞泵流體吸入流阻，低壓管匯采用大傾角式設(shè)計，同時配置吸入緩沖器保證吸入壓力的恒定；在吸入端配置3個公端盲堵和專用頂閥工具，便于作業(yè)后的液力端排空操作；在吸入管匯末端配置氣力排空裝置，實現(xiàn)作業(yè)后的管匯殘液排空功能，能節(jié)省操作人員的勞動強(qiáng)度和時間。低壓管匯系統(tǒng)如圖4所示。

高壓管匯系統(tǒng)采用的壓力等級為137.9 MPa（20 000 psi）的管匯，滿足超高壓壓裂作業(yè)需求；配置電子式壓力傳感器，設(shè)備能夠根據(jù)設(shè)定的壓力進(jìn)行超壓保護(hù)，系統(tǒng)安全性高；配置卸荷裝置，滿足了不同客戶的作業(yè)需求。高壓管匯系統(tǒng)如圖5所示

2.5 控制與操作系統(tǒng)

研發(fā)全集成的壓裂車控制和操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)以儀表車為控制樞紐，涵蓋壓裂、混砂、化添、混配、液氮、連續(xù)油管等多種設(shè)備控制及部分監(jiān)控集成；研發(fā)可雙屏顯示的智能泵控系統(tǒng)，一屏為聯(lián)機(jī)控制屏，另一屏為單機(jī)狀態(tài)控制屏，可及時有效地監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，大幅減少操作者切換界面的工作量和緩解了作業(yè)操作的緊張感；基于J1939通訊協(xié)議，可實現(xiàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了信號的精度和可靠性；控制系統(tǒng)由本地控制、便攜遠(yuǎn)控箱控制和遠(yuǎn)程儀表車控制系統(tǒng)組成，3套控制系統(tǒng)均能進(jìn)行設(shè)備自身控制也能進(jìn)行聯(lián)機(jī)控制；為保障控制系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)控制，即使在環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)一個斷點也不影響正常的控制性能；控制系統(tǒng)設(shè)計有中英文操作界面和公英制單位切換功能，操作者可根據(jù)使用習(xí)慣進(jìn)行操作。控制系統(tǒng)中文環(huán)境主運行界面如圖6所示。

3 性能測試與應(yīng)用

依據(jù)SY／T5211—2009《壓裂成套設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)和測試大綱對YLC140-2320型壓裂車進(jìn)行性能測試，包括發(fā)動機(jī)、變速箱、柱塞泵等關(guān)鍵部件的性能測試，底盤的承載能力和行駛性能測試，液壓系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、柱塞泵潤滑系統(tǒng)及操作系統(tǒng)的功能測試。各項性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求，運行穩(wěn)定，滿足頁巖氣壓裂工況的要求。在發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 900 r／min、變速箱擋位下柱塞泵主軸轉(zhuǎn)速、流量、壓力、輸出功率參數(shù)如表1所示。

該設(shè)備于2013-03在大港房24-45井進(jìn)行實際作業(yè)，經(jīng)過3 h的作業(yè)，整個作業(yè)過程中較長時間持續(xù)水功率輸出保持在1.98～2.21 MW，最高水輸出功率達(dá)得到2.29 MW。此次工業(yè)性測試充分驗證其性能完全符合設(shè)計要求。在川渝地區(qū)的磨溪201井、磨004-H6井、臥075-H1井、磨溪19井、高石10井、合川001-79-X2、高石17井進(jìn)行了相關(guān)試驗和應(yīng)用，該設(shè)備在作業(yè)過程中運行穩(wěn)定，可靠性高，得到了使用方的高度認(rèn)可。

4 結(jié)論

1） 為了滿足我國頁巖氣開發(fā)的需要，研制了YLC140-2320型壓裂車。解決了超大規(guī)模壓裂作業(yè)與井場面積小的矛盾。單機(jī)輸出功率可達(dá)2 320 k W，適用于山地道路行駛。

2） 設(shè)備配置先進(jìn)，載荷分布合理，單位功率質(zhì)量輕。整機(jī)質(zhì)量與目前2500型壓裂車相當(dāng)。

3） 采用2 985 k W的三缸柱塞泵，功率儲備大，更適合頁巖氣的高壓力、大排量、長時間的壓裂作業(yè)。柱塞泵液力端采用電動脂潤滑集中潤滑，安全可靠、節(jié)能環(huán)保。

4） 多重冗余的智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)確保作業(yè)的可靠性和穩(wěn)定性，并能實現(xiàn)大規(guī)模多車輛聯(lián)機(jī)控制。

5） YLC140-2320型壓裂車滿足了山地儲藏地理條件下頁巖氣壓裂的需要，同時也可以在頁巖油、致密油氣、常規(guī)油氣的壓裂作業(yè)中推廣使用。

［1］ 冶緯青，陶成學(xué)，李桂營，等.頁巖氣典型開發(fā)技術(shù)及勘探開發(fā)進(jìn)展［J］.西部探礦工程，2012，24（8）：392-400.

［2］ 李新景，胡素云，程克明.北美裂縫性頁巖氣勘探開發(fā)的啟示［J］.石油勘探與開發(fā)，2007，34（4）：392-400.

［3］ John White，Roger Read.The shale shaker：an investor＇s guide to shale gas［J］.Oil and Gas Investor，2007（1）：2-9.

［4］ 張金川.我國頁巖氣富集類型及資源特點［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（12）：109-114.

［5］ 胡永全.重復(fù)壓裂技術(shù)研究［J］.天然氣工業(yè)，2004，24（3）：72-75.

［6］ Kent a Bowker.Barnett shale gas production，fort worth basin issues and discussion［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：523-533.

［7］ 張士誠.低滲透油氣藏增產(chǎn)技術(shù)新進(jìn)展［C］／／2008年油氣藏增產(chǎn)改造學(xué)術(shù)研討會論文集.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［8］ 唐穎，張金川，張琴，等.頁巖氣井水力壓裂技術(shù)及其應(yīng)用分析［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（10）：1-6.

Research and Application of Model YLC140-2320 Fracturing Truck Specially for Shale Gas Fracturing

ZHANG Shu-li1，MA Wei-dong2，LI Xin-cheng1，WANG Ji-xin1
（1.Yantai Jereh Peroleum Equipmentamp;Technologies Co.，Ltd.，Yantai 264003，China；2.CNPC Daqing Drilling Engneering Co.，Ltd.，Daqing 163458，China）

China’s shale gas mainly distributes at mountainous and hilly areas which feature rough roads and narrow job site.Thus，it put forward a higher requirement for the single power，dimension，weight and traceability of the fracturing units.The technical parameters，structure features，innovation points，advancement and testing condition of the YLC140-2320 truck mounted fracturing unit is introduced herein.The performance of this unit can meet the requirements of performing large-scale shale gas fracturing in small job sites and road running.

fracturing unit，shale gas，horizontal well

TE934.203

B

1001-3482（2014）04-0073-05

2013-09-23

張樹立（1976-），男，山東沂水人，高級工程師，2000年畢業(yè)于長安大學(xué)工程機(jī)械專業(yè)，主要從事石油裝備的設(shè)計研究與技術(shù)管理工作，E-mail：zhangsl＠jereh.com。