【金正纵横】国内地面压裂装备性能分析(一)

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　　我国地面压裂装备：江汉四机厂2000型压裂机车、江汉四机厂2500型机组，金正纵横研究部主要针对这两种压裂装备的性能展开深入分析工作。

　　一、江汉四机厂2000型压裂机车组性能

　　2000型压裂机车组是由江汉石油管理局第四机械厂生产的压裂泵车、仪表车、配液撬、压裂酸化管汇车和美国双S公司设计生产的MC-75混砂车、输砂车及中原特车厂生产的供液车组配而成。它是装有底盘的移动泵注设备，可以高压、大排量泵注酸液和压裂增产处理液。其技术性能如下。

　　压裂泵车

　　1.技术性能
　　(1)承载底盘：泵车以奔驰ACTRO S4140(8×6/4)平头卡车为承载底盘。该型卡车大梁由高强度钢制造，底盘采用前、后双桥结构，总载量为410OOkg，轮距为1700+4800+1350m，前桥转弯半径小于24m，后桥离地间隙大于300mm，最高车速80km/h，最大爬坡度4O%。卡车发动机分动箱(PTO)驱动液力系统，带动台上发动机启动器液马达，从而增加台上机组总功率，达到压裂泵单泵输出水功率1490kW 设计标准。
　　(2)台上发动机：采用底特律DDECIV 12V4000柴油机作为台上发动机，额定功率1654kW (225OBHP)，转速1950r/min。该型柴油机为全电子控制DDECIV喷油高性能发动机，装有共轨式喷油系统、电子控制喷嘴，带有故障诊断功能，和高水温、低水位、低油压、低水温、超速保护功能，为涡轮增压中冷，装有一套由底盘发动机提供动力的液压启动系统，可保证柴油机在任何条件下有效、可靠地启动。
　　(3)台上传动箱：以ALLISON S9800型八速电控液动传动液力机械传动箱为台上传动箱，额定输入功率1678kw，最大输入转速2100r/min，传动箱换挡和离合器锁定由阿里逊公司设计制造的电控控制，在大于1450r/min高速时能使变矩器强制解锁开关平稳换挡。
　　(4)压裂泵：压裂泵为3ZB105-1491型三缸泵，是一种往复式、容积式、卧式单作用三缸柱塞泵，额定最大制动功率149lkW (2000hp)，冲程203.2mm (8in)，柱塞直径为5in。该型泵采用压裂泵的凡尔，导向准确，阀体开闭灵活。阀体和阀座均经渗碳处理，以增强耐磨性和抗冲蚀能力。动力端的润滑由传动箱PTO驱动的齿轮泵提供压力润滑油来完成。
　　(5)电气控制系统：由传统的机电控制元件组成，每一个泵控电源控制一台泵车。全车采用24VDC供电，电路系统由发动机电控系统、仪表显示及控制系统(进行压裂作业时使用的操纵机构)、照明系统等组成。按全车主要部件分发动机电控系统，传动箱报警及控制系统，泵报警及控制系统等。泵是通过柴油机转速配合不同挡位控制排量的。泵控单元中安装有超压复位控制仪表，能根据压裂设计中的施工压力，人为的设定超压保护。当达到压力极限值时，控制器会自动降低油门，达到超压自动保护的效果。在紧急情况下，操作者可以通过紧急开关使机组停止工作。
　　2.性能评价
　　该型压裂泵车选用奔驰ACTROS双前、后桥8×6重载卡车为承载底盘，运载能力和路面适应能力强，双前桥、双后桥加桥间封锁驱动，适合在井场凸凹不平的碎石路面上行驶，保证了作业设备的安全运移;台上发动机、传动箱、泵等的功率匹配合理;操作控制系统自动化程度较高，操作简单，易学;液力端阀箱为5个分体式结构，阀箱和内部易损件均具有很好的互换性，需要时可单独更换一个阀箱，拆换维修方便。动力端外壳由钢板焊接的2部分组成，一部分连接3个阀箱，支承小齿轮和冠状齿轮，另一部分连接2个阀箱，这样可使动力端外壳承载均匀，疲劳寿命长。但是，整个机组之间没有实现网络通讯控制，泵车仅能实现单一控制，监视和控制面板较多，监视数据分散不能统一，不能实现机组之间远程通讯和相互控制功能，仪表车的监控指挥人员仅能监视柴油机的转速和控制其油门，不能实现计算机网络采集整个机组的所有监控参数和对作业参数的实时监测、处理、储存和打印。

　　仪表车

　　1.技术性能
　　(1)承载底盘：采用奔驰ACTRO S2031 4×4平头卡车承载底盘，总载量为20000kg。底盘发动机为奔驰0M501L/A，230kW，最高转速1700r/min。
　　(2)压裂车控制系统：仪表车内安装有压裂泵车台上操作控制面板，可以单独控制5台压裂车，利用随车提供的电缆，仪表车可以在50m开外的地方遥控压裂车。主要控制项目有发动机油门、传动箱换挡、锁定防护开关、发动机正常停车、发动机紧急停车、压裂泵超压自动保护以及传感器状态检查等。
　　(3)混砂车采集系统：仪表车监控电脑安装混砂车数据采集系统，它能监测混砂车的全部数据。使用随车提供的电缆，仪表车可以在30m开外的地方采集混砂车数据。主要采集参数有：2个干粉添加剂系统、3个液体添加剂系统、2个螺旋输砂器转速、吸入排出液量和混合罐液面，油、套压力，携砂液的密度。
　　(4)数据采集和存储系统：配备了2台Pentium CPU工业计算机和1套FRAC-DAS数据采集软件，能够采集和存储：油压与套压;纯净液、携砂液、3种液体添加剂的排量;2种干粉添加剂加入速度;2个螺旋输砂器转速;油、套压力。数据实时采集间隔可设定，最小间隔为30ms。
　　2.性能评价
　　仪表车选用奔驰ACTRO S2O31 4×4平头卡车承载底盘，底盘和箱式车身的联接及车载仪器设备与车箱的联接采用多重减震结构，具有很强的抗震能力，最大限度地保证了车载仪器设备的安全运移。仪表车具有采集混砂车数据的功能，可在作业中实施设计修改、各种参数的监测、采集、存储及裂缝情况的实时显示模拟，可实时显示压裂酸化数据。

　　配液橇

　　配液橇主要由动力系统、液压系统、气路系统、润滑系统、混合和发液系统、搅拌系统、下料系统、粘度自动控制系统、水合罐和混合罐等组成。
　　粘度自动控制配液橇是用于油田压裂作业时基液混配的橇装设备，它设计合理，技术先进，居国际先进水平。它的先进性主要表现在：采用了独有专利技术的喷射器，混配能量高，解决了以往压裂液混配时混合不均匀、混配好的基液中存在水包粉的问题。旋风式除气装置，能有效地除去液体中的空气，极大限度地减少了泡沫的形成，提高混配质量。设计巧妙的水合罐，不仅能再一次除去混合液中的气体，而且还能有效地延长水合时间，有利于溶胶的形成。设备实现计算机全自动控制，能根据用户的要求，设定不同的混配速度及混配质量比，混配精度高。液压系统采用了开式系统，液压整体效率不高，液压系统的冷却方式主要采用风冷，夏天的冷却效果不佳，高温施工时有一定的影响。

　　压裂酸化管汇车

　　1.技术性能
　　(1)承载底盘：采用奔驰ACTRO S3331 6×6平头卡车承载底盘，总载量为33000kg。底盘发动机为奔驰OM501L/A，23Okw，最高转速1700r/min。
　　(2)管汇车车台：安装了1套高低压管汇，高压管汇3in FIG 接头10个，2in FIG 接头2个，高压管汇4in FIG 接头12个，最高承受压力105MPa，每个接头独立连接损坏可单独更换。
　　(3)管汇车的吊机：采用3部分折叠吊机，最大起吊载荷6.3t，活动半径2m;最小起吊载荷1.2t，活动半径8m。
　　2. 性能评价
　　管汇车选用奔驰ACTRO S3331 6×6平头卡车承载底盘。底盘和箱式车身的联接及车载管汇与车箱的联接采用多重减震结构，具有很强的抗震能力，最大限度地保证了车载管汇的安全运移。管汇车具的吊机采用3部分折叠吊机，但最大起吊载荷只有6.3t，此时活动半径2m，太小;最小起吊载荷时，活动半径只有8m。在实际的施工过程中，吊车的起吊负荷不大，稍远起吊管汇时不方便起吊。建议应采用最大起吊载荷10t，活动半径达到20m 以上的吊机，以方便施工作业。

　　MC-75混砂车

　　1.技术性能
　　(1)承载底盘：采用奔驰ACTRO S4148 8×6平头卡车，整车的总重量只有27t。
　　(2)吸排系统：包括吸入离心泵和排出离心泵及吸排管汇，吸入泵排量12m3/min，关闭压力0.4MPa;排出泵排量12m3/min，关闭压力0.4MPa。吸、排离心泵，2只搅笼，液添泵，干添泵均由卡车底盘发动机提供动力驱动。
　　(3)添加剂注入系统：包括3个液体添加剂和2个干粉添加剂系统。液体添加剂系统由3个液力驱动的液体添加剂泵组成。泵送系统把添加剂输送到混合罐或排出管汇中，可从控制台上自动控制或手动控制排量。干粉添加剂送料器也由液力驱动，把干粉添加剂输送到混合罐与净液混合，然后再排送到混砂车罐的顶部，排量既可自动控制也可手动控制。
　　(4)支撑剂输送系统：由2个液力驱动的螺旋输砂器组成。输砂器用来计量和输送支撑剂到混砂车混合罐。每个输砂器的最大输砂量为7456kg/min，支撑剂的浓度及输砂器的速度由控制台根据作业工艺要求自动控制或手动控制。2个螺旋输砂器在液力驱动下可以单独作绕枢轴的左右摆动，使其能更好地接近支撑剂的装卸设备。
　　(5)自动混合罐液面控制系统：由混合罐和液面控制部分组成。混合罐是一个工作容积为1.25m。的圆柱形罐，与液力驱动的、装在一根轴上的2个涡轮搅拌器结为一体。搅拌器的速度可根据施工要求由控制台自动或手动控制调节，确保各种加入料的均匀混合。自动混合罐液面控制系统是一电气-液力系统，其原理是用超声波测量混合罐中液面，并将其转化为与液面深度相当的低功率电信号。混砂车中混合罐的液位利用吸入泵或排出泵的转速调节，由计算机处理后实现自动控制。
　　(6)控制系统：由双S公司设计制造，可根据作业工艺要求对设定的各种添加剂、支撑剂的加入量自动控制加入比例和速率。混砂车所有作业参数均可通过RS232串型端口，利用配套软件FRAC-DAS采集混砂车中的作业数据，在仪表车上集中实时显示监控。
　　2.性能评价
　　混砂车选用奔驰ACTRO S4140前、双后桥8×6重载底盘，整车载荷分布均匀，台面通道宽敞，有利于操作员安全操作和检查设备。吸入接头和排出接头布置在混砂车的两侧，各布置8个吸入和8个排出接头，便于井场作业车的摆放和管汇连接。双螺旋输砂器既可升降，又可左右摆动，解决了混砂车与运砂、输砂设备的灵活连接问题，还可根据施工要求单螺旋或联合双螺旋工作。混砂车主要用于加砂压裂作业，且对泵和管汇系统考虑了耐酸和防腐蚀要求，因此，也适用于酸化压裂作业，充当配液和供液设备。但在液位控制系统中，超声波传感器检测液位时，当介质中有泡沫时，不能对液面进行准确测量，导致液面控制不稳。当支撑剂输送量是靠螺旋输砂器的转速和搅笼的容积来完成计量时，由于支撑剂卸入砂斗后疏密不均，或螺旋输砂器桶的内壁磨损后，容易造成计量不准。螺旋输砂器砂斗和干粉添加剂料斗均为开式结构;此外，台上设备均由底盘发动机取动力驱动，发动机长期处于工作状态，工作寿命缩短。

　　输砂车

　　1.技术性能
　　(1)承载底盘：采用奔驰ACTRO S3331 6×4平头卡车承载底盘，总载量为33000kg。底盘发动机为奔驰OM5O1L/A，230kW ，最高转速1700r/min。
　　(2)箱式砂罐：采用优质钢板冲压焊接而成，容积10m3，强度高，罐前设有呼吸帽便于潮湿气体溢出，缸顶有2个 600mm的进砂口，可大大加快进砂速度。箱采用橡胶密封，防水、防潮性能良好。砂罐后端有漏斗形出砂口，出砂口设有手控砂加闸，可根据施工需要，自由控制砂量。
　　(3)液压系统：操作部分设置在驾驶室内，由变速箱引出动力，带动齿轮油泵工作，驱使液压油缸伸缩带动四连杆机构举升砂罐，搬动手柄即可轻便地控制箱式罐在0～45°范围内的任意角度上停止。操作轻松灵活。
　　2.性能评价
　　SJX5330TSS型输砂车是根据油田压裂施工加砂量的需求及现代施工工艺进行设计的车辆。输砂车是往返于施工现场与砂库间和混砂车相配套的必不可少的储运专用设备，它可以快捷方便的将各种压裂砂输送到施工现场。砂罐通过海沃前顶液压系统进行举升，最大倾角45°，工作灵活方便，原来的出砂口径偏小，大砂比加砂时，放砂速度跟不上，出砂口径增大改造后，可根据工作需要自由控制，满足各种加砂速度。

　　供液车

　　1.技术性能
　　(1)承载底盘：采用奔驰ACTRO S3331 6×4平头卡车承载底盘，总载量为330OOkg。底盘发动机为奔驰0M501L/A，23OkW，最高转速1700r/min。
　　(2)水罐：采用优质钢板焊接而成，容积22.5m3，强度高，罐顶有2个φ800mm 的进水口，可大大加快进水速度。箱采用橡胶密封，防水、防潮性能良好。砂罐后端有4in闸阀控制的出水口，出水口4in闸阀控制，可根据施工需要，自由控制出水量。
　　(3)液压系统：ZYT5251TGY型供液车液压系统操作部分设置在驾驶室内，由变速箱引出动力，带动齿轮油泵工作，驱使液压马达带动水泵工作，操作轻松灵活。
　　2. 性能评价
　　ZYT5251TGY型供液车是根据油田压裂配液施工的需求及现代施工工艺进行设计的新型车辆。供液车是往返于施工现场相配套的必不可少的储运专用设备，它可以快捷方便的将各种配液用水输送到施工现场。水罐通过离心泵将罐内的水，以每分钟2方的速度供给配液车，进行配液。

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