YLC140-2320型页岩气专用压裂车研制

张树立，马伟东，李心成，王继鑫

（1.烟台杰瑞石油装备技术有限公司，山东 烟台264003；2.中国石油大庆钻探工程公司，黑龙江 大庆163458）

YLC140-2320型页岩气专用压裂车研制

张树立1，马伟东2，李心成1，王继鑫1

（1.烟台杰瑞石油装备技术有限公司，山东 烟台264003；2.中国石油大庆钻探工程公司，黑龙江 大庆163458）

由于我国页岩气的分布多在山区，道路崎岖狭窄、压裂井场狭小，对压裂设备的单机功率、整机尺寸和质量、行驶性能有着更高的要求。研制了YLC140-2320型压裂车，介绍了技术参数、结构特点、创新点、先进性及试验情况，其性能满足在小井场上进行大型页岩气压裂和道路行驶的要求。

压裂车；页岩气；水平井

随着美国页岩气的大规模商业开发，全球掀起了一场页岩气开发的热潮，欧洲、亚洲的多个国家都启动了页岩气勘探开发计划。2011年，国土资源部首次进行了我国页岩气资源潜力评价工作，地质资源134.42万亿 m3，可采资源25.08万亿m3，资源十分丰富［1］。2012-03，国家发改委、财政部、国土资源部、国家能源局共同发布《页岩气发展规划（2011—2015年）》，计划到2015年，国内页岩气产量将达65亿 m3，2020年力争实现年产量600～1 000亿m3。因为页岩气属于超致密气，渗透率极低，不进行大规模的水平井多段压裂来改造储层，将无法开采页岩气。因此，在页岩气开发的过程中压裂作业便成为了非常重要的一个完井环节［2-5］。页岩气压裂的特点是压力高、流量大、时间长，作业车功率配置约为2.94×104k W，如果选用2000型压裂车，需配置20台，选用2500型压裂车需要配置16台，再加上其他的配套设备，井场的规模是较大的。我国的页岩气藏多处在多山地区，井场的面积有限，井场布置困难。研制单机功率更大的压裂车，以减少压裂车的数量，满足小井场的布置成为目前的重要课题［6-8］。烟台杰瑞石油装备技术有限公司根据我国页岩气开发的需要以及我国多山的油气藏地形特点，开发了大的功率YLC140-2320型压裂车（3100型压裂车）。

1 总体方案

1.1 结构

YLC140-2320型压裂车主要由装载底盘车、发动机、变速箱、柱塞泵及润滑系统、液压与控制系统、高低压管汇等组成，总体结构如图1。从底盘车取力通过液压传动系统启动台上发动机及散热器。柱塞泵由台上发动机通过变速箱驱动，将压裂液增压后排出，注入井下实施压裂作业。

由于压裂车的上装设备的质量达到33 t，加上油田作业道路恶劣，对汽车底盘的要求非常高。经过与德国奔驰公司的技术交流，选取奔驰4151型8×6奔驰重型底盘，并根据上装载荷的分布要求对底盘车的轴距、后悬、大梁、桥载等进行特殊改装，以满足要求。经过改装后的底盘前桥载荷180 k N，后桥载荷320 k N，该特殊加强型副梁满足整车载荷分布、行驶性、越野性和安全性要求。YLC140-2320型压裂车整体结构合理，轴载荷分布均匀，重心位置均经过专业的设计计算。

动力传动系统包括发动机及附属系统、变速箱、传动轴等。发动机的散热器采用卧式结构，同时集成发动机缸套水冷却、中冷水冷却、变速箱传动油冷却、液压油冷却、柱塞泵润滑油冷却、燃油冷却，采用液压驱动风扇，并能通过发动机水温控制风扇的转速，同时设计有强制冷却开关，用于强制冷却。

底盘发动机为上装设备提供部分动力；上装动力传动系统由发动机、变速箱和传动轴等组成，为柱塞泵提供动力；采用自主研发的高性能、大功率、行星减速传动的三缸柱塞泵，最大功率为2.94×103k W，能够实现2.2×103k W连续作业，能够很好地适应页岩气开发工况对大功率储备的需求。该泵采用行星轮减速机构，该种传动机构运转时无轴向力，能够实现高转速平稳运行，同时又能够实现大功率、大转矩的作业需求。低压管汇采用倾斜和圆弧过渡的结构，并配有阀放水工具由壬口和空气吹扫装置，提高压裂液的流动性和作业后残液排放的方便性。配置140 MPa等级的高压管件，保证了设备的安全性。

1.2 主要技术参数

额定压力 137.9 MPa（20 000 psi）

额定排量 2.9 m3／min

最大输出功率 2 320 k W

质量 47 800 kg

外形尺寸（长×宽×高）12 300 mm×2 500 mm×4 200 mm

1.3 关键技术

设计页岩气专用压裂车必须解决以下关键技术：满足国内页岩气压裂所需的超高压力和大排量的作业要求；提升单车输出水功率，尽量减少整个车组设备的数量，减少设备作业占用场地，降低作业成本；研发适合于页岩气压裂工况的控制系统，满足超大规模的压裂车组集群控制要求，具有联机控制、数据采集、安全保护等功能，实现对整个作业过程的实时监控。

YLC140-2320型压裂车在方案设计阶段充分考虑了页岩气压裂施工工况的要求：在满足137.9 MPa（20 000 psi）压力的前提下，柱塞泵柱塞直径大（114.3 mm）、冲程长（279.4 mm），既满足了高压大排量的要求，又降低了泵的冲次，提高了液力端的使用寿命。同时，三缸泵的设计有效地减轻了体积和质量。比传统2000型和2500型压裂车的水功率分别提高55%和24%，最大施工压力可达137.9 MPa，满足页岩气压裂作业施工要求。在进行现场作业时，使用该压裂车可以减少整套车组的设备数量，减小占地面积和操作人员，降低作业成本。针对页岩气压裂工艺研制出大型智能集群控制系统，可实现整个井场的所有设备集中监控、数据采集传输与处理功能。

2 结构特点

YLC140-2320型压裂车整车布局合理，各系统匹配合理，性能稳定。同时配备低温环境的加热系统和高温环境的控制箱散热系统，能够满足高温、高寒等特殊环境的作业要求。

2.1 动力系统

考虑到压裂作业高可靠性的特点，配置MTU DDC 16V4000 S83L型电控涡轮增压柴油机，额定功率2 425 k W，性能可靠、动力强劲，具有高转速、高水温、低油压、低水位等自动保护功能。同时配置进气切断式紧急停机装置，满足气井压裂作业安全要求。变速箱采用Twindisc的TH55-E70型液力变速箱，额定功率2 425 k W。

2.2 液压系统

液压系统用于台上发动机的启动和风扇驱动，采用闭式液压系统，通过底盘变速箱取力驱动变量柱塞液压泵。因为发动机驱动和风扇启动不同时工作，所以系统设计时根据变量泵斜盘的两个变量方向来改变油流方向，分别驱动台上发动机启动马达和风扇马达，发动机启动后改变泵的斜盘方向，改变液压油的流向驱动风扇运转，风扇转速由安装在发动机管汇上的温控控制阀控制。依据设定的温度值控制风扇启动停止与转速控制，控制面板设计强制冷却开关，保证紧急情况下强制风扇正常工作。液压系统原理如图2所示。

2.3 柱塞泵润滑系统

柱塞泵润滑系统主要包括动力端润滑和液力端润滑系统。动力端润滑系统由变速箱的取力口驱动一齿轮泵，对动力端内各旋转和滑动部位进行压力油式强制润滑，对齿轮进行喷溅润滑。该润滑系统配有安全阀和压力传感器，具有超压保护和低压报警功能，保证系统安全。柱塞泵动力端润滑系统如图3所示。

液力端润滑系统采用电动润滑脂集中润滑，润滑的时间与间隔时间可以设定，也可以按照柱塞泵的冲次设定进行自动润滑，润滑脂无泄漏，用量少，经济环保。

2.4 管汇系统

管汇系统包括低压吸入管汇和高压排出管汇。为降低柱塞泵流体吸入流阻，低压管汇采用大倾角式设计，同时配置吸入缓冲器保证吸入压力的恒定；在吸入端配置3个公端盲堵和专用顶阀工具，便于作业后的液力端排空操作；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。低压管汇系统如图4所示。

高压管汇系统采用的压力等级为137.9 MPa（20 000 psi）的管汇，满足超高压压裂作业需求；配置电子式压力传感器，设备能够根据设定的压力进行超压保护，系统安全性高；配置卸荷装置，满足了不同客户的作业需求。高压管汇系统如图5所示

2.5 控制与操作系统

研发全集成的压裂车控制和操作系统，该系统以仪表车为控制枢纽，涵盖压裂、混砂、化添、混配、液氮、连续油管等多种设备控制及部分监控集成；研发可双屏显示的智能泵控系统，一屏为联机控制屏，另一屏为单机状态控制屏，可及时有效地监控设备状态，大幅减少操作者切换界面的工作量和缓解了作业操作的紧张感；基于J1939通讯协议，可实现控制系统的稳定性，提高了信号的精度和可靠性；控制系统由本地控制、便携远控箱控制和远程仪表车控制系统组成，3套控制系统均能进行设备自身控制也能进行联机控制；为保障控制系统的有效性和稳定性，控制系统采用环形网络控制，即使在环网出现一个断点也不影响正常的控制性能；控制系统设计有中英文操作界面和公英制单位切换功能，操作者可根据使用习惯进行操作。控制系统中文环境主运行界面如图6所示。

3 性能测试与应用

依据SY／T5211—2009《压裂成套设备》标准和测试大纲对YLC140-2320型压裂车进行性能测试，包括发动机、变速箱、柱塞泵等关键部件的性能测试，底盘的承载能力和行驶性能测试，液压系统、气路系统、柱塞泵润滑系统及操作系统的功能测试。各项性能指标达到设计要求，运行稳定，满足页岩气压裂工况的要求。在发动机额定转速1 900 r／min、变速箱挡位下柱塞泵主轴转速、流量、压力、输出功率参数如表1所示。

该设备于2013-03在大港房24-45井进行实际作业，经过3 h的作业，整个作业过程中较长时间持续水功率输出保持在1.98～2.21 MW，最高水输出功率达得到2.29 MW。此次工业性测试充分验证其性能完全符合设计要求。在川渝地区的磨溪201井、磨004-H6井、卧075-H1井、磨溪19井、高石10井、合川001-79-X2、高石17井进行了相关试验和应用，该设备在作业过程中运行稳定，可靠性高，得到了使用方的高度认可。

4 结论

1） 为了满足我国页岩气开发的需要，研制了YLC140-2320型压裂车。解决了超大规模压裂作业与井场面积小的矛盾。单机输出功率可达2 320 k W，适用于山地道路行驶。

2） 设备配置先进，载荷分布合理，单位功率质量轻。整机质量与目前2500型压裂车相当。

3） 采用2 985 k W的三缸柱塞泵，功率储备大，更适合页岩气的高压力、大排量、长时间的压裂作业。柱塞泵液力端采用电动脂润滑集中润滑，安全可靠、节能环保。

4） 多重冗余的智能网络控制系统确保作业的可靠性和稳定性，并能实现大规模多车辆联机控制。

5） YLC140-2320型压裂车满足了山地储藏地理条件下页岩气压裂的需要，同时也可以在页岩油、致密油气、常规油气的压裂作业中推广使用。

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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

张树立（1976-），男，山东沂水人，高级工程师，2000年毕业于长安大学工程机械专业，主要从事石油装备的设计研究与技术管理工作，E-mail：zhangsl＠jereh.com。