王峻喬 王云海 潘靈永 張 波

（1.中石化石油機械股份有限公司；2.中石化四機石油機械有限公司；3.中石化石油工程技術服務有限公司）

大型壓裂裝備屬高端石油鉆采裝備，長期以來核心技術難以突破，設備長期依賴進口，嚴重制約了我國油氣資源開發(fā)，也對國家能源安全造成一定威脅。因此，堅持自主創(chuàng)新，趕超國外先進技術，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的大型壓裂裝備，成為幾代“石油裝備人”的使命與擔當。

1 我國大型壓裂裝備自主研發(fā)進程與目標

1.1 大型壓裂裝備研發(fā)從“跟跑”到“并跑”

我國大型壓裂裝備前期以引進為主，2008年開始，中石化石油機械股份有限公司（簡稱石化機械）在國內(nèi)率先突破2500型大功率輕量化壓裂泵、壓裂液高效混輸、140MPa高壓管匯等核心技術，先后自主開發(fā)出世界首臺套車裝2500型、3000型壓裂機組，搭建了大型成套壓裂裝備自主創(chuàng)新平臺，實現(xiàn)了裝備從部件到整機、從單機到機組集成的重大轉變，扭轉了自主研發(fā)的壓裂裝備技術落后、性能不足的局面，邁上了與國外先進技術“并跑”的快車道?！俺邏捍蠊β视蜌鈮毫蜒b備”榮獲2015年國家科學技術進步二等獎，成為國家科技重大專項標志性裝備及成果。

1.2 國產(chǎn)壓裂裝備研發(fā)面臨的技術問題

國產(chǎn)壓裂裝備研發(fā)雖然取得突破，并在生產(chǎn)應用、優(yōu)化改進方面得到市場廣泛認可，但技術研發(fā)與學術理論研究協(xié)同較弱，研發(fā)裝備的原創(chuàng)性、革命性創(chuàng)新技術較少。近年國際油價持續(xù)下行，國內(nèi)外石油行業(yè)長期處于“寒冬期”，如何實現(xiàn)油氣資源低成本高效開發(fā)，成為行業(yè)普遍面臨的難題與現(xiàn)實需求。為滿足我國頁巖氣等非常規(guī)、深層油氣資源低成本、高效、綠色開發(fā)的需要，大型壓裂裝備需大力實施“產(chǎn)學研用”自主創(chuàng)新，縮短研發(fā)周期，開發(fā)更高效、更安全、更低成本的精良裝備。

為此，需要解決一些技術難題：（1）國內(nèi)頁巖氣埋藏深，施工壓力高（≥90MPa），施工難度大，壓裂裝備壽命及可靠性與工程實際需求有差距[1]；（2）頁巖氣多分布在山區(qū)、丘陵地區(qū)，井場面積小，道路運輸條件差，對壓裂裝備整機集成提出了更高要求，而在役柴油驅(qū)動壓裂裝備功率密度低，不能滿足頁巖氣規(guī)模壓裂作業(yè)要求；（3）壓裂設備配套的底盤、發(fā)動機、傳動箱依賴進口，采購周期長（≥6個月），使用維護成本高，核心部件受制于人，存在“卡脖子”風險；（4）國家相關道路法規(guī)、排放標準不斷升級，柴油驅(qū)動壓裂裝備運行噪聲普遍在110dB上下，噪聲擾民問題突出，不符合油氣開發(fā)綠色、環(huán)保要求，設備底盤開發(fā)速度也未能跟上新的排放標準要求。

1.3 自主研發(fā)裝備進入國際第一方陣

石化機械以國家重大能源裝備需求為導向，堅持科技創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略，開展機理研究、關鍵設計與制造技術研究、裝備示范應用；積極跟蹤國外先進技術，通過對比分析Evolution公司、USWS公司電動壓裂裝備技術[2-4]，完成國內(nèi)外電力拖動、變頻控制等技術調(diào)研；創(chuàng)新提出壓裂裝備“超大功率、全電動化、全自主化”的技術路線；制定了依托國內(nèi)優(yōu)勢資源，推進“產(chǎn)學研用”一體化攻關的工作思路，確立了自主開發(fā)具備國際領先水平“超大功率電動成套壓裂裝備”的攻關目標。

“十三五”以來，石化機械依托承擔國家科技重大專項“超大功率電動成套壓裂裝備研制”，以實現(xiàn)壓裂裝備電動化、自動化、數(shù)字化為目標，創(chuàng)新研制出5000型大功率電動壓裂機組（含壓裂、混砂、配液、管匯、儀表控制等裝置），有效解決了裝備連續(xù)作業(yè)可靠性及綠色高效難題，綜合成本下降30%[5]，全套裝備自主化率提升至95%，為非常規(guī)油氣經(jīng)濟規(guī)?；行ч_發(fā)提供了重要支撐，標志著我國自主研發(fā)的壓裂設備進入國際第一方陣。

2 “產(chǎn)學研用”一體化創(chuàng)新團隊

2.1 發(fā)揮企業(yè)創(chuàng)新主體作用協(xié)調(diào)團隊工作

按照“產(chǎn)學研用”一體化攻關的工作思路，聚焦攻關目標，以石化機械為主體，聯(lián)合華中科技大學、長江大學、中石化江漢石油工程有限公司（簡稱江漢工程）等科研院所和企業(yè)，聚集我國壓裂裝備、大功率電動機、電傳電控和超大規(guī)模壓裂作業(yè)等領域優(yōu)勢技術單位，組建了由228名專業(yè)技術人員組成的協(xié)同創(chuàng)新團隊，建立了科學有效的“產(chǎn)學研用”組織管理模式。

創(chuàng)新團隊以企業(yè)作為創(chuàng)新主體，成立項目領導小組，作為項目執(zhí)行的最高決策機構，成員由項目長、課題長、任務長及各單位領導組成，下設項目實施管理辦公室、專家委員會和4個任務工作組。管理辦公室負責項目日常管理及考核工作，落實項目執(zhí)行，協(xié)調(diào)攻關進度；專家委員會由若干企業(yè)專家、行業(yè)專家及高校專家組成，負責技術咨詢工作，專業(yè)覆蓋結構、材料、電氣、控制、液壓等重大領域；任務工作組由技術骨干組成，負責技術攻關、產(chǎn)品推廣、優(yōu)化整改工作。

2.2 采用項目管理模式

實行項目長負責制，明確工作職責，保障項目順利實施，認真執(zhí)行“計劃、執(zhí)行、控制、總結”4個控制過程。責任單位領導掛帥，研、產(chǎn)、銷相關部門參加，成立跨專業(yè)、跨部門、跨行政體系的綜合項目組。建立交叉融合的科研工作機制與工作平臺，充分發(fā)揮各專業(yè)特長，解決科研項目“落地難”和“接軌難”問題，促進創(chuàng)新成果的快速轉化和產(chǎn)業(yè)化。

2.3 建立目標導向考評機制

依照《國家科技重大專項（民口）管理規(guī)定》《中國石化國家科技重大專項實施管理辦法》，結合企業(yè)實際情況，制定了《石油機械公司國家科技重大專項實施管理辦法》，將技術水平、創(chuàng)新性、成熟度、難度及工作量、應用情況等作為成果評價的重點內(nèi)容。建立月工作報表、例會、年度工作會管理模式，定期檢查進度、預算執(zhí)行情況，適時組織召開任務推進、專題方案評審、聯(lián)合任務評價、階段驗收等相關會議，及時對任務完成情況進行評價。

項目實施中建立了目標導向為主的考核評價機制，形成了項目長對課題長、課題長對任務長、任務長對研究人員的3級考核評分體系。通過考評會，分別從工作完成情況、工作難度、工作質(zhì)量、有效工作時間、材料完成情況5個維度，對研究成員進行評價考核。根據(jù)考核結果確定年度績效激勵額度，有效激勵技術研發(fā)人員主觀能動性，激發(fā)團隊創(chuàng)新活力。

3 “產(chǎn)學研用”深度融合促成果轉化

以高可靠性長壽命壓裂泵技術、大排量高效混砂和高壓管匯技術、大功率電動機及變頻技術等為靶點，優(yōu)化研發(fā)資源配置，“產(chǎn)學研用”深度融合，加快推進科技創(chuàng)新成果轉化。

3.1 研發(fā)團隊協(xié)同創(chuàng)新成果

研發(fā)團隊首創(chuàng)多相“電驅(qū)單機雙泵”結構，突破壓裂裝備負載特性匹配技術，攻克了全電動壓裂裝備成套集成技術，解決了燃油壓裂裝備功率提升難、能耗高、環(huán)保超標、運維成本高等難題。創(chuàng)新開發(fā)了高能混配數(shù)字輸砂技術，在單臺設備上集成兩臺裝備的功能，大幅提升了混配能力、控制精度。突破了成套機組變頻控制技術，實現(xiàn)了系統(tǒng)操作從單機手動調(diào)節(jié)到機組自動無級控制升級。創(chuàng)新提出基于作業(yè)功率需求分析的電網(wǎng)負荷預測計算方法，形成了電動壓裂裝備網(wǎng)電系統(tǒng)配套設計方案，確保了系統(tǒng)供配電的可靠性。

華中科技大學研發(fā)團隊針對壓裂井場全電網(wǎng)供電方案，在壓裂負荷突變等惡劣工況下，建立網(wǎng)電系統(tǒng)PSCAD仿真模型，支撐了井場供配電的可行性。長江大學研發(fā)團隊針對易損件壽命預估方法開展研究，創(chuàng)建了壓裂泵泵頭體和高壓管匯元件壽命預估方法。中車永濟研發(fā)團隊首次在壓裂動力上采用多相繞組技術，研制出4100kW多相電動機；開發(fā)了六相變頻控制軟件及控制算法，制定了多相繞組獨立及容錯運行控制策略，研制出變頻控制系統(tǒng)。工程應用方針對35kV/10kV多檔位有載調(diào)壓本地操作繁瑣、施工風險大等問題，提出遠程控制、顯示架構。

3.2 高可靠長壽命壓裂泵技術

壓裂泵是壓裂設備的“心臟”。工程應用及理論分析表明，長沖程能夠有效降低沖次，延長壓裂泵使用壽命。石化機械在業(yè)內(nèi)首次開展長沖程壓裂泵研制，將國際主流的壓裂泵沖程由254.0mm（10in）提升至279.4mm（11in），并對長沖程帶來的運動受力、結構、材料選型等變化，與長江大學等高校合作開展材料及機理研究，合理配置基礎研發(fā)資源，實現(xiàn)了壓裂泵的自主設計，將壓裂泵連續(xù)作業(yè)能力由10h/d提升至24h/d，保持壓裂泵技術領先優(yōu)勢。

3.3 大排量高效混砂和高壓管匯技術

混砂罐是混砂設備的關鍵。石化機械組建博士團隊開展理論及基礎分析，經(jīng)過兩年攻關，形成混排一體罐設計原理，構建了自主設計平臺，完成了國際上排量最大的混砂裝置（最大設計排量達40m3/min）研制。與國外施工工況相比，國內(nèi)高壓管匯施工壓力更高，安全保障要求更為嚴苛。研發(fā)團隊攻克了超高壓管匯設計、制造等技術，開發(fā)了全球首創(chuàng)的175MPa管匯系統(tǒng)，安全裕度提升11%～ 13%，有效保障了超高壓長時間作業(yè)的安全性。

3.4 大功率電動機及變頻技術

電動壓裂裝置的核心突破點是電力拖動技術的自主化。石化機械與中國中車集團有限公司（簡稱中車集團）建立合作關系，開展大功率電動機、變頻系統(tǒng)等技術攻關，發(fā)揮國有企業(yè)集中力量辦大事的優(yōu)勢，組建跨領域深度合作研發(fā)團隊，針對壓裂施工功率特性及載荷波動特性，開發(fā)3300V壓裂用中高壓IGBT等核心元器件，在沙漠高溫、低溫、潮濕等工況下不斷進行試驗、優(yōu)化、整改、再優(yōu)化，保障了核心部件的可靠性，有效替代進口元器件。研制出3300～ 4500kW系列化多相電動機及變頻控制系統(tǒng)，解決了裝備電動化動力缺乏難題。

3.5 生產(chǎn)線與試驗能力建設

圍繞電動壓裂設備制造、裝配及調(diào)試各環(huán)節(jié)，升級常規(guī)壓裂設備生產(chǎn)線。一是保障核心部件生產(chǎn)能力，形成年產(chǎn)壓裂泵700臺（套）、高壓管匯件10萬件的生產(chǎn)線。二是與合作單位共建電動機及變頻系統(tǒng)生產(chǎn)線，中車集團下屬企業(yè)成立工業(yè)傳動事業(yè)部，相關產(chǎn)業(yè)人員規(guī)模由23人增至340余人，具備年產(chǎn)大功率壓裂動力系統(tǒng)100臺（套）的產(chǎn)能水平，國產(chǎn)壓裂用大功率電動機及變頻系統(tǒng)實現(xiàn)了從無到有、從小到大的轉變。三是針對電動壓裂試驗功率大、電網(wǎng)負荷能力不足的問題，與地方電力公司協(xié)調(diào)，完成8000kVA電動壓裂裝置試驗場建設，滿足3000～ 8000型電動壓裂裝置型式試驗要求。四是加大整機產(chǎn)能建設，形成年產(chǎn)壓裂裝備400臺（套）的制造集成能力。

4 “產(chǎn)學研用”一體化創(chuàng)新服務模式

4.1 解決推廣應用瓶頸，實施全流程服務

電動壓裂對傳統(tǒng)電力供應模式提出新的要求，針對工程推廣中出現(xiàn)的“無電網(wǎng)”“電網(wǎng)接入難”等問題，積極探索“制造+服務”模式，協(xié)調(diào)當?shù)毓╇姽九c電力工程公司，改變電力供應模式，解決電動壓裂推廣應用中電力供應不足或重復建設的問題，促進油氣開發(fā)電網(wǎng)滿足鉆井、壓裂、生產(chǎn)“一網(wǎng)三用”服務模式的形成。

石化機械依托國家科技重大專項形成的關鍵技術，創(chuàng)新實施全流程服務。施工前，與電力部門協(xié)調(diào)電力工程、供電檢測、用電事宜，快速實現(xiàn)從電網(wǎng)到高壓分線箱、再到變壓器的電纜敷設和電動壓裂機組的安裝調(diào)試；施工中，提供專業(yè)配件及維保服務，包括壓裂泵泵頭、閥腔內(nèi)易損件、高壓管匯、密封件及高壓電器元件等配件，保障設備可靠運行；施工后，通過“SOFElink壓裂智能平臺”，對作業(yè)裝備的運行數(shù)據(jù)和工作狀況進行分析評估，為裝備升級優(yōu)化提供支撐。

4.2 多渠道交流與推廣，提升市場認可度

電動壓裂設備的自主研制及應用得益于多渠道交流與推廣。石化機械與用戶多次對接，召開需求分析會、技術研討會、現(xiàn)場對接會，對重點工作制定相應解決方案，對設備推廣應用提出需求。石化機械項目團隊通過貼近現(xiàn)場、靠前服務，解決設備研制重點和難點，每年不定期在中國石化、中國石油及民營市場，與用戶開展技術交流，利用CIPPE、OTC等國內(nèi)外重大展覽展示平臺，推介電動壓裂裝備技術和產(chǎn)品，5年來累計完成技術交流及推廣200余次，為設備的深入推廣奠定扎實基礎。

4.3 依托重大油氣工程，做好示范應用

圍繞電動壓裂設備的示范應用，石化機械依托涪陵頁巖氣田、重慶南川頁巖氣田、威榮頁巖氣田等國家重大油氣工程[6]，自2018年首臺（套）5000型電動壓裂裝備完成工業(yè)試驗以來，先后歷經(jīng)單臺工業(yè)試驗、油電混合壓裂應用到全電動壓裂應用3個階段，累計完成30多臺（套）裝備應用、700多段全電動壓裂施工，起到了較好的示范應用效果。

2020年5月，依托國家科技重大專項，涵蓋壓裂、混砂、配液、供液、泵注、供砂全流程的電動壓裂裝備在涪陵“焦頁27東平臺”投入工業(yè)應用，打造國內(nèi)首個全電動壓裂井場，累計完成4口井（100段）施工，平均效率為4.35段/d，生產(chǎn)效率較涪陵工區(qū)提高70.9%。同年12月，在焦頁18號平臺18天內(nèi)完成106段壓裂作業(yè)，施工效率為5.88段/d，最高達到9段/d，創(chuàng)國內(nèi)同類氣藏單日單機組施工最高紀錄。電動壓裂運行噪聲大幅下降，施工區(qū)外100m噪聲小于55dB，實現(xiàn)了24小時連續(xù)壓裂施工，充分展示了電動壓裂設備功率大、能耗低、噪聲低、安全環(huán)保等優(yōu)勢（圖1）。

圖1 電動壓裂設備在焦頁27東平臺施工

5 認識與建議

受益于國內(nèi)相關基礎工業(yè)能力的提升，依托“十三五”國家重大科技專項，石化機械注重“產(chǎn)學研用”相結合，完成了壓裂裝備研發(fā)平臺的建設，自主突破大功率電動機、變頻系統(tǒng)、壓裂泵等核心技術，實現(xiàn)了大型成套壓裂裝備的自主開發(fā)。

“產(chǎn)學研用”研發(fā)體系是項目順利實施的基礎，一體化攻關促使大型壓裂裝備研發(fā)過程中重大技術難點得以解決，提供一攬子解決方案，加快產(chǎn)品研發(fā)進程，形成一體化電動壓裂服務體系，為用戶降低成本、創(chuàng)造價值。

技術創(chuàng)新是大型壓裂裝備發(fā)展的核心，必須依靠技術突破，帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。超大功率電動成套壓裂裝備的研制及推廣，充分展現(xiàn)出大功率、高效、綠色、環(huán)保的優(yōu)勢，將成為我國非常規(guī)油氣開發(fā)提速、降本、增效的重要手段。

目前，壓裂裝備的電動化比例較低，建議國家相關部門參照電動車發(fā)展模式，制定優(yōu)惠政策，鼓勵相關企業(yè)實施壓裂裝備的電動化，引導電動壓裂裝備及應用行業(yè)的良性發(fā)展。