謝 猛，張樹立

（1.煙臺杰瑞石油服務集團股份有限公司，山東 煙臺 264003；2.煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司，山東 煙臺 264003）

隨著油價的不斷提高，降低發(fā)動機的運行成本成為目前行業(yè)研究的重要課題。油氣田壓裂設備是油氣田增產(chǎn)措施中的重要設備，其在致密氣、頁巖氣壓裂作業(yè)時設備相對固定時間長、工作時間長、功率消耗大、燃油消耗高，降低作業(yè)成本成為了一個重要的要求。近兩年隨著電驅(qū)動壓裂設備的開發(fā)與推廣，有了比較明顯的節(jié)能效果。但對于現(xiàn)存的柴油機驅(qū)動的壓裂設備，特別是對于用于頁巖氣壓裂作業(yè)的柴油機驅(qū)動的壓裂設備來講，如何降低燃料成本對于施工方來講是一個重要的課題。天然氣是比較經(jīng)濟的能源，而且頁巖氣的井場氣源比較充足，但如果采用天然氣發(fā)動機對于壓裂設備來講面臨較大的困難，一是天然氣發(fā)動機較相同功率的柴油發(fā)動機的采購成本高，二是壓裂設備特別是車載設備受到車輛載荷的限制，天然氣發(fā)動機較相同功率的柴油發(fā)動機體積大、重量重，不適合在壓裂設備上應用。所以對于現(xiàn)有的柴油機驅(qū)動的壓裂設備，采用何種方案來降低燃料成本？出租車油改氣已經(jīng)是大家非常了解的了，這種點燃方式的汽油機改為CNG燃料比較簡單，但對于柴油機來講就需要研究新的燃料替代方案。美國Altronic公司于20世紀60～70年代就開始推出的一種主要針對重型柴油機的GTI雙燃料改造系統(tǒng)，在不改變柴油機原有構造的情況下，實現(xiàn)天然氣替代柴油做燃料。而且國內(nèi)也對柴油機雙燃料系統(tǒng)進行了研究和開發(fā)，并在中小型發(fā)電機組、重型卡車、石油鉆機動力等領域有所應用。

1 GTI雙燃料系統(tǒng)技術介紹

1.1 GTI雙燃料系統(tǒng)的組成和工作原理

GTI雙燃料系統(tǒng)組成包括一套燃氣管路與混合系統(tǒng)和一套控制系統(tǒng)。燃氣管路與混合系統(tǒng)包括過濾精度50 um的燃氣過濾器、調(diào)節(jié)燃氣壓力的調(diào)節(jié)閥、控制燃氣的電磁開關閥、調(diào)節(jié)燃氣量的功率閥和空氣/燃氣的混合器。控制系統(tǒng)通過各個傳感器的檢測實現(xiàn)對進氣歧管的壓力和溫度、發(fā)動機的真空度、尾氣排放的溫度、發(fā)動機的爆震以及供氣壓力的控制與監(jiān)控，并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

發(fā)動機的啟動是依靠柴油啟動的。隨著發(fā)動機轉速的升高，渦輪增壓器參與工作，渦輪增壓器之前的壓力低于大氣壓，GTI控制系統(tǒng)各傳感器檢測發(fā)動機各個運行參數(shù)。當達到工作條件時，GTI系統(tǒng)混合器內(nèi)的甲烷氣體和空氣一起被吸入增壓器進入氣缸參與燃燒，來替代一部分柴油。GTI系統(tǒng)的燃氣壓力調(diào)節(jié)閥將甲烷氣體壓力進行調(diào)壓處理，保持零壓，由燃氣功率閥嚴格控制混合的比例不超過3%，低于甲烷的自燃爆炸5%～15%的濃度，有效防止柴油機“飛車”和無法熄火，屬于完全被動式工作。發(fā)動機停止工作時，開關閥關閉，甲烷氣體不會被吸入發(fā)動機。當沒有氣源時，可以關閉GTI系統(tǒng)，發(fā)動機只在柴油模式下工作。

甲烷氣體的爆炸極限濃度在5%～15%，由于GTI混合器的特殊結構，保證摻入的甲烷氣體不會超過3%，所以所能替代柴油的消耗量最多為70%，并且只會提高不會降低柴油機的使用性能。

1.2 GTI雙燃料系統(tǒng)的特點

GTI 雙燃料系統(tǒng)具有以下主要特點：

①專門為重載柴油機設計，不僅適合持續(xù)運轉工況，也適合間歇工作工況；②不對柴油機本體進行改動，只在柴油機的空氣濾清器和渦輪增壓器之間加裝混合器；③加裝GTI系統(tǒng)后，保持原柴油機的輸出功率不變；④被動吸入式工作，對燃氣壓力要求不高，1-5Psig即可滿足要求；⑤不對柴油機本體進行改動，改造成本低，改造以后，可以降低運行成本；⑥改造后減少柴油燃燒量，減少積碳和顆粒的產(chǎn)生，減少對缸套、活塞環(huán)的磨損，降低維護成本；⑦系統(tǒng)可以自動在柴油模式/雙燃料模式之間切換，能夠適應不穩(wěn)定的燃氣供應；⑧完善的控制和監(jiān)控系統(tǒng)，并可通過RS232/485 接入柴油機原有的監(jiān)控系統(tǒng)。

1.3 可燃氣體適用性

經(jīng)過試驗和實際應用證明，GTI 雙燃料技術可以適合多種氣體，包括井口天然氣、油井伴生氣、壓縮天然氣（CNG）、液化天然氣（LNG）、煤層氣、生物氣等氣體燃料，這些氣體進行過濾、脫水、脫硫和去除雜質(zhì)等預處理即可使用。

2 GTI雙燃料系統(tǒng)在頁巖氣壓裂設備上的應用

2.1 GTI雙燃料在頁巖氣壓裂設備應用實例

GTI雙燃料系統(tǒng)在國外已經(jīng)有較多的應用，包括知名的油田服務斯倫貝謝、貝克休斯的鉆井動力、發(fā)電機組等，在國內(nèi)的鉆機發(fā)電機組上也有少量的改造應用。煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司早在2012年就開始對GTI雙燃料在壓裂機組上的應用進行研究，2015年首次將該技術應用到中國制造的2000型壓裂設備上。該壓裂設備的柴油發(fā)動機為MTU-DDC 12V4000，GTI雙燃料系統(tǒng)安裝如圖2所示。經(jīng)在廠內(nèi)測試最大的燃油替代率能夠達到70%，發(fā)動機能夠在效率、穩(wěn)定性、負荷響應能力等方面和原發(fā)動機相同的性能。發(fā)動機可以在全柴油模式和雙燃料模式之間順利相互切換，并且維持轉速和輸出功率不變，使用效果良好。之后又對一套10臺壓裂機組進行了GTI雙燃料系統(tǒng)進行了安裝應用與測試，測試照片如圖3所示。并將該套壓裂機組成功出口美國。

圖2 GTI雙燃料系統(tǒng)在壓裂設備上的安裝照片

圖3 裝有GTI雙燃料系統(tǒng)的2000型壓裂機組測試

2.2 GTI雙燃料改造的綜合效益

GTI 雙燃料改造技術主要是通過減少柴油的使用量來降低運行成本，帶來可觀的經(jīng)濟效益的同時，雙燃料改造也將會給客戶帶來其他的效益：

（1）減少柴油使用量，降低運行燃料成本。以上述2000型壓裂橇組為例，發(fā)動機功率為1680 kW（2 250 hp），發(fā)動機的燃油消耗率為0.202 kg/kW·h，按照平均功率1 343 kW（1 800 hp），每年工作2 000 h，按照目前油價時期0#柴油8元/kg計算則運行一年的柴油成本為：

1 343 kW×0.202 kg/kW·h×8.0RMB/kg×2 000 h≈434萬元

經(jīng)過GTI 雙燃料技術改造之后，按照最大70%的天然氣替代量，天然氣平均單價按照4.5 元/m3計算，發(fā)動機的總排量為48.7 L，進氣壓力為2.5大氣壓 ，按照進氣中3%的天然氣，每千瓦小時消耗的天然氣量為：48.7 L×0.03×2.5×1 900/2×60×60/1680=744 L

總的燃料成本為：

柴油成本：343×0.3≈103萬元

天然氣成本：1 343 kW×0.7×0.744 m3/kWh x 2000 x 4.5元/m3≈63萬元

總成本為：103+63=166萬元

節(jié)約成本：434-166=268萬元

一臺12V4000 柴油發(fā)動機的改造成本按照40萬元計算，大概兩個月可回收投資成本。按照頁巖氣工廠化壓裂的規(guī)模，平均每套機組16臺2000型壓裂設備作業(yè)，一年可節(jié)省燃油費用4288萬元，如果使用井口氣，加上預處理費用的平均價格在1元/m3左右，則經(jīng)濟效益更加可觀。

（2）減少廢氣排放，清潔環(huán)保。發(fā)動機經(jīng)過GTI雙燃料系統(tǒng)改造之后，排放廢氣中的有害物質(zhì)大大減少，從測試得到的雙燃料發(fā)動機排放指標圖如圖4中可以看出，氮氧化合物減少15%～30%，碳氫化合物減少20%～80%，硫氧化合物減少50%～70%，顆粒物（PM）減少20%～50%，排氣煙度（OPACITY）減少30%～50%，非常有利于環(huán)境的保護。

圖4 雙燃料發(fā)動機排放指標圖

（3）適應不穩(wěn)定燃氣供應。GTI系統(tǒng)有較強的氣體兼容性，多種氣體可以供應以滿足使用，只要根據(jù)不同的氣體經(jīng)過簡單的預處理通過調(diào)節(jié)燃氣功率閥即可滿足使用。另外GTI系統(tǒng)的天然氣壓力較低，只需1～5psig即可，不需要高壓管線，比較安全，管線成本較低。

（4）減少發(fā)動機維護，延長發(fā)動機使用壽命。燃燒部分天然氣，減少柴油燃燒量，有效減少積碳和顆粒的產(chǎn)生，減少對發(fā)動機缸套、活塞環(huán)的磨損，延長大修周期和機油更換周期，延長發(fā)動機的使用壽命，維護成本低，從而降低壓裂作業(yè)的成本。

（5）與純天然氣發(fā)動機相比，使用GTI雙燃料系統(tǒng)改造柴油機具有初期成本更低、能適應不穩(wěn)定燃氣、效率更高、減小體積和重量、減少操作和維護成本等優(yōu)點。

2.3 使用的主要事項

（1）嚴格控制天然氣的添加量，防止發(fā)動機爆震。甲烷的自燃爆炸濃度5%～15%，所以發(fā)動機吸入天然氣和空氣的混合的比例要嚴格限制不超過3%，防止發(fā)動機爆震，以免造成柴油機“飛車”事故。

（2）做好天然氣的前處理。特別是使用井口氣作為氣源時，做好脫水和除雜質(zhì)，防止管路堵塞造成供氣不暢，還要做好脫硫處理，防止硫進入發(fā)動機氣缸燃燒產(chǎn)生的硫化物對發(fā)動機的腐蝕。

3 GTI雙燃料系統(tǒng)在頁巖氣壓裂設備上的應用前景

在美國，GTI系統(tǒng)也正迅速被應用于頁巖氣壓裂作業(yè)。由于頁巖氣壓裂每隔80 m左右的距離就要壓裂一次，持續(xù)多處壓裂，產(chǎn)生的氣體經(jīng)處理可以給GTI雙燃料系統(tǒng)供氣，并且輸送管道也不需要高壓，基本與家中天然氣膠管的壓力相當，管線成本也低，適合給壓裂車供氣，延長大修周期和機油更換周期，降低壓裂成本也是十分可觀的。

我國頁巖氣儲量豐富，開發(fā)前景非常可觀，配備GTI雙燃料系統(tǒng)的壓裂設備具有更加環(huán)保、節(jié)能、安全、低成本、延長發(fā)動機壽命等特點，對于頁巖氣開發(fā)壓裂作業(yè)有較大的經(jīng)濟價值，在我國頁巖氣開發(fā)上具有非常好的應用前景。