近日，石化機械針對超深層壓裂規(guī)模大、高壓下壓裂泵壽命短、單機功率小、設備配套數(shù)量多等難題，研制出最新一代連續(xù)滿載數(shù)智化全電動壓裂裝備，在焦頁32平臺完成3口井122段壓裂作業(yè)，累計使用244小時，單機輸出排量2~2.9立方米/分鐘，設備平均負載率41%~60%，同工況下相較上一代產品性能提升40%，機組裝備數(shù)量減少33%。
　　石化機械研制的數(shù)智化全電動壓裂裝備曾在國家頁巖油先導示范區(qū)重點工程樊頁1試驗井組應用，打破了勝利東部油區(qū)單井段數(shù)最多施工紀錄，實現(xiàn)全自動模式下供液、供砂系統(tǒng)自運行。隨后，勝利牛頁1試驗井組同時應用兩套數(shù)字化指揮中心打造“聯(lián)合艦隊”，首創(chuàng)頁巖油雙機組同步電動壓裂新模式，通過智能變頻、裝備集群化控制技術實現(xiàn)“零排放”作業(yè)，7×24小時持續(xù)輸出綠色能量，不僅助力打造“綠色開采示范區(qū)”，而且填補了“同步電動壓裂”裝備技術空白。
　　前沿攻堅從藍圖到實物的跨越
　　壓裂裝備是實現(xiàn)增產的核心設備之一，是從“低效難采”向“高效經濟”跨越的核心驅動力。20世紀80年代末以來，石化機械四機公司先后開發(fā)出國內首套700型、1000型、1800型、2000型壓裂機組。2008年，由石化機械自主研發(fā)制造的世界首套車載式2500型壓裂機組亮相普光氣田大型酸壓現(xiàn)場。2013年，功率更大、馬力更強、自動化控制程度更高的3000型壓裂車問世，并在涪陵國家級頁巖氣示范區(qū)建設中大展身手，成為主力裝備。2014年8月，在焦頁42號平臺當時國內最大規(guī)模的“井工廠”交叉壓裂施工中，3000型壓裂裝備創(chuàng)下7項壓裂施工新紀錄。
　　但新的困擾隨之而來。“20多臺壓裂車同時作業(yè)，像聯(lián)合艦隊，壯觀，但噪聲也大。”石化機械著力突破大功率電動驅動系統(tǒng)關鍵技術瓶頸，研制5000型超大功率電動壓裂裝備，適配壓裂作業(yè)復雜工況。
　　2017年12月，石化機械研發(fā)的首臺電動壓裂泵裝置在涪陵193平臺完成先導試驗，隨后，歷經單臺工業(yè)試驗、油電混合壓裂到全電動成套壓裂。
　　2020年5月，超大功率全電動壓裂成套設備在涪陵頁巖氣田焦頁27東平臺成功開展工業(yè)試驗，首次從主壓裝備到輔助設備實現(xiàn)100%電動化、橇裝化。
　　該成套設備的核心——超大功率電動壓裂裝置采用多相變頻電驅動壓裂泵系統(tǒng)，是基于中國高鐵變速控制技術的自主創(chuàng)新，部件國產化率超過95%。與傳統(tǒng)壓裂裝備相比，該成套設備取得了機組功率智能匹配、裝備集群控制和遠程數(shù)據(jù)管理等7項創(chuàng)新成果，功率更大、智能更高，二氧化碳、氮氧化物等實現(xiàn)零排放，且降噪20%以上。
　　數(shù)智領航智慧大腦賦能開采
　　隨著頁巖油氣勘探開發(fā)深度紀錄被不斷刷新，為了更有效地壓開地層，形成更復雜的裂縫網(wǎng)絡，從而增加油氣的滲流通道、提高油氣產量，智能成為研制壓裂裝備的關鍵詞。
　　給壓裂裝備裝上“最強大腦”，利用大數(shù)據(jù)算法與人工智能模型，精準調控壓裂泵注程序成為趨勢。操作人員在遠離井場的中控室，面對可視化大屏，就能依托電腦分析決策，實現(xiàn)遠程、精準、自動化作業(yè)，大幅提升壓裂效率，將過去粗放式壓裂帶入精細化時代。
　　石化機械基于自主開發(fā)的SOFElink智能控制平臺，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智慧云平臺等先進技術，實施信息技術改造和作業(yè)全流程優(yōu)化，將企業(yè)生產經營全業(yè)務鏈數(shù)據(jù)化整合，推進信息技術和油氣裝備深度融合，促進生產效率提升和裝備應用的數(shù)字化智能化轉型升級。
　　石化機械聯(lián)合江漢石油工程，在涪陵頁巖氣田開展混砂、供配液、液罐液位等輔助裝置的自動化技術攻關，初步實現(xiàn)主、輔裝備的遠程集中控制，推動了壓裂全井場施工現(xiàn)場操作的無人化。
　　2024年，石化機械在勝利油田將5G技術應用于大功率油氣壓裂機組施工中，現(xiàn)場部署16套壓裂裝備，包括12臺主壓電驅壓裂橇、2臺泵送電驅壓裂橇、1個雙擴數(shù)字化控制中心和1套低壓全流程系統(tǒng)，設備及視頻全部接入壓裂機組5G系統(tǒng)，實現(xiàn)可視化遠程監(jiān)控、高清視頻并發(fā)傳輸、實時監(jiān)測與集群控制，引領壓裂增產作業(yè)邁入全機組5G無線時代。
　　綠色智能低碳變革驅動未來
　　為實現(xiàn)綠色施工，新型壓裂設備正向低噪聲、低污染、節(jié)能環(huán)保、智能化方向發(fā)展，不僅具備遠程監(jiān)控、自動調節(jié)等功能，而且能夠根據(jù)實際工況實時優(yōu)化，提高作業(yè)效率和安全性。
　　石化機械為了促進壓裂裝備迭代升級、提升壓裂時效，著力攻關工藝流程和自動控制技術，開展智能化平臺設計，實現(xiàn)從供液、混砂到泵注的全流程電動化，配套電網(wǎng)負荷預測技術確保供電可靠性。實現(xiàn)“全流程供液供砂”遠程一鍵式控制、“壓裂泵、高壓管匯和井口閥門”高壓流程的一鍵控制，支持作業(yè)指令一鍵下發(fā)。壓裂參數(shù)毫秒級動態(tài)優(yōu)化，施工誤差控制在±0.5%，較人工操作精度提升20倍，并具備設備健康自診斷、故障預判等能力。
　　石化機械不僅將綠色智能壓裂裝備應用在陸地，還為中國首艘海洋壓裂船打造了核心裝備。該公司攜手國內知名海工產品制造商、研究所、高等院校，充分考慮與陸地壓裂裝備的差異性，將壓裂作業(yè)系統(tǒng)功能和船舶功能分解、重組和融合，歷時8個月，最終形成16種關鍵裝置及集成式多層結構布局方案，為我國首艘海洋壓裂船提供了5000型電驅壓裂橇、HS20型電驅混砂橇、電驅混配橇、高壓軟管滾筒、高壓管匯系統(tǒng)等超過100臺（套）關鍵配套設備，填補了我國海上油田壓裂技術和工程領域的空白。
　　從柴驅到電驅、從人工操作到一鍵式操作、從單機到集群、從陸地到海洋，石化機械以“智造大國重器服務能源安全”為職責使命，以高端化、綠色化、智能化壓裂裝備引領能源開發(fā)的技術變革。
　　企業(yè)實踐
　　勝利油田濟陽頁巖油：智能裝備驅動壓裂效率翻倍
　　□徐海峰陳民顧珍時
　　6月6日，樊頁2HF井組迎來第40段壓裂施工，負責指揮的王晨星下達加砂指令，操作人員在電腦屏幕上輕松完成加砂量調整。
　　“幾年前，想都不敢想。”王晨星對工作環(huán)境的變化深有感觸，“以前在太陽下施工，一身工衣一身汗；現(xiàn)在在空調房里，頗有‘白領’的感覺。”
　　從“沒人干”到“搶著干”，背后是頁巖油智能壓裂裝備的升級。為更好滿足頁巖油開發(fā)施工需要，勝利石油工程井下作業(yè)公司先后引進5000型電驅壓裂橇、電驅混砂橇、140兆帕遠程控制高壓管匯等裝備，現(xiàn)場設備自動化、智能化水平顯著提升。
　　作為現(xiàn)場應用的受益者，井下作業(yè)公司壓裂五中隊經理朱國菘感觸最深的是，施工人員少了近一半，施工強度降低了，壓裂質量和速度卻明顯提升，也更加安全環(huán)保。
　　與傳統(tǒng)柴油驅動相比，電動裝備動力更足，用更少壓裂車便能滿足施工需求，降低了對現(xiàn)場空間的需求。
　　朱國菘介紹，柴驅車組每壓裂1段，需耗費約6噸柴油，頻繁的加油工作量和設備維護工作，使得兩段壓裂間隔近3小時，加之噪聲高，夜間施工受限。
　　電動裝備每天施工段數(shù)則實現(xiàn)翻番，在五六段。在樊頁1擴試驗井組壓裂施工中，創(chuàng)下了國內東部油區(qū)頁巖油水平井施工總液量、加砂量最大，以及單日壓裂施工7段的高指標、新紀錄。
　　施工現(xiàn)場的數(shù)字控制中心內，施工人員在電腦內輸入相應數(shù)據(jù)，就能精準地自動調節(jié)排量、砂比、化工料量等參數(shù)。“以往通過手動調整，勢必有響應誤差，在一定程度上影響施工質量。”朱國菘說。
　　頁巖油井組普遍采取“拉鏈化”壓裂，幾口井同步壓裂，減少等停環(huán)節(jié)，效率更高。而現(xiàn)場三四十個閘閥，一旦開關錯誤，便會導致工程事故。新裝備的液控系統(tǒng)，內含邏輯控制元件，大大減少誤操作的概率。
　　壓裂井場幾十公里外的井下作業(yè)公司技術研發(fā)中心內，副經理袁浩文依托壓裂遠程支持決策系統(tǒng)，緊盯大屏上壓裂曲線的各項參數(shù)，與現(xiàn)場時刻保持對話：“壓力異常升高，需靈活調整施工排量、加砂濃度、壓裂液性能等參數(shù)來確保壓裂施工安全平穩(wěn)。”
　　目前，該系統(tǒng)正在穩(wěn)步運行中，實現(xiàn)一名專家為多個施工現(xiàn)場提供技術服務。“隨著決策系統(tǒng)不斷迭代升級，實現(xiàn)前方指揮部后移、多線程支撐多個現(xiàn)場，為智能化壓裂做好技術探索。”袁浩文表示，智能壓裂裝備和數(shù)字化決策可有效助力頁巖油井獲得高產。
　　江漢油田涪陵頁巖氣：壓裂實現(xiàn)“看著裂縫指揮”
　　□劉冬婭王帥
　　“焦頁9-11HF井前14段壓裂的裂縫擴展情況良好，改造裂縫均達到了目的?？梢园凑赵O計進入下一段壓裂施工……”
　　在江漢油田產建管理中心一體化壓裂決策中心辦公室，江漢油田工程院儲層改造所所長張凡根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)纳a信息，得出了施工順利的結論，隨后下達生產指令。
　　看得見現(xiàn)場，看得到地下。這就是涪陵頁巖氣田壓裂施工智能監(jiān)控的現(xiàn)狀。
　　新增添的智能監(jiān)控系統(tǒng)，讓遠程指揮人員仿佛有了“透視千里眼”。其主屏宛如“壓裂管理中樞”，利用三維地質建模與實時數(shù)據(jù)融合技術，采用“機理模型+大數(shù)據(jù)訓練”形成了兩種裂縫擴展模型，實現(xiàn)了在壓裂過程中快速擬合井下裂縫三維形態(tài)，如同為遠程指揮人員安上透視鏡，在行業(yè)內率先實現(xiàn)了“從看著曲線指揮到看著裂縫指揮”的轉變；副屏則作為“現(xiàn)場監(jiān)控中心”，接入了現(xiàn)場視頻監(jiān)測系統(tǒng)和儀表遠傳控制系統(tǒng)，通過高清視頻與傳感器網(wǎng)絡，實時展示壓裂現(xiàn)場的設備運行狀況、關鍵參數(shù)及施工畫面，實現(xiàn)壓裂作業(yè)全方位可視化管控。遠程監(jiān)督人員可在線判斷供液、供砂情況，判斷排量是否有富余，功率是否正常，進而把裝備的能力發(fā)揮到極限。當決策中心需要下達調整指令時，就可以通過5G傳輸對講系統(tǒng)，將指令第一時間傳達至現(xiàn)場。
　　此外，新建立的三維動態(tài)地質模型就像向導，能找到頁巖氣富集區(qū)。借助這個模型，壓裂施工前可以設計新井的井眼軌跡，明確風險點，鎖定最佳“甜點”區(qū)，更好地開展地下巖石新裂縫的設計工作，讓新縫、老縫和天然裂縫相互連通、協(xié)同作用，形成一個高效的裂縫網(wǎng)絡系統(tǒng)。
　　以往評價壓裂效果需要先錄取資料再計算，要四五個小時?，F(xiàn)在“動態(tài)監(jiān)測+量化評估體系”可通過微地震、廣域地磁、光纖監(jiān)測等監(jiān)測技術的應用，形成對模擬結果的相互印證，可以實時看到井下裂縫的延伸方向和高度，為壓裂調控提供更加全面的決策依據(jù)，對壓裂效果實時評價。
　　目前，涪陵頁巖氣田智能壓裂系統(tǒng)已成功打通中國石化工程院實時裂縫模擬與中國地質大學（武漢）三維模型的數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的深度融合與共享。同時，5個壓裂施工平臺模型已完成云端部署，相關人員可隨時隨地調取生產數(shù)據(jù)進行分析研究。
　　涪陵頁巖氣田智能壓裂系統(tǒng)的成功應用，標志著我國頁巖氣井壓裂技術向智能化、數(shù)字化邁出重要一步。
　　專家視點：壓裂裝備從人工操作轉向遠程智控
　　□石化機械鉆采裝備領域高級專家王云海
　　我國石油工業(yè)發(fā)展初期，壓裂裝備依賴進口，核心技術被國外壟斷長達30余年。1989年以來，石化機械四機公司先后成功研制700型、1000型、1800型壓裂裝備，徹底打破了國外技術壟斷。剛研制成功的最新一代連續(xù)滿載數(shù)智化全電動壓裂裝置標志著我國壓裂裝備已經達到了國際領先水平。
　　最早的壓裂裝備都是人工操作的，設備的啟動、混砂、配液都由人工啟停。2006年后，四機公司與國內高校合作，研究數(shù)字化成套壓裂裝備系統(tǒng)集成技術，開發(fā)了2500型成套壓裂裝備，將數(shù)字化技術引入壓裂作業(yè)，實現(xiàn)了壓裂裝備的部分單機自動化、主體設備的集中控制、基本的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。但此時的數(shù)據(jù)處理和分析能力有限，主要用于簡單的工況判斷和安全預警。
　　為滿足深層、超深層油氣藏及非常規(guī)油氣開發(fā)需求，壓裂裝備向多功能集成化、智能化、綠色化方向迭代發(fā)展。石化機械研制了兼顧節(jié)能環(huán)保、高效率和安全性的世界首臺（套）5000型電動壓裂裝備，單機最大輸出功率達5000馬力。該裝備通過電機直接驅動，取消柴油機、液力變矩器和變箱速配置，裝備國產化率由50%提升到95%。同時，搭載了石化機械四機賽瓦公司自主研制的SOFElink系統(tǒng)，分析壓裂施工數(shù)據(jù)，優(yōu)化施工參數(shù)和流程，實現(xiàn)壓裂液的快速配制和供應，體現(xiàn)模塊化、少人化，降低作業(yè)成本、縮短施工周期。這一階段的壓裂裝備為進階數(shù)智化壓裂裝備提供了更多的參考。
　　近年來，石化機械采用國際主流的五缸壓裂泵結構，將壓裂作業(yè)中的多種功能集于一體，如混砂車、壓裂車、儀表車等設備的一體化設計，減少設備的數(shù)量和占地面積，提高井場的空間利用率和作業(yè)的協(xié)同性。在同等壓裂規(guī)模下，壓裂裝備數(shù)量減少25%以上，解決了壓裂裝備數(shù)量多、功率提升難的問題，性能指標達到國際領先水平。借助5G、物聯(lián)網(wǎng)等通信技術，實現(xiàn)對壓裂裝備的遠程實時監(jiān)控和故障診斷。操作人員可以在遠離井場的控制中心對設備進行遠程操作和管理，減少現(xiàn)場工作人員數(shù)量，降低勞動強度和作業(yè)風險。通過數(shù)據(jù)分析和預測性維護技術，提前預測設備故障，及時進行維護和保養(yǎng)，提高設備的可靠性、延長使用壽命。
　　未來，基于大數(shù)據(jù)分析和機器學習算法，壓裂裝備將具備更強的智能決策能力，系統(tǒng)可以對大量的歷史壓裂數(shù)據(jù)和實時施工數(shù)據(jù)進行分析，為不同的油氣田區(qū)塊、不同的地層條件提供個性化的壓裂方案。
　　壓裂技術從經驗驅動轉向數(shù)據(jù)驅動
　　□石油工程技術研究院專家卞曉冰
　　在油氣開發(fā)領域，壓裂技術作為釋放地層潛能、提升油氣井產量的核心手段，正經歷從經驗驅動向數(shù)據(jù)驅動的范式轉變。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術深度應用，全球油氣行業(yè)正加快推進壓裂作業(yè)智能化進程，加速構建涵蓋井下、地面、作業(yè)中心的自動化、智能化壓裂技術體系，預期打造出壓裂方案“一鍵式”設計、壓裂風險超前預測、壓裂施工智能優(yōu)化決策與全電動壓裂裝備智能調控的閉環(huán)控制系統(tǒng)。當前，該技術整體處于學術性研究向工業(yè)級應用的過渡階段，有著廣闊的發(fā)展前景。
　　2020年后，國際油服公司相繼推出了集監(jiān)測、預警、調控于一體的智能壓裂操作系統(tǒng)及裝備，包括哈里伯頓的SmartFleet、斯倫貝謝的StimCommander、貝克休斯的CyberFrac等，壓裂簇裂縫均勻性提高30%，單井完井成本降低25%，產量提高20%。國內以中國石油、中國石化為代表的石油公司已經建立了遠程技術決策中心，具備智能壓裂實時數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)測、分析與優(yōu)化的基礎條件，但智能壓裂技術研發(fā)與應用總體仍處于起步階段。
　　2024年，工程院聯(lián)合物探院、機械公司、江漢油田、中原油田、國勘公司等單位，聚焦“非常規(guī)油氣藏壓裂智能優(yōu)化技術及裝備研發(fā)”，針對儲層改造技術“壓前-壓中-壓后”全鏈條，初步搭建了集基礎數(shù)據(jù)采集、處理、分析、優(yōu)化及調控于一體的全場景智能壓裂云平臺，在智能壓裂設計、智能施工決策、智能監(jiān)測解釋、智能壓裂裝備等方面取得了階段性進展。
　　智能壓裂云平臺由4個子系統(tǒng)構成，壓裂設計輔助優(yōu)化子系統(tǒng)相較傳統(tǒng)設計流程，不僅提高了壓裂設計的科學性，而且節(jié)約了80%的人工時間；壓裂智能施工輔助決策子系統(tǒng)初步實現(xiàn)了壓裂“可視化”，可以提前預警砂堵等風險并給出科學決策；壓裂智能監(jiān)測解釋子系統(tǒng)實現(xiàn)壓裂現(xiàn)場簇級精度的進液進砂量實時精準計算，且形成了壓裂現(xiàn)場實時監(jiān)測解決方案；壓裂智能控制子系統(tǒng)構建了壓裂全鏈路遠程集控平臺，實現(xiàn)壓裂機組排量一鍵設定及智能調控，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場無人化操作。
　　當今石油工業(yè)已步入軟件智能化及裝備高端化升級階段。構建壓前-壓中-壓后全生命周期的“數(shù)據(jù)采集-智能設計-智能決策-指令執(zhí)行”全鏈路閉環(huán)，開發(fā)融合物聯(lián)網(wǎng)感知、協(xié)同決策與群智控制等技術的地面-地下實時調控及預警一體化平臺，是智能壓裂技術的未來發(fā)展方向。大型語言模型有望成為石油勘探開發(fā)行業(yè)全面數(shù)字化轉型的助推器，下一步可依托長城大模型構建壓裂知識圖譜，探索大語言基座模型在壓裂業(yè)務垂直場景落地的可行性，建立全生命周期數(shù)字孿生模型，構建壓裂實時決策智能體，進一步突破傳統(tǒng)人機交互效能瓶頸，同時，需加快集約化智能壓裂機組研制，通過攻關大功率設備集成技術，開發(fā)高性能供砂、混砂及管匯裝置，通過軟硬件交互耦合，實現(xiàn)成套裝備集約化和智能化。