電驅(qū)壓裂橇研制關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

姚 孔, 路海龍, 張恒誠, 李辰旭, 趙振明, 陳國森

(1.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730714； 2.機(jī)械工業(yè)油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730314；3.甘肅省油氣鉆采裝備工程研究中心，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

壓裂裝備作為油氣增產(chǎn)增儲作業(yè)的核心關(guān)鍵裝備，主要作用是將混砂裝置提供的壓裂液通過柱塞泵增壓將高壓液體泵注入油氣井中。傳統(tǒng)壓裂裝備以柴油發(fā)動機(jī)作為動力源連接液力變矩器，液力變矩器通過傳動軸直連壓裂泵注裝置。其發(fā)動機(jī)、液力變矩器均為進(jìn)口件，交貨周期長，成本居高不下，其傳動鏈較長，傳動效率低，作業(yè)時(shí)發(fā)動機(jī)排放高、噪聲大。同時(shí)，伴隨中美貿(mào)易戰(zhàn)及新冠肺炎疫情影響，壓裂裝備國產(chǎn)化將是壓裂裝備未來3～5年重點(diǎn)發(fā)展方向。

電驅(qū)壓裂裝備通過電機(jī)直驅(qū)壓裂柱塞泵，極大降低壓裂設(shè)備制造成本，供配電裝置、高壓電機(jī)及柱塞泵均為國內(nèi)生產(chǎn)，從根本上擺脫進(jìn)口件限制，大大提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)并推動壓裂裝備國產(chǎn)化進(jìn)程。目前，西南頁巖氣開采區(qū)塊電網(wǎng)配套條件良好，為大規(guī)模實(shí)施電驅(qū)壓裂作業(yè)提供了優(yōu)良條件。

筆者重點(diǎn)通過對采油壓驅(qū)注水工藝技術(shù)作業(yè)特點(diǎn)、裝備輸出水功率需求進(jìn)行分析研究，確定電驅(qū)壓裂橇單體作業(yè)裝備技術(shù)參數(shù)，采用變頻電機(jī)直驅(qū)壓裂柱塞泵，通過變頻矢量控制關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速，構(gòu)建2500型電驅(qū)壓裂橇技術(shù)方案，通過樣機(jī)研制與試驗(yàn)驗(yàn)證了技術(shù)方案的有效性。

1 技術(shù)參數(shù)確定

壓驅(qū)注水技術(shù)，又稱為大壓差不對稱耦合注水技術(shù)，通過利用大排量、高壓泵注設(shè)備，以高于極限壓力的泵注壓力，短期連續(xù)泵注大量水，用關(guān)井、悶井、壓力驅(qū)散的方式，為井組對應(yīng)油井提供能量，提高井組開發(fā)效果。目前，該技術(shù)已在油田中得到初步應(yīng)用，效果顯著[1]。

壓驅(qū)注水工藝技術(shù)常規(guī)單口井注入液量30 000～50 000 m3；注入液體速度1 500～2 000 m3/d，入井流量1.5 m3/min，注入過程中加強(qiáng)現(xiàn)場壓驅(qū)動態(tài)跟蹤，可視壓力調(diào)整；施工限壓50 MPa，超壓后，降低排量注入；正常起注后，油壓大于50 MPa時(shí)，施工人員應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況適時(shí)套管打平衡壓。

根據(jù)注水工藝技術(shù)壓力與流量要求，施工裝備壓力限制50 MPa，施工排量最大1.5 m3/min，計(jì)算負(fù)載水功率為1 676 hp，計(jì)算如公式(1):

HHP=Q*P

(1)

式中：HHP為裝備輸出水功率，hp；Q為流量，L/s；P為排出壓力，MPa。

裝備的制動功率BHP通過公式(2)計(jì)算為1 862.5 hp：

HHP=BHP*η

(2)

式中：BHP為裝備制動功率，hp，工作效率η為0.9。

設(shè)備工作所需水功率為設(shè)備輸出水功率的68%，因此壓裂裝備輸出水馬力需配置在2 500 hp。確定2500型電驅(qū)壓裂裝置輸入功率為2 800 hp，因功率損失，輸出水馬力為2 500 hp。確定電驅(qū)壓裂裝備的動力及壓力、流量配置需求如表1所列。

表1 電驅(qū)壓裂裝備的動力及壓力、流量配置需求

2 技術(shù)方案

2.1 功能單元組成

2500型電驅(qū)壓裂橇由供配電功能單元、主電機(jī)功能單元、傳動功能單元、增壓功能單元、潤滑功能單元、冷卻功能單元、低壓吸入功能單元、高壓排出功能單元、控制功能單元及橇座附件功能單元構(gòu)成。2500型電驅(qū)壓裂橇功能單元組成如圖1所示。

圖1 2500型電驅(qū)壓裂橇功能單元組成

供配電功能單元包括10 kV高壓進(jìn)線柜，2 500 kVA整流變壓器、160 kVA輔助供電等，為主電機(jī)功能單元提供電壓。主電機(jī)功能單元包括高壓二極管整流電路、高壓薄膜電容器濾波電路、高壓IGBT三電平逆變電路、三相異步電動機(jī)及低壓控制回路，為柱塞泵提供連續(xù)動力。傳動功能單元包括萬向傳動軸，連接電機(jī)與柱塞泵。增壓功能單元包括柱塞泵動力端與液力端，將低壓液體增壓轉(zhuǎn)換為高壓液體。潤滑功能單元包括柱塞泵動力端潤滑與液力端潤滑，為柱塞泵機(jī)械零部件提供潤滑冷卻，降低磨損。冷卻功能單元包括供配電單元、高壓變頻電機(jī)及散熱風(fēng)機(jī)，為供配電單元、高壓變頻電機(jī)及動力端潤滑油提供冷卻。低壓吸入功能單元包括低壓吸入管匯，壓力傳感器、蝶閥及低壓由壬等，將混砂裝置提供的液體供給給柱塞泵。高壓排出功能單元包括高壓管匯、壓力傳感器、旋塞閥等，將柱塞泵增壓后的高壓液體泵注入井中?？刂乒δ軉卧ū镜乜刂撇僮髅姘搴瓦h(yuǎn)程控制平板電腦，完成各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制與通訊。橇座附件功能單元包括整體橇架、主電機(jī)與柱塞泵等基座，實(shí)現(xiàn)所有功能單元固定安裝與支撐。

2.2 工作原理

井場10 kV交流電進(jìn)線接入供配電功能單元高壓配電柜，通過高壓斷路器送入變壓器，二次電壓3.3 kV為主電機(jī)功能單元中的變頻一體機(jī)提供所需電源，主電機(jī)功能單元中的2 800 hp變頻一體機(jī)直接拖動增壓功能單元中的高壓柱塞泵實(shí)現(xiàn)壓裂液的吸入與排出。供配電功能單元中的輔助供電變壓器二次測380 V電壓，驅(qū)動潤滑電機(jī)、潤滑冷卻電機(jī)實(shí)現(xiàn)壓裂泵的動力端潤滑及潤滑油冷卻。

變頻一體機(jī)可實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動也可根據(jù)泵的工況實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變頻調(diào)速或恒壓供液實(shí)現(xiàn)節(jié)電和降低設(shè)備磨損。供配電單元與主電機(jī)功能單元中的變頻一體機(jī)有完善的控制與保護(hù)，包括漏電、相不平衡、過流、過壓、欠壓、電機(jī)溫度保護(hù)、軸承溫度保護(hù)等。整橇可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與控制，配置本地操作觸摸屏和遠(yuǎn)程控制平板電腦。并接受模擬量、數(shù)字量等控制方式，供配電單元采用強(qiáng)制風(fēng)冷，變頻一體機(jī)采用水冷。工作原理示意如圖2所示。

圖2 工作原理示意

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 負(fù)載環(huán)境特性匹配選型技術(shù)

2500型電驅(qū)壓裂橇用于國內(nèi)油氣田井場，擺放在戶外簡易地面上。設(shè)備需要滿足油氣增產(chǎn)壓裂作業(yè)工況，在環(huán)境溫度-29～+45 ℃，相對濕度+25 ℃時(shí)≤95%，海拔≤1 800 m的情況下，可全天候露天正常工作。必須保證每周連續(xù)工作6天、每天連續(xù)工作23 h以上，每年連續(xù)工作不低于3 000 h，在最大功率時(shí)能連續(xù)工作，能滿足惡劣的野外作業(yè)要求和持續(xù)工作能力。同時(shí)，電壓電流諧波滿足相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，避免對周圍用電造成沖擊。

依據(jù)整橇輸出負(fù)載水馬力2 500 hp，柱塞泵的輸入功率2 800 hp，選定變頻一體機(jī)的額定輸出功率2 800 hp。根據(jù)柱塞泵的輸入功率，綜合考慮電驅(qū)系統(tǒng)中電機(jī)、變頻器和變壓器的設(shè)計(jì)，從標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)、產(chǎn)品通用性、可靠性、用戶使用和維護(hù)等角度出發(fā)，功率小于3 MW，電機(jī)工作電壓確定為3 300 V，三相電機(jī)，冷卻方式選用水冷，噪音小。

根據(jù)油氣井場現(xiàn)網(wǎng)電配套電壓主要以10 kV和35 kV為主，供配電單元進(jìn)線電壓確定為10 kV。根據(jù)電機(jī)輸入電壓與電流及柱塞泵輸出負(fù)載，同時(shí)考慮變頻電機(jī)效率、變頻器效率、變壓器效率，以及諧波含量等因素，確定供配電功能單元中的變壓器容量2 500 kVA。輔助供電部分根據(jù)柱塞泵潤滑電機(jī)、散熱電機(jī)、變頻器輔助電源以及控制系統(tǒng)電源等，確定輔助控制電源容量160 kVA。選定的供配電功能單元與變頻一體機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所列。

表2 供配電功能單元與變頻一體機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.2 大功率電機(jī)及多項(xiàng)變頻控制技術(shù)

2500型電驅(qū)壓裂撬主機(jī)為3 300 V/2 800 hp變頻調(diào)速一體機(jī)，使用交流供電，逆變部分和電機(jī)部分結(jié)為一體，采用強(qiáng)制風(fēng)冷方式。電機(jī)溫度檢測信號，三相繞組溫度各1組，前、后軸承溫度各1組，均為PT100信號，通訊：RS485-Modbus RTU(變頻一體機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳，包括進(jìn)線電壓、進(jìn)線電流、電機(jī)運(yùn)行電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)輸出功率、負(fù)載率、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、故障代碼、電機(jī)繞組溫度、軸承溫度以及變頻水冷板溫度等相關(guān)信息)。

逆變器采用電流PWM控制方式。在系統(tǒng)控制上，電流源型變頻器采取磁場定向矢量控制，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)，通過速度和磁通閉環(huán)調(diào)節(jié)器分別得到定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，經(jīng)過極坐標(biāo)變換，得到定子電流幅值和負(fù)載角，定子電流的幅值作為電流環(huán)的給定值，控制晶閘管整流電路實(shí)現(xiàn)電子電流的閉環(huán)控制，負(fù)載角和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的位置角疊加在一起，用于逆變側(cè)晶閘管的觸發(fā)脈沖分配。

3.3 數(shù)字化控制技術(shù)

控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上緊緊圍繞數(shù)字化和智能化理念，減少傳統(tǒng)硬接線，使用分布式IO方式組態(tài)。同時(shí)，拋棄了傳統(tǒng)通過環(huán)網(wǎng)交換機(jī)(MRP)的組網(wǎng)方式，通過優(yōu)化的分布式CPU直接進(jìn)行環(huán)網(wǎng)組態(tài)，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備成本。

單臺撬的電氣控制系統(tǒng)為基于ET200SP的分布式結(jié)構(gòu)，每臺撬的平板電腦可對本撬和環(huán)網(wǎng)上其它撬(全部撬數(shù)≤8)進(jìn)行監(jiān)控。

多臺撬的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇镻rofinet環(huán)網(wǎng)-MRP，符合IEC62439-2工業(yè)環(huán)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都可做管理器，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)1個(gè)故障點(diǎn)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可自動重新組態(tài)，響應(yīng)時(shí)間≤200 ms。

遠(yuǎn)控箱和儀表車監(jiān)控設(shè)備可在環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的任意位置實(shí)現(xiàn)接入，對環(huán)網(wǎng)上的所有撬全部撬數(shù)≤8)進(jìn)行監(jiān)控。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 場內(nèi)試驗(yàn)

在20000psi動壓試驗(yàn)平臺系統(tǒng)完成電驅(qū)壓裂橇的性能試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制柜、動壓試驗(yàn)液控閥門組、200 m3清水循環(huán)水箱及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成。壓裂橇低壓吸入功能單元中的低壓管匯連接水箱的排出管匯，壓裂橇高壓排出功能單元中的高壓排出管匯連接液控針閥憋壓管匯的吸入端，憋壓液控針閥后端的管匯連接清水循環(huán)水箱，同時(shí)管匯中安裝有電磁流量計(jì)用于檢測柱塞泵的流量，壓裂泵安全管匯中的壓力傳感器用于測定柱塞泵的排出壓力，通過加壓保壓工藝完成電驅(qū)壓裂橇的性能試驗(yàn)、電機(jī)過載性能試驗(yàn)及連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。2500型電驅(qū)壓裂橇試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，2500型電驅(qū)壓力橇的輸出性能參數(shù)完全滿足設(shè)計(jì)輸入，滿足油氣壓裂工藝對裝備的使用需求。

4.2 工業(yè)性試驗(yàn)

2021年4月2日～4月21日，該設(shè)備在華東油田泰州采油廠北港1井累計(jì)作業(yè)時(shí)間388 h，累計(jì)理論排量30 153 m3。

在施工準(zhǔn)備階段，設(shè)備清水循環(huán)測試正常，60 MPa試壓測試正常。在正式施工過程中，充分執(zhí)行和完成了施工指揮員下達(dá)的各項(xiàng)工作指令。

表3 2500型電驅(qū)壓裂橇試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該設(shè)備在北港1井作業(yè)期間經(jīng)受住長時(shí)間、高壓力、大排量連續(xù)作業(yè)的考驗(yàn)，性能穩(wěn)定。通過上述使用和運(yùn)行考驗(yàn)，能夠證明其設(shè)計(jì)合理，技術(shù)先進(jìn)，能夠滿足壓裂、壓驅(qū)施工工藝要求，運(yùn)行可靠，可以在其他類似的工作環(huán)境下繼續(xù)使用。北港1井工業(yè)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表4～7所列。

表4 北港1井工業(yè)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

表5 清水循環(huán)測試表

表6 管線試壓表

表7 壓驅(qū)施工作業(yè)表

5 結(jié) 語

依據(jù)采油壓驅(qū)注水工藝技術(shù)作業(yè)輸出水功率需求，確定電驅(qū)壓裂橇單體設(shè)備的輸出水功率2 500 hp，建立2 500型電驅(qū)壓裂橇技術(shù)方案，對設(shè)備工作原理、組成功能單元及核心關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行描述，通過20 000 psi動壓試驗(yàn)平臺及華東油田壓驅(qū)注水工業(yè)性試驗(yàn)對設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性進(jìn)行有效驗(yàn)證，結(jié)果表明，電驅(qū)壓裂裝備實(shí)現(xiàn)了高效、節(jié)能、環(huán)保、綠色的油氣田開采需求，完全滿足采油壓驅(qū)注水工藝技術(shù)作業(yè)需求。對正在開展壓驅(qū)注水工藝的大慶油田、勝利油田、華東油田提供設(shè)備保障。設(shè)備的研制成功為電驅(qū)壓裂裝備的市場推廣、工業(yè)化應(yīng)用具有重要實(shí)際意義。