2500型電驅(qū)壓裂車研制及試驗(yàn)研究

李雙鵬, 杜海波, 劉傲, 朱孟偉, 彭俊威, 王清

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞721002；2. 四川寶石機(jī)械專用車有限公司，四川 廣漢618300；3.川慶鉆探井下作業(yè)公司，成都610000；4.四川寶石機(jī)械石油鉆頭有限責(zé)任公司，成都610000）

0 引 言

近年來，水平井和水平井分段壓裂技術(shù)已經(jīng)成為改造低滲透油氣藏和開發(fā)深部油氣藏的主要手段，《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》指出，我國力爭2020年頁巖氣產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)300×108m3，2030 年實(shí)現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)量(800～1000)×108m3，2020-2030年我國頁巖氣將進(jìn)入快速發(fā)展階段[1]，隨著頁巖氣勘探和開發(fā)不斷深入，頁巖氣開發(fā)對壓裂裝備采購使用成本和維護(hù)性能提出了更高要求，各大壓裂裝備廠家加大對電驅(qū)壓裂裝備研制，伴隨著國家電網(wǎng)大力建設(shè)和燃?xì)廨啓C(jī)大規(guī)模應(yīng)用，為壓裂平臺大容量供電提供了保障，壓裂裝備電驅(qū)成套化成為可能。

目前，北美電驅(qū)壓裂裝備廠家以USWS為代表，由于北美地區(qū)道路平坦，通過性良好，電驅(qū)壓裂裝備以拖車結(jié)構(gòu)形式為主，通過渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電供給電驅(qū)壓裂車組。鑒于國外電力容量受限，電驅(qū)壓裂裝備并沒有得到大規(guī)模應(yīng)用[2-5]。國內(nèi)電驅(qū)壓裂裝備廠家以四川宏華和中石化四機(jī)石油機(jī)械為代表，其生產(chǎn)的電驅(qū)動(dòng)壓裂裝備包括電動(dòng)壓裂泵橇和VFD變頻橇，兩部分組合形成一個(gè)完整的電驅(qū)壓裂單元，先后在四川與重慶頁巖氣平臺開展了現(xiàn)場壓裂作業(yè)，其中四川宏華采用6000型電動(dòng)壓裂泵橇，中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司開發(fā)的4500型電動(dòng)壓裂橇采用單電動(dòng)機(jī)和雙泵結(jié)構(gòu)形式，兩家產(chǎn)品均是將變頻器與電動(dòng)機(jī)分開放置，若電動(dòng)機(jī)與變頻器之間距離過長，電纜與地之間的分布電容引起的諧波將影響變頻器的電壓輸出波形，造成電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，伴有振動(dòng)和噪聲，甚至有可能損壞電動(dòng)機(jī)。同時(shí)會在變頻器側(cè)形成較強(qiáng)的電磁干擾，且將變頻裝置與壓裂泵采用橇裝形式，存在移運(yùn)性差的缺點(diǎn)，容易增加井場安全風(fēng)險(xiǎn)。寶石機(jī)械根據(jù)目前頁巖氣開發(fā)需求，開發(fā)新型2500型電驅(qū)壓裂車，底盤上裝供配電/變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)和壓裂泵，因變頻驅(qū)動(dòng)單元與電動(dòng)機(jī)安裝在一起，諧波風(fēng)險(xiǎn)大大降低，對變頻器與電動(dòng)機(jī)均增大了電氣可靠性，集成度更高，移動(dòng)性也好，可有效替代目前使用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓裂作業(yè)模式，不僅節(jié)省作業(yè)成本，還能降低安全事故風(fēng)險(xiǎn)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體設(shè)計(jì)介紹

2500型電驅(qū)壓裂車采用車載結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)選供配電/變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)和壓裂泵，提高整車集成度，同時(shí)盡可能降低整車質(zhì)量，滿足通用性底盤承載要求。目前較為成熟穩(wěn)定的傳統(tǒng)2500型柴油機(jī)壓裂車滿載總質(zhì)量達(dá)到45 t，對承載底盤行駛性、越野性及安全性要求高。2500型電驅(qū)壓裂車整車滿載質(zhì)量為43.5 t，同時(shí)減小了整車外形尺寸，底盤只提供行走功能，不需為上裝部件提供動(dòng)力，降低了承載底盤要求，可選底盤廠家較多，能大幅降低設(shè)備購置成本。

1.2 結(jié)構(gòu)及工作原理

2500型電驅(qū)壓裂車相比傳統(tǒng)壓裂車，是一種全新設(shè)計(jì)，由裝載底盤車、供配電/變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸和壓裂泵等組成，整體布局如圖1 所示，整車電力由電網(wǎng)經(jīng)高壓開關(guān)柜接入供配電/變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)變壓變頻后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作。壓裂泵由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，將壓裂液經(jīng)高壓管匯注入井口，實(shí)現(xiàn)壓裂作業(yè)。整車通過高壓網(wǎng)電或者燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組輸入10 kV電源至高壓開關(guān)柜，高壓開關(guān)柜輸出10 kV電源供車臺供配電/變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)變壓、變頻后輸出動(dòng)力電到變頻電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓裂泵實(shí)現(xiàn)壓裂液吸入和排出功能。

圖1 2500電驅(qū)壓裂車

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

最高工作壓力為137.9 MPa(20 000 psi)；最大排量為1.47 m3/min；最大輸出水功率為1860 kW（2500 hp）；整車總質(zhì)量為43 500 kg；整車供電電源為10 kV；電動(dòng)機(jī)額定電壓為690 V；整車外形尺寸為11 000 mm×2500 mm×3900 mm。

2 技術(shù)特點(diǎn)

2.1 智能化及集成化技術(shù)

整車配置供配電控制系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)智能平臺，可實(shí)現(xiàn)對供配電功率組件和電動(dòng)機(jī)設(shè)備性能參數(shù)整體監(jiān)控及自動(dòng)化控制，通過對電動(dòng)機(jī)、壓裂泵輸出參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和智能分析，及時(shí)對整車在工作中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析并預(yù)警。同時(shí)整車集成供配電系統(tǒng)（集成變壓器和變頻器）、大功率電動(dòng)機(jī)和壓裂泵于重載底盤上，結(jié)構(gòu)更緊湊，大幅提高了整車集成化水平。同時(shí)整車質(zhì)量較常規(guī)柴油驅(qū)動(dòng)2500型壓裂車更輕，整車重心更低，極大提升了底盤車移運(yùn)能力。

2.2 變頻驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

2500 hp電驅(qū)壓裂車電控系統(tǒng)由本地控制和遠(yuǎn)程控制兩部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。采用工業(yè)以太網(wǎng)與無線通訊相結(jié)合，通過變頻器速度控制環(huán)與轉(zhuǎn)矩控制環(huán)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)無級調(diào)速。通過采集各設(shè)備傳感器、編碼器等傳輸?shù)男盘枌ο到y(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。電氣傳動(dòng)采用基于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DTC），實(shí)現(xiàn)排量精確控制。采用轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)速控制相組合的算法，實(shí)現(xiàn)了壓裂車重載并車啟動(dòng)，同時(shí)能抑制井下壓力大幅波動(dòng)，克服泵與高壓管匯之間的“水錘”效應(yīng)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.3 輕型定制化電動(dòng)機(jī)技術(shù)

傳統(tǒng)大功率電動(dòng)機(jī)外形尺寸大、質(zhì)量大，為適應(yīng)頁巖氣壓裂工藝開發(fā)了一種適用于壓裂工況的大功率變頻電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)機(jī)布局上，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以減小外形尺寸；針對頁巖氣壓裂工況，對電動(dòng)機(jī)功率儲備系數(shù)進(jìn)行校核驗(yàn)證以匹配壓裂作業(yè)要求。同時(shí)對電動(dòng)機(jī)主要部件進(jìn)行材料優(yōu)選、加工工藝和裝配工藝研究，在滿足散熱要求前提下，嚴(yán)格控制整機(jī)重量。該電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)防護(hù)等級為IP44，最大輸出功率為2100 kW，最高輸出轉(zhuǎn)速為1000 r/min，最大輸出轉(zhuǎn)矩為34 380 N·m，質(zhì)量為7500 kg。

2.4 產(chǎn)品優(yōu)勢

2500型電驅(qū)壓裂車配套底盤、供配電系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)和壓裂泵實(shí)現(xiàn)全國產(chǎn)化，改變了傳統(tǒng)壓裂車對進(jìn)口部件的依賴，降低了設(shè)備采購生產(chǎn)成本，同時(shí)整車質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)彎半徑為12.8 m，具有更好的靈活性，適合于道路崎嶇山區(qū)路況。使用網(wǎng)電能實(shí)現(xiàn)零排放，同時(shí)將噪聲由115 dB降為105 dB，改善作業(yè)環(huán)境。采用電代油的作業(yè)模式，減少了作業(yè)燃料成本，以網(wǎng)電價(jià)格1元/（kW·h），柴油價(jià)格6元/L計(jì)算，根據(jù)目前四川某頁巖氣平臺一段3 h作業(yè)量估算，2000 m3壓裂液，耗電43 000 kW·h，耗油10 000 L，一個(gè)50 000 hp的壓裂機(jī)組，采用電驅(qū)壓裂作業(yè)，作業(yè)1000 h能節(jié)省成本940萬元。

3 關(guān)鍵技術(shù)

1）一體式供配電、變頻控制驅(qū)動(dòng)裝置。采用IGCT功率器件，集成降諧波裝置與整流變壓器，在確保高可靠性的同時(shí)減輕了質(zhì)量，變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)集于一體，優(yōu)化整車供配電系統(tǒng)空間布局，簡化高壓電輸入端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終使整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置集成在車載底盤。

2）視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)?；谝蕴W(wǎng)供電（POE）技術(shù)，設(shè)計(jì)一種適用于壓裂設(shè)備井場作業(yè)工況的新型視頻監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)測部位發(fā)生機(jī)械損壞或火災(zāi)等險(xiǎn)情時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測部位畫面動(dòng)態(tài)變化，對圖像進(jìn)行連續(xù)視頻拍照并發(fā)出報(bào)警信號，可避免造成更大破壞。

3）自動(dòng)盤泵技術(shù)。利用變頻器低速調(diào)整特性，控制系統(tǒng)增加壓裂泵“自動(dòng)盤泵”功能：分為“點(diǎn)動(dòng)”與“連續(xù)”兩種模式，電動(dòng)機(jī)按預(yù)置點(diǎn)動(dòng)速度運(yùn)行，松開電動(dòng)機(jī)停止；按下連續(xù)鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)按預(yù)置盤泵距離連續(xù)運(yùn)行，直至壓裂泵柱塞移動(dòng)到所設(shè)定位置。盤泵過程省時(shí)省力，便于用戶維修檢泵作業(yè)。

4 廠內(nèi)試驗(yàn)

2500電驅(qū)壓裂車在四川廣漢試驗(yàn)基地依據(jù)SY/T5211《壓裂成套設(shè)備》進(jìn)行了試壓試驗(yàn)、連續(xù)負(fù)荷試驗(yàn)、帶載并車試驗(yàn)和自動(dòng)盤泵試驗(yàn)等多項(xiàng)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖3所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)截屏如圖4所示，試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)表明設(shè)備均滿足設(shè)計(jì)要求。

1）連續(xù)負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)最大排量為1.44 m3/min，運(yùn)行時(shí)間60 min；試驗(yàn)最大壓力101 MPa， 持 續(xù)30 min；最大功率2051 kW，運(yùn)行30 min；在常用功率1500 kW、壓力60～90 MPa下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)120 min，整車各設(shè)備數(shù)據(jù)運(yùn)行正常，傳動(dòng)平穩(wěn)，參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，其中在60～90 MPa負(fù)荷下，轉(zhuǎn)速為700 r/min, 排量在1.04 m3/min左右時(shí)，電氣傳動(dòng)與潤滑散熱系統(tǒng)參數(shù)最優(yōu)。

圖3 現(xiàn)場試驗(yàn)場地

圖4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)截屏

2）自動(dòng)盤泵試驗(yàn)，選“點(diǎn)動(dòng)盤泵”時(shí)，按下點(diǎn)動(dòng)鍵后變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以30 r/min自動(dòng)運(yùn)行，柱塞緩緩到位后松開點(diǎn)動(dòng)鍵，電動(dòng)機(jī)立即停止旋轉(zhuǎn)，點(diǎn)動(dòng)盤泵結(jié)束。當(dāng)選“連續(xù)盤泵”時(shí)，設(shè)定盤泵距離為泵沖程長度，電動(dòng)機(jī)以30 r/min運(yùn)行，自動(dòng)計(jì)算柱塞移動(dòng)距離，當(dāng)移動(dòng)距離累計(jì)到設(shè)定距離后，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止旋轉(zhuǎn)，“連續(xù)盤泵”結(jié)束。兩種模式均符合現(xiàn)場精確盤泵要求，控制響應(yīng)迅速且穩(wěn)定。

3) 試壓試驗(yàn)，試壓值設(shè)定5～60 MPa，變頻器工作在“轉(zhuǎn)矩控制”而非“轉(zhuǎn)速控制”模式下時(shí)，電動(dòng)機(jī)響應(yīng)更快更穩(wěn)定，壓裂泵排出壓力平穩(wěn)上升至設(shè)定壓力值，試壓過程時(shí)間更短且一鍵完成。

5 結(jié) 論

1）隨著國家加大對頁巖氣開發(fā)力度，壓裂裝備缺口巨大，電驅(qū)動(dòng)壓裂裝備生產(chǎn)周期短，零排放低噪聲，非常適合現(xiàn)階段頁巖氣平臺長時(shí)間連續(xù)作業(yè)工況?？紤]井場電網(wǎng)供電有限，需增加額外發(fā)電機(jī)組供給，現(xiàn)階段已有成熟的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，采用井口氣作為發(fā)電機(jī)組燃料，就地取材，可節(jié)省燃料費(fèi)用。

2）電驅(qū)動(dòng)壓裂車采用低壓變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，降低了常規(guī)壓裂車換擋沖擊，流量調(diào)節(jié)平穩(wěn)，能降低對壓裂泵傳動(dòng)部件的沖擊，延長壓裂泵使用壽命。電驅(qū)壓裂車同時(shí)與自動(dòng)盤泵、動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)控等多項(xiàng)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，具備較高的智能化作業(yè)水平。

3）電驅(qū)壓裂車相對于常規(guī)2500型柴油驅(qū)動(dòng)壓裂車，外形尺寸小、質(zhì)量輕，移運(yùn)性能好，壓裂機(jī)組井場布置靈活方便，具有良好的市場推廣前景。