電驅(qū)壓裂裝備整體供電技術(shù)方案分析及應(yīng)用*

劉文寶,姚 孔,王元忠

(1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730714； 2.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314；3.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； 4.甘肅省油氣鉆采裝備工程研究中心，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

壓裂技術(shù)是油氣儲層改造及油氣產(chǎn)量增儲的核心關(guān)鍵技術(shù)。壓裂作業(yè)是壓裂裝備以成套編組的方式完成壓裂施工工藝流程，實(shí)現(xiàn)油氣增儲，其裝備主要包括壓裂裝備、混砂裝備、儀表裝備、管匯裝備及施工作業(yè)配套添加劑罐裝置、運(yùn)砂裝置等[1]。傳統(tǒng)壓裂裝備主要以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連接液力變矩器驅(qū)動(dòng)泵送裝置，或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，通過流體傳動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)泵送裝置及機(jī)械執(zhí)行功能單元。其驅(qū)動(dòng)形式表現(xiàn)為：傳動(dòng)鏈較長，傳動(dòng)效率低，排放高，噪聲大，控制系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備作業(yè)質(zhì)量不高。為實(shí)現(xiàn)油氣綠色、高效開采，電驅(qū)壓裂裝備作為綠色、清潔、高效的油氣開采裝備，將逐步登上油氣壓裂作業(yè)的舞臺。電驅(qū)動(dòng)壓裂裝備，主要通過變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)泵送裝置及機(jī)械執(zhí)行功能單元，完成壓裂液體的高質(zhì)量混配及泵送，傳動(dòng)效率高，排放低，噪聲低，控制簡單精度高，作業(yè)可靠性高。

電驅(qū)壓裂裝備的核心動(dòng)力為電力，整體供電技術(shù)將成為保障電驅(qū)壓裂裝備作業(yè)成功的核心關(guān)鍵技術(shù)。本文旨在研究大型頁巖氣開采壓裂作業(yè)中成套電驅(qū)壓裂裝備的整體供電技術(shù)方案，結(jié)合大型頁巖氣壓裂作業(yè)模式及裝備能力需求，建立燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組供電技術(shù)方案及高壓電網(wǎng)供電技術(shù)方案，對傳統(tǒng)壓裂裝備、燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組供電及網(wǎng)電供電作業(yè)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，供客戶按照實(shí)際作業(yè)環(huán)境條件和需求進(jìn)行選擇，其目的是保障大型電驅(qū)壓裂裝備作業(yè)的動(dòng)力供應(yīng)需求，為盡快實(shí)現(xiàn)電驅(qū)壓裂成套裝備的工業(yè)化應(yīng)用，提高壓裂作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

1 裝備動(dòng)力需求

大型頁巖氣開采同步壓裂設(shè)計(jì)所需裝備水馬力約為20 000 HHP，裝備配置時(shí)，一般為裝備輸出水馬力的60%，因此壓裂裝備輸出水馬力需配置在33 000 HHP。3 000 HP的電驅(qū)壓裂裝置輸入功率為3 000 HP，因功率損失，輸出水馬力為2 800 HHP。確定電驅(qū)成套壓裂裝備的動(dòng)力需求配置形式如表1所列。

表1 電驅(qū)成套壓裂裝備的動(dòng)力需求配置形式

根據(jù)大型同步頁巖氣壓裂作業(yè)動(dòng)力需求配置形式，滿足頁巖氣開采的電驅(qū)壓裂裝置與混砂裝置總的輸入功率為38 000 HP，加上其他輔助裝置配置動(dòng)力需求約為500 HP，供電技術(shù)需提供的動(dòng)力約為38 500 HP。

2 供電技術(shù)方案

2.1 燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組供電

航改燃?xì)廨啓C(jī)是將正常退役(達(dá)到飛行小時(shí))飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)改造，用于工業(yè)發(fā)電、供熱等場所。外形體積較小，是目前較為流行的分布式能源提供替代方案。目前美國USWS公司、加拿大EWS公司已使用航改燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組已為電驅(qū)壓裂作業(yè)裝備進(jìn)行供電，每臺燃?xì)鉁u發(fā)機(jī)組可提供5.7 MW的電力供給。發(fā)電機(jī)組通過燃燒天然氣進(jìn)行發(fā)電，可使用CNG、LNG以及管道天然氣等多種方式進(jìn)行供氣。典型的航改燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用如圖1所示。

圖1 典型航改燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用

(1) 燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組供電方案

此方案選擇華電通用的LM2500+G4航改燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組為頁巖氣開采壓裂需求輸入動(dòng)力38 500 HP的電驅(qū)成套壓裂裝備進(jìn)行供電。LM2500+G4航改燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組是在GE TM2500+燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)之上完成改造升級，其性能參數(shù)如表2所列。

表2 LM2500+G4航改燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組性能參數(shù)

性能參數(shù)基于環(huán)境溫度15 ℃，相對濕度60%，天然氣飽和低熱值LHV(35.8 MJ/Nm3)，無進(jìn)/排氣壓力損失下測定。

LM2500+G4航改燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的輸出功率31.9 WM可滿足電驅(qū)壓裂裝備需求輸入動(dòng)力38 500 HP(28.68 MW)。

(2) 作業(yè)設(shè)備空間布局

根據(jù)中國石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1853-2015《頁巖氣井壓裂施工規(guī)范》中4.1要求：同步式壓裂作業(yè)對場地要求最小可使用尺寸為120 m×80 m。作業(yè)裝備包括：3000 HP電驅(qū)壓裂裝置12臺，130桶電驅(qū)混砂裝置2臺，儀表控制裝置1臺，高低壓管匯1套以及其他輔助設(shè)備。燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組供電井場空間布局平面圖如圖2所示。

圖2 燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組供電井場空間布局平面圖

(3) 作業(yè)成本計(jì)算

選擇二類天然氣作為燃料，發(fā)熱量為31.4 MJ/m3(參見標(biāo)準(zhǔn)GB17820-2012《天然氣》)。38 500 HP電驅(qū)壓裂裝備年累計(jì)作業(yè)時(shí)間按照1 000 h計(jì)算，天然氣總消耗量：

V=(P×0.745×Hr×Th)÷CV=8 907 103 (m3)

(1)

式中：V為天然氣消耗量；P為電驅(qū)成套壓裂裝備輸入功率38 500 HP；Hr為熱耗值9 751 kJ/kWh；Th為年累計(jì)作業(yè)時(shí)間1000h；CV為天然氣發(fā)熱量31.4 MJ/m3。

根據(jù)蘭州市政府辦公廳印發(fā)的《關(guān)于調(diào)整我市非居民天然氣價(jià)格的通知》，上游供氣企業(yè)供車用壓縮天然氣(CNG)用氣銷售價(jià)格現(xiàn)為：2.15元/m3。作業(yè)需求費(fèi)用：

C=V×Pr=19 150 271.45 (元)

(2)

式中：C為年作業(yè)需求費(fèi)用；Pr為天然氣銷售價(jià)格2.152.15元/m3。

2.2 高壓電網(wǎng)供電

頁巖氣電驅(qū)壓裂作業(yè)也可根據(jù)作業(yè)地點(diǎn)向當(dāng)?shù)貒译娋W(wǎng)申請臨時(shí)用電，若電驅(qū)壓裂作業(yè)用電超過3個(gè)月，則無法申請臨時(shí)用電，需申請新建配電站。申請臨時(shí)或新建配電站需統(tǒng)計(jì)設(shè)備用電功率，并提供用電位置，在當(dāng)?shù)貒译娋W(wǎng)填寫申請表并提供相關(guān)信息。電力部門在收到申請后對申請用電項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場勘查，通常會在7各工作日內(nèi)提供回復(fù)意見。電力部門對用電現(xiàn)場勘查后，如果用電現(xiàn)場附近有適合的電力線路，則由電力部門提出實(shí)施方案；若沒有適合的電力線路，則無法使用網(wǎng)電供電。

(1) 網(wǎng)電供電方案

對于使用網(wǎng)電進(jìn)行供電的電驅(qū)壓裂井場，依據(jù)井場附近網(wǎng)電線路情況，只需要在井場角落放置10kV進(jìn)線柜，配置變壓器，從變壓器到各壓裂泵的進(jìn)出線柜的走線可根據(jù)電力施工要求進(jìn)行空中布線或埋地方式進(jìn)行連接。如果壓裂作業(yè)時(shí)間超過3個(gè)月或在施工區(qū)域有多個(gè)井場分布，可在多個(gè)井場中間位置建設(shè)一高負(fù)荷變電站，實(shí)現(xiàn)對多個(gè)井場的電力供應(yīng)。

(2) 作業(yè)設(shè)備空間布局

電網(wǎng)供電依據(jù)頁巖氣同步壓裂作業(yè)模式，作業(yè)設(shè)備井場空間布局平面圖如圖3所示。

(3) 作業(yè)成本計(jì)算

依據(jù)甘肅省發(fā)展和改革委員會印發(fā)并于2014年4月1日起執(zhí)行的《甘肅省電網(wǎng)銷售電價(jià)說明》，電驅(qū)壓裂作業(yè)用電可歸于大工業(yè)用電。以1～10 kV電壓等級高峰時(shí)段電價(jià)0.678元/kWh進(jìn)行計(jì)算：

C=P×0.745×1 000×NP=19 446 735 (元)

(3)

式中：C為電力成本；NP為工業(yè)用電單位價(jià)格。

3 經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

為突出電驅(qū)壓裂裝備不僅在性能及作業(yè)環(huán)保性方面優(yōu)于傳統(tǒng)壓裂裝備，同時(shí)在作業(yè)經(jīng)濟(jì)性方面也極優(yōu)于傳統(tǒng)壓裂裝備，此處對常規(guī)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)壓裂裝備的燃料費(fèi)用進(jìn)行核算。按2020年3月份甘肅柴油價(jià)格進(jìn)行計(jì)算，0#柴油價(jià)格為：5.85元/L。

常規(guī)3000 HP壓裂車配置MTU16V4000S83L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，單位時(shí)間柴油消耗0.22 kg/kWh。計(jì)算完成1 000 h同步壓裂作業(yè)總?cè)加拖模?/p>

FC=P×0.745×OI×TH=6 310 150 (L)

(4)

完成1 000 h 20 000水馬力壓裂作業(yè)燃油消耗成本：

C=FC×OP=36 914 377.5 (元)

(5)

公式(4)、(5)中:FC為燃油總消耗；OI為單位時(shí)間柴油消耗；C為燃油消耗成本；OP為0#柴油價(jià)格。

對常規(guī)壓裂裝備方案、燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組供電方案及網(wǎng)電供電方案按照工作水馬力20 000 HHP，工作時(shí)間1 000 h，對作業(yè)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，對比結(jié)果如表3所示。

表3 常規(guī)壓裂裝備方案、燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組供電方案及網(wǎng)電供電方案作業(yè)經(jīng)濟(jì)性對比

需要注意的是，燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組采購成本費(fèi)用巨大，華電通用的LM2500+G4機(jī)組采購安裝成本超過1億元，目前以租賃形式使用。綜合比較，柴油及CNG價(jià)格會由發(fā)改委根據(jù)整體油價(jià)每年進(jìn)行若干次調(diào)整，整體費(fèi)用應(yīng)是：電網(wǎng)供電小于燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組小于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

4 結(jié) 語

本文依據(jù)頁巖氣同步壓裂作業(yè)特點(diǎn)及裝備輸出水功率需求，按照電驅(qū)壓裂裝備輸出20 000 HHP，作業(yè)時(shí)間1 000 h作業(yè)規(guī)模，建立燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組供電與高壓網(wǎng)電供電兩種技術(shù)方案，結(jié)合傳統(tǒng)壓裂作業(yè)成本，對作業(yè)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。結(jié)果表明，依據(jù)井場實(shí)際作業(yè)條件，電網(wǎng)供電技術(shù)方案作業(yè)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。供電技術(shù)方案的研究為電驅(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，符合國家油氣田綠色開采發(fā)展趨勢。