電驅(qū)壓裂泵在頁巖氣開發(fā)中的優(yōu)勢分析

林 蕾

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司壓裂公司，遼寧盤錦 124000）

0 引言

壓裂、酸化作業(yè)是國內(nèi)油氣田增儲穩(wěn)產(chǎn)的一項重要措施。近年來，隨著我國頁巖氣開發(fā)的不斷加快，壓裂工藝正向著高水平、大排量、大砂量、高砂比和深井方向發(fā)展，國內(nèi)壓裂裝備制造企業(yè)正在積極研發(fā)新的工藝技術(shù)以適應(yīng)頁巖氣勘探開發(fā)的實際需求，也促進了壓裂裝備向高壓力、大排量、高可靠性、節(jié)能環(huán)保方向不斷邁進。同時，各裝備制造企業(yè)也在努力提高裝備的國產(chǎn)化程度，逐漸擺脫對國外進口部件的依賴，實現(xiàn)壓裂裝備的純國產(chǎn)化。

1 壓裂裝備簡述

1.1 傳統(tǒng)壓裂裝備

目前傳統(tǒng)壓裂裝備主要是燃油型，常見的有車載機械式壓裂裝備、渦輪驅(qū)動壓裂裝備、液壓驅(qū)動壓裂裝備、撬裝壓裂裝備等類型。

（1）車載機械式壓裂裝備。采用傳統(tǒng)的車載結(jié)構(gòu)，在重型底盤上安裝臺上設(shè)備，如發(fā)動機、傳動箱和壓裂泵等。車載式壓裂裝備具有運移方便、機動性強、調(diào)配響應(yīng)迅速、施工過程中減振效果好、現(xiàn)場適用性強等優(yōu)點。缺點是油耗高、噪聲大，長時間作業(yè)期間，汽車底盤利用率不高；超限車輛存在上戶難、上路難問題；整車需要年審，底盤需要定期保養(yǎng)。

（2）渦輪驅(qū)動壓裂裝備。工作原理是渦輪發(fā)動機帶一個減速箱，通過傳動軸驅(qū)動壓裂泵工作。渦輪驅(qū)動壓裂設(shè)備具有體積小、質(zhì)量輕、單位質(zhì)量輸出功率大的優(yōu)點，但渦輪發(fā)動機熱效率低、調(diào)速范圍小、噪聲大，而且購置成本、運行成本、維護成本較高。

（3）液壓驅(qū)動壓裂裝備。通過多臺小型通用化發(fā)動機提供動力，多級液壓泵、液馬達驅(qū)動壓裂柱塞泵做往復(fù)運動，從而實現(xiàn)液體的吸入和排出。液壓傳動可以實現(xiàn)無極調(diào)速，消除換擋沖擊，而且整機大部分元部件已實現(xiàn)國產(chǎn)化。但液壓系統(tǒng)裝配過程復(fù)雜，檢維修較為困難，液壓控制元件的響應(yīng)速度不及電氣控制的響應(yīng)速度，而且整車屬于超限運輸車，存在上戶難、上路難等問題。

（4）撬裝壓裂裝備。與傳統(tǒng)的車載式壓裂裝備相比，撬裝結(jié)構(gòu)方便運輸，節(jié)省了底盤車的采購成本，不存在上公告、上戶等問題。但是，現(xiàn)用的傳統(tǒng)撬裝壓裂裝備仍采用發(fā)動機、傳動箱與柱塞泵的組合模式，體積較大，現(xiàn)場組裝過程繁瑣，而且對井場地面要求較高，同時也存在油耗高、噪聲大的缺點。

1.2 電驅(qū)壓裂裝備

1.2.1 電驅(qū)壓裂工作原理

電驅(qū)壓裂泵是將傳統(tǒng)的柴油發(fā)動機驅(qū)動變成電機直接驅(qū)動，由變頻器控制異步電機驅(qū)動壓裂柱塞泵（圖1）。電驅(qū)壓裂主要由供電系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、變頻壓裂系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、壓裂配套系統(tǒng)等構(gòu)成。根據(jù)頁巖氣片區(qū)的特點，供電方式一般采用“10 kV 或者35 kV 工業(yè)電網(wǎng)+燃氣輪機發(fā)電”結(jié)合方式，當電網(wǎng)不足時，使用燃氣電站發(fā)電作為能源補充；變配電系統(tǒng)為壓裂前端電源配電裝置，提供系統(tǒng)所需的10 kV（高電壓、低電流）和400 V（低電壓、高電流）電源；變頻驅(qū)動系統(tǒng)是變頻房（VFD）從變配電房（PCR）接入10 kV 電源，中壓變頻器通過直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）驅(qū)動電機實現(xiàn)對壓裂柱塞泵的控制。

圖1 電驅(qū)壓裂泵在頁巖氣開發(fā)中的現(xiàn)場應(yīng)用

1.2.2 電驅(qū)壓裂泵的研發(fā)應(yīng)用

2018 年年初江漢四機廠研發(fā)的4500HP 電驅(qū)動壓裂泵在涪陵頁巖氣田成功完成開采壓裂施工；同年7 月，其5500HP、國內(nèi)首套完全國產(chǎn)化的六相變頻電驅(qū)動壓裂泵系統(tǒng)成功下線；2019年宏華集團公司研發(fā)的6000HP 電動壓裂系統(tǒng)最大單機功率為6000 馬力，是首個應(yīng)用變頻電機驅(qū)動的壓裂泵，并實現(xiàn)了中壓變頻技術(shù)在油氣壓裂行業(yè)的首次應(yīng)用；2019 年煙臺杰瑞公司自主研發(fā)制造的7000HP 電驅(qū)壓裂泵撬系統(tǒng)成功下線，并順利通過測試。

2 電驅(qū)型與燃油型壓裂泵對比分析

2.1 性能對比

如圖2 所示，燃油型壓裂泵發(fā)動機有怠速，變速箱換檔有跳變，柱塞泵輸出排量不連續(xù)；電驅(qū)型壓裂泵由于采用變頻控制技術(shù)，調(diào)速范圍更寬，而且可以實現(xiàn)平滑無極調(diào)速，整機運行更平穩(wěn)。

2.2 功率對比

燃油型壓裂泵單機功率小，一般不超過3000 馬力，電驅(qū)型壓裂泵單機功率大，可以配備5000 馬力或者6000 馬力的柱塞泵。同樣水功率儲備的壓裂井場，電驅(qū)型壓裂泵在設(shè)備數(shù)量、操作人員、工作量、占地面積上比燃油型壓裂泵要減少1/2。

2.3 噪聲對比

燃油型壓裂泵柴油機有廢氣排放，噪聲約為115 dB，影響周圍居民的生活起居，也制約了頁巖氣開采的夜間施工；電驅(qū)型壓裂泵無廢氣排放，通過靜音風(fēng)扇加變頻控制，噪聲不到85 dB，壓裂施工現(xiàn)場變得靜悄悄，延長日均泵注時間，也能實現(xiàn)夜間施工，大大提高生產(chǎn)效率。

2.4 經(jīng)濟對比

傳統(tǒng)燃油型發(fā)動機、變速箱均采用進口，采購成本較高；發(fā)動機、變速箱維護周期短，維保費用高；燃油管理、運輸?shù)雀鞣N附加的成本導(dǎo)致使用成本較高。

電驅(qū)型壓裂泵所用的電機、變頻器均來自國產(chǎn)，采購成本較低；電機檢修周期4 萬小時以上，軸承每半年檢查潤滑脂，變頻器只需要定期檢查通風(fēng)網(wǎng)濾，整機維保費用低；能源消耗上，同樣的功率，電費便宜，電費成本是燃油的1/2。此外，由于單機功率的提升，按照同樣的輸出水馬力計算，井場可使用更少的設(shè)備實現(xiàn)更好的作業(yè)效果，裝備購置費用大幅降低。同時，電驅(qū)型壓裂裝備配有更智能的集成控制系統(tǒng)，作業(yè)人數(shù)的減少也使人員成本大幅降低。

綜合以上分析，電驅(qū)型壓裂泵功率密度高、體積小、模塊化、成本低、占地面積小、就地供電、可減少環(huán)境污染，是對目前傳統(tǒng)頁巖氣壓裂方案的一次裝備技術(shù)突破。

圖2 傳統(tǒng)壓裂與電驅(qū)動壓裂的對比

3 小結(jié)

通過對比分析，電驅(qū)型壓裂泵相比傳統(tǒng)燃油型壓裂泵具有如下優(yōu)勢：①單機功率大、排量大，1 臺5000 馬力電動壓裂泵可替代2 臺常規(guī)2500 馬力壓裂車；②占地面積減少50%～65%，能耗費用比常規(guī)壓裂泵節(jié)約40%～50%，綜合開發(fā)成本降低20%以上；③電機直驅(qū)傳動，噪聲小、清潔無污染，而且省去了常規(guī)壓裂車的柴油機、變速箱和底盤車的維護保養(yǎng)工作，操作人員減少一半；④交流變頻控制，控制精準、響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬，流量壓力無級調(diào)節(jié)；⑤采用撬裝式結(jié)構(gòu)，整機振動小，管匯結(jié)構(gòu)簡化，安裝拆卸工作量少；⑥電動壓裂泵組主要部件全部國產(chǎn)化，制造成本低，固定資產(chǎn)投資降低近30%。

與傳統(tǒng)柴油發(fā)動機驅(qū)動壓裂裝備相比，電驅(qū)動壓裂裝備對配套電網(wǎng)布局和電網(wǎng)容量要求較高，但同時具有設(shè)備投資低、運行成本減小、節(jié)能環(huán)保降噪等明顯優(yōu)勢。