電驅(qū)壓裂設(shè)備在頁巖氣儲(chǔ)層改造中的應(yīng)用

謝元杰

[摘? ? 要]為滿足頁巖氣勘探開發(fā)需要，近年來各類新型壓裂工藝技術(shù)被引入頁巖氣儲(chǔ)層改造實(shí)踐，電驅(qū)壓裂設(shè)備技術(shù)是其中代表，相關(guān)理論研究和實(shí)踐探索近年來也大量涌現(xiàn)?；诖耍治隽穗婒?qū)壓裂設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀，并結(jié)合頁巖氣儲(chǔ)層改造中電驅(qū)壓裂設(shè)備的現(xiàn)場應(yīng)用，探討了頁巖氣儲(chǔ)層改造中電驅(qū)壓裂設(shè)備的升級(jí)方向。

[關(guān)鍵詞]電驅(qū)壓裂設(shè)備;頁巖氣;儲(chǔ)層改造

[中圖分類號(hào)]TE934.2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）04–00–02

Application of Electric Drive Fracturing Equipment in Shale Gas Reservoir Reconstruction

Xie Yuan-jie

[Abstract]In order to meet the needs of shale gas exploration and development， various new fracturing technologies have been introduced into shale gas reservoir reform practice in recent years. Electric drive fracturing equipment technology is one of the representatives. Related theoretical research and practical exploration have also been carried out in recent years. Emerge in large numbers. Based on this， the application status of electric drive fracturing equipment will be briefly analyzed， combined with the field application of electric drive fracturing equipment in shale gas reservoir reconstruction， and the upgrade direction of electric drive fracturing equipment in shale gas reservoir reconstruction will be discussed in depth.

[Keywords]electric drive fracturing equipment; shale gas; reservoir modification

作為頁巖氣藏儲(chǔ)層改造的核心設(shè)備，壓裂設(shè)備向來受到業(yè)界重視。深層頁巖氣開發(fā)中儲(chǔ)層改造面臨著環(huán)保約束、成本偏高等挑戰(zhàn)，綠色化、降成本的壓裂設(shè)備屬于開發(fā)重點(diǎn)?，F(xiàn)階段我國廣泛應(yīng)用的柴油動(dòng)力壓裂車在應(yīng)用中存在作業(yè)成本高、功率利用率低、施工安全風(fēng)險(xiǎn)高等不足，而相較于這類常規(guī)柴油動(dòng)力壓裂設(shè)備，電驅(qū)壓裂設(shè)備在安全節(jié)能、成本、效率方面均具備顯著優(yōu)勢(shì)，近年來的發(fā)展極為迅速，由此本文研究具備較高現(xiàn)實(shí)意義。

1 電驅(qū)壓裂設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 行業(yè)現(xiàn)狀分析

全球壓裂設(shè)備主要由中美兩國生產(chǎn)，由于存在大量地形平坦的頁巖氣儲(chǔ)藏，美國多生產(chǎn)“半掛車+雙泵”結(jié)構(gòu)的電驅(qū)壓裂設(shè)備，我國由于頁巖氣藏多處于山區(qū)，國產(chǎn)電驅(qū)壓裂設(shè)備多選擇單泵技術(shù)路線，以大功率和小體積為標(biāo)準(zhǔn)，致力于減少井場占地面積、減少井場設(shè)備數(shù)量、提升單機(jī)功率密度。以Clean Fleet?電驅(qū)環(huán)保壓裂技術(shù)為例，該電驅(qū)壓裂技術(shù)屬于一種天然氣驅(qū)動(dòng)、可移動(dòng)式的純電動(dòng)壓裂系統(tǒng)，由美國USWS公司推出，系統(tǒng)由電驅(qū)壓裂泵車和燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組組成，電機(jī)工作電壓、單電機(jī)功率、單車功率分別為600 V、1 286 kW（1 750 hp）、2 573 kW（3 500 hp），可在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)氮氧化物排放的99%減少，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)燃料成本的90%節(jié)約，每天能夠?qū)崿F(xiàn)4萬美元的運(yùn)營成本節(jié)約;在壓裂設(shè)備生產(chǎn)中，我國煙臺(tái)杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司有著較為豐富經(jīng)驗(yàn)，如今已形成包括電驅(qū)連續(xù)輸砂裝置、電驅(qū)混配設(shè)備、電驅(qū)混砂設(shè)備、電驅(qū)壓裂設(shè)備的電驅(qū)壓裂成套裝備系統(tǒng)解決方案，屬于國內(nèi)電驅(qū)壓裂設(shè)備生產(chǎn)廠商代表。以該公司推出的5 145 kW（7 000 hp）電驅(qū)壓裂設(shè)備為例，該設(shè)備采用橇裝為主的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)有配套的JR7 000QP五缸柱塞泵，對(duì)比國外同類產(chǎn)品可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外電驅(qū)壓裂設(shè)備的整體技術(shù)水平相當(dāng)，同時(shí)國內(nèi)設(shè)備存在更大的單泵功率和單機(jī)功率及更為豐富的產(chǎn)品類別。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.2.1 低壓變頻技術(shù)

電驅(qū)壓裂設(shè)備一般存在2 000 kW以上的電機(jī)功率，如電壓為690 V，將存在非常大的變頻器輸出電流，基于經(jīng)驗(yàn)公式開展計(jì)算，此時(shí)變頻器存在約2 200 A的輸出電流，電纜重量和尺寸變大、電磁干擾、電機(jī)發(fā)熱等問題會(huì)因此出現(xiàn)。國內(nèi)電驅(qū)壓裂設(shè)備采用低壓變頻技術(shù)的不多，為解決大尺寸電纜鋪設(shè)難題，一般在車上預(yù)制固定動(dòng)力電纜。為解決大電流問題，可設(shè)法降低變頻系統(tǒng)的負(fù)載電流和單組功率，如采用690 V/2 400 kW九相電機(jī)和三組690 V/2 400 kW逆變裝置，但受到相對(duì)較多的多相逆變器功率器件影響，其可靠性會(huì)降低，停機(jī)故障在設(shè)備帶載啟動(dòng)時(shí)的發(fā)生概率也會(huì)上升，此外由于需要連接更多的大規(guī)格電纜，現(xiàn)場體力勞動(dòng)也會(huì)加重。

1.2.2 高壓變頻技術(shù)（IGBT）

IGBT技術(shù)指的是絕緣柵雙極型晶體管技術(shù)，該技術(shù)可細(xì)分為多電平高壓變頻技術(shù)和三電平高壓變頻技術(shù)，前者串聯(lián)低壓功率單元，后者采用中性點(diǎn)鉗位技術(shù)和高壓功率器件。多電平高壓變頻技術(shù)下移相變壓器設(shè)置于輸入側(cè)，諧波污染問題能夠有效規(guī)避，但該技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用較少。三電平高壓變頻技術(shù)具備動(dòng)態(tài)性能好、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、網(wǎng)側(cè)諧波小、輸出效率和頻率高等優(yōu)勢(shì)，存在3.3 kV的變頻器輸出電壓，現(xiàn)階段在我國應(yīng)用較為廣泛。

1.2.3 高壓變頻技術(shù)（IGCT）

IGCT技術(shù)指的是集成門極換流晶閘管技術(shù)，該技術(shù)在國內(nèi)電驅(qū)壓裂設(shè)備中的應(yīng)用最為廣泛，IGCT技術(shù)與三電平高壓變頻技術(shù)擁有相同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，三電平高壓變頻技術(shù)屬于我國電驅(qū)壓裂設(shè)備電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主流，該技術(shù)應(yīng)用下電機(jī)與變頻器的允許電纜長度更長，更大的單機(jī)功率能夠順利實(shí)現(xiàn)，設(shè)備功率密度自然能夠隨之提升。在相同功率條件下，IGCT模塊的發(fā)熱量和功耗更小，相較于IGBT模塊優(yōu)勢(shì)明顯，同時(shí)IGBT技術(shù)的可靠性還可能受到機(jī)械焊接多層結(jié)構(gòu)的影響，這種影響源于焊接點(diǎn)和材料疲勞可能導(dǎo)致的模塊失效。

2 頁巖氣儲(chǔ)層改造中電驅(qū)壓裂設(shè)備的現(xiàn)場應(yīng)用

以圍繞某型號(hào)電驅(qū)壓裂車開展的現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)為例，該型號(hào)電驅(qū)壓裂車的首次工業(yè)性試驗(yàn)在某頁巖氣平臺(tái)開展，該平臺(tái)斷層不發(fā)育，存在4 500～5 200 m的井深范圍，以及1 600 m3的每段壓裂液體規(guī)模，存在121 t左右的加砂量。平臺(tái)基于單機(jī)組拉鏈?zhǔn)綁毫涯Ｊ介_展施工作業(yè)，同時(shí)作業(yè)的還包括柴油動(dòng)力壓裂車、電驅(qū)壓裂橇裝設(shè)備（超大功率）等壓裂設(shè)備。在試驗(yàn)過程中，案例電驅(qū)壓裂車參與29段壓裂施工作業(yè)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、總耗電量、泵送液量分別為3 524 min、56 247 kW·h、2 896.4 m3，單位體積液體泵送存在19.42 kW·h/m3的平均耗電量。壓裂泵的柱塞規(guī)格、工作壓力、泵送排量、平均負(fù)荷率、平均輸出功率分別為φ101.6 mm、64～81 MPa、0.6～1.0 m3/min、941 kW（1 280 hp）、51.2%，全過程運(yùn)行中設(shè)備表現(xiàn)良好。作業(yè)期間案例電驅(qū)壓裂車由井場國家電網(wǎng)供電，該線路同時(shí)為供水裝置提供電源。試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了超過電網(wǎng)額定容量的實(shí)際用電負(fù)荷，602 V的變頻器輸出電壓因此瞬時(shí)下降至313 V，電驅(qū)壓裂車的輸出排量隨之下降?；谠囼?yàn)?zāi)軌虼_定，在超過電網(wǎng)額定容量的電驅(qū)壓裂車用電負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)4.8kV的電網(wǎng)電壓，對(duì)比額定電壓10kV，此時(shí)存在50%以上的電壓波動(dòng)，遠(yuǎn)高于±10%的變頻器允許輸入電壓波動(dòng)，這種情況下，大幅下降的變頻器輸出電壓和功率會(huì)導(dǎo)致瞬間下降的壓裂泵排量出現(xiàn)，具體存在近65%的瞬間下降，這說明電驅(qū)壓裂設(shè)備會(huì)受到井場電網(wǎng)容量的直接影響。

圍繞經(jīng)濟(jì)效益開展進(jìn)一步分析能夠發(fā)現(xiàn)，64～81 MPa內(nèi)，案例電驅(qū)壓裂車在該工作壓力下存在19.42 kW·h/m3的平均耗電量，電價(jià)以0.7元/kW·h進(jìn)行計(jì)算，該電驅(qū)壓裂車存在13.6元/m3的平均電力費(fèi)用，泵送單位體積液體需要耗費(fèi)13.6元。同平臺(tái)的常規(guī)柴油動(dòng)力壓裂車平均耗油量、平均燃料費(fèi)用分別為6 L/m3、43.5元/m3，頁巖氣儲(chǔ)層改造中電驅(qū)壓裂設(shè)備應(yīng)用所具備的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)可見一斑。電力驅(qū)動(dòng)在同等條件下的施工中相較于柴油驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)約68%的燃料動(dòng)力費(fèi)用，由于同時(shí)省去了變速箱、大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等高成本進(jìn)口部件，在實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的電機(jī)、壓裂泵等主要部件支持下，設(shè)備購置成本也能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)10%～20%的下降，電驅(qū)壓裂設(shè)備因此具備更為顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

3 頁巖氣儲(chǔ)層改造中電驅(qū)壓裂設(shè)備的升級(jí)方向

3.1 升級(jí)思路

為實(shí)現(xiàn)頁巖氣儲(chǔ)層改造中電驅(qū)壓裂設(shè)備升級(jí)，具體升級(jí)可選擇4個(gè)方面。

3.1.1 關(guān)鍵技術(shù)布局

國內(nèi)外電驅(qū)壓裂設(shè)備在技術(shù)層面不存在顯著差距，國內(nèi)技術(shù)在單泵功率方面擁有一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但在高壓大功率變頻技術(shù)方面，我國在這一關(guān)鍵性的電驅(qū)壓裂設(shè)備技術(shù)方面仍落后于國際一流水平，長期依賴進(jìn)口的高壓大功率半導(dǎo)體器件便能夠證明這一點(diǎn)。為改變這一現(xiàn)狀，解決未來可能出現(xiàn)的“卡脖子”問題，應(yīng)提前開展相關(guān)布局，國內(nèi)廠商應(yīng)通力合作強(qiáng)化基礎(chǔ)研究。

3.1.2 提供電力保障

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電在美國電驅(qū)壓裂井場中極為常見，在天然氣低廉價(jià)格支持下，美國電驅(qū)壓裂設(shè)備存在更為顯著的燃料成本優(yōu)勢(shì)。對(duì)于兼有燃?xì)獍l(fā)電和網(wǎng)電的我國頁巖氣井場來說，由于電價(jià)中會(huì)折算網(wǎng)電基建費(fèi)用，使得存在較高的用電價(jià)格，同時(shí)基于鉆井作業(yè)需要配置的電網(wǎng)容量往往難以滿足全電動(dòng)壓裂供電需要，這也是國內(nèi)實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)壓裂井場數(shù)量較少的原因，同時(shí)這類井場的作業(yè)模式多為油電混合，作業(yè)成本方面的電驅(qū)壓裂設(shè)備在這種情況下難以充分發(fā)揮。因此，建議建設(shè)規(guī)劃頁巖氣平臺(tái)，綜合考慮壓裂、鉆井用電需求，以提供電力，保證滿足大規(guī)模應(yīng)用電驅(qū)壓裂設(shè)備的需要。

3.1.3 提高單機(jī)功率密度

近年來電驅(qū)壓裂設(shè)備致力于提高功率，但在不斷增大的單泵功率影響下，很多新問題也隨之出現(xiàn)，如泵橇重量和體積增大導(dǎo)致的運(yùn)輸困難，以及壓裂泵可靠性控制等，因此本文建議電驅(qū)壓裂設(shè)備以單機(jī)功率密度提高作為重要發(fā)展方向。

3.1.4 提升電驅(qū)壓裂設(shè)備的移運(yùn)性能。

橇裝結(jié)構(gòu)屬于現(xiàn)階段國產(chǎn)電驅(qū)壓裂設(shè)備主流，相較于車裝形式的設(shè)備，這類設(shè)備在靈活性和便捷性方面存在不足，因此建議研發(fā)車裝形式的電驅(qū)壓裂設(shè)備，以提升其環(huán)保和成本優(yōu)勢(shì)，為丘陵山地、黃土溝壑等存在較差道路條件的壓裂井場提供服務(wù)。

3.2 升級(jí)策略

為保證頁巖氣儲(chǔ)層改造中電驅(qū)壓裂設(shè)備的更好發(fā)展，相應(yīng)升級(jí)策略也需要得到重視，具體包括3個(gè)方面。

3.2.1 國家支持

國家應(yīng)進(jìn)一步推動(dòng)電代油工程，強(qiáng)化統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和頂層設(shè)計(jì)，并在國家規(guī)劃中明確電代油及電驅(qū)壓裂內(nèi)容，相關(guān)的電網(wǎng)建設(shè)問題也需要設(shè)法解決。油氣田企業(yè)在相關(guān)規(guī)劃和方案論證環(huán)節(jié)應(yīng)充分考慮頁巖氣儲(chǔ)層改造中電驅(qū)壓裂設(shè)備的作業(yè)要求、特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，統(tǒng)籌壓裂、鉆井、后期生產(chǎn)用電需要，以此開展可靠、穩(wěn)定的大容量電網(wǎng)建設(shè)。還應(yīng)同時(shí)開展電驅(qū)壓裂計(jì)價(jià)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)化制定，為調(diào)動(dòng)各方積極性，還應(yīng)設(shè)法形成降本效益分享機(jī)制。

3.2.2 推進(jìn)技術(shù)升級(jí)

基于電代油，鉆探公司需設(shè)法實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)，以此基于提速提效要求開展電驅(qū)壓裂設(shè)備應(yīng)用方案編制，綜合考慮多平臺(tái)同步作業(yè)下的電力需求、機(jī)組參數(shù)受到的不同壓裂工藝影響，同時(shí)強(qiáng)化高壓電器技師、電氣工程師等人才的培養(yǎng)，為電驅(qū)壓裂設(shè)備應(yīng)用提供支持。

3.2.3 打造系列化電驅(qū)壓裂裝備

相關(guān)企業(yè)需加大電驅(qū)壓裂裝備的研發(fā)和推廣力度，不斷提升產(chǎn)品的可靠性、性能及自身服務(wù)水平，在電驅(qū)壓裂設(shè)備的現(xiàn)場作業(yè)規(guī)范和相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)編制中發(fā)揮自身作用，這同樣能夠?yàn)殡婒?qū)壓裂設(shè)備發(fā)展提供支持。

4 結(jié)束語

電驅(qū)壓裂設(shè)備在頁巖氣儲(chǔ)層改造中具備廣闊應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的升級(jí)思路、升級(jí)策略等內(nèi)容，則提供了可行性較高的電驅(qū)壓裂設(shè)備發(fā)展路徑。為更好推動(dòng)電驅(qū)壓裂設(shè)備發(fā)展，電網(wǎng)升級(jí)與改造的推進(jìn)、相關(guān)核心技術(shù)的攻堅(jiān)同樣需要得到重視。

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