電動(dòng)壓裂泵在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

羅 權(quán)，易文君，謝梅英，胡 亮

（四川宏華石油設(shè)備有限公司，四川 成都618300）

頁(yè)巖屬于一種超低滲透率儲(chǔ)層，俗稱(chēng)“納米達(dá)西”滲透率地層，必須經(jīng)過(guò)壓裂改造才能實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的有效開(kāi)采。隨著國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程的不斷加速，多個(gè)區(qū)塊已進(jìn)入商業(yè)開(kāi)發(fā)階段。水平井大規(guī)模分段壓裂成為當(dāng)前頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[1]，低成本和綠色環(huán)保是頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)的重要前提，其關(guān)鍵是高效、低成本核心壓裂設(shè)備的應(yīng)用。本文結(jié)合頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)特點(diǎn)，介紹了HH6000電動(dòng)壓裂泵的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，采用機(jī)電融合核心技術(shù)制造的電動(dòng)壓裂裝備一定能夠?yàn)橹袊?guó)頁(yè)巖氣高效、低成本和綠色環(huán)保的商業(yè)開(kāi)發(fā)提供有力保障。

1 頁(yè)巖氣壓裂設(shè)備技術(shù)分析

壓裂車(chē)作為頁(yè)巖氣壓裂作業(yè)的核心關(guān)鍵設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)合理高效開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣，必須解決以下問(wèn)題：①頁(yè)巖氣壓裂施工時(shí)間長(zhǎng)、施工壓力高，壓裂設(shè)備需要耐高壓、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)，其可靠性必須滿足使用工況要求[2-3]；②中國(guó)目前商業(yè)開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣區(qū)塊多數(shù)位于山區(qū)，施工井場(chǎng)面積十分有限，十幾臺(tái)甚至更多數(shù)量的壓裂車(chē)組往往難以有效擺放[4]；③壓裂施工工藝要求更高的作業(yè)壓力以及更大的排量，導(dǎo)致需要更多的車(chē)以及更大的占地面積；④維持常規(guī)壓裂設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，能源消耗量大，使用維護(hù)成本高。

目前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣壓裂設(shè)備主要采用2500型和3000型壓裂車(chē)組合方式，隨著壓裂工藝的改技術(shù)進(jìn)步，以及解決埋深超過(guò)3500m以深地層的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)市場(chǎng)需求，通常需要18～20臺(tái)甚至更多壓裂車(chē)組同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，才能滿足大型水力壓裂的施工工藝要求。由于所需壓裂車(chē)數(shù)量越來(lái)越多，造成壓裂施工車(chē)組成本一直居高不下。同時(shí)壓裂車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)龐大的柴油消耗，也對(duì)作業(yè)地周邊環(huán)境造成很大的廢氣排放污染。

2 壓裂車(chē)性能特點(diǎn)

2500（YLC140-1860）型壓裂泵車(chē)是目前最常用的壓裂車(chē)型，如圖1所示，其采用車(chē)裝結(jié)構(gòu)，配置2235kW（3000HP）發(fā)動(dòng)機(jī)和2085kW（2800HP）五缸壓裂泵，最高工作壓力達(dá)到140MPa（20000psi匹配3.75in柱塞液力端）（1in≈2.54cm）。整機(jī)包括載車(chē)底盤(pán)、車(chē)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變速箱、五缸柱塞泵、高低壓管匯、液氣路系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等部件[5]。整機(jī)具有超高壓力、超大功率和連續(xù)作業(yè)的特點(diǎn)，適用于油氣田超深井、深井、中深井的各種壓裂、酸化泵注作業(yè)。

圖1 2500型壓裂車(chē)

3 電動(dòng)壓裂泵技術(shù)優(yōu)勢(shì)

HH6000電動(dòng)壓裂泵具有結(jié)構(gòu)緊湊合理、設(shè)備運(yùn)行高效可靠等特點(diǎn)，如圖2所示，整個(gè)泵由動(dòng)力端總成（包括機(jī)架總成、曲軸總成、小齒輪及交流變頻電機(jī)、十字頭總成）和液力端總成組成。

圖2 壓裂泵結(jié)構(gòu)組成

3.1 更加高效的動(dòng)力端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)壓裂泵將動(dòng)力機(jī)（電機(jī)）與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（壓裂泵）納入一體化設(shè)計(jì)，取消了中間機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由電機(jī)轉(zhuǎn)子軸直接代替壓裂泵的輸入軸，實(shí)現(xiàn)總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工作可靠，系統(tǒng)傳動(dòng)效率得到有效提高。電機(jī)按機(jī)電融合設(shè)計(jì)要求制造，充分利用數(shù)控變頻技術(shù)，通過(guò)電機(jī)兩端軸伸齒輪輸出動(dòng)力，并輔之以獨(dú)特的風(fēng)冷系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)，整機(jī)的散熱冷卻能力更強(qiáng)，使電機(jī)工作時(shí)具有高可靠性和高穩(wěn)定性，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)更加方便快捷。

電機(jī)采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，壓裂泵節(jié)能效果明顯，節(jié)電率可達(dá)到20%～60%。另外變頻器的加減速時(shí)間以及頻率可以在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)壓裂泵的精準(zhǔn)控制和排量的無(wú)極調(diào)節(jié)，從而具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，省去了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變速箱和底盤(pán)車(chē)，不但帶來(lái)了更高的使用效率，設(shè)備制造費(fèi)用也得到大幅度降低，同時(shí)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)3年免維護(hù)，可省去傳統(tǒng)壓裂車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變速箱等設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。更小的體積對(duì)井場(chǎng)的面積要求進(jìn)一步降低，能夠適應(yīng)更加苛刻的施工環(huán)境。

3.2 更加強(qiáng)大的高壓大排量輸出

HH6000電動(dòng)壓裂泵采用12in的沖程設(shè)計(jì)，液力端選用4.5in柱塞時(shí)，最大輸出排量可以達(dá)到3.597m3/min，選用5in柱塞液力端可以達(dá)到4.44m3/min。HH6000電動(dòng)壓裂泵在95MPa壓力下能夠保證2～2.5m3/min的施工排量，而相同壓力下常規(guī)壓裂車(chē)最大排量也只能維持1m3/min的施工排量。由此可看出，在相同的壓力工況條件下，電動(dòng)壓裂泵單泵的施工排量可以達(dá)到常規(guī)2500型壓裂車(chē)2.5～3倍，可有效減少壓裂施工所需要的設(shè)備數(shù)量。

由于超大沖程設(shè)計(jì)，電動(dòng)壓裂泵在保證高效輸出的同時(shí)，極大地降低了泵沖。設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性得到進(jìn)一步的提高，易損件的使用壽命也得到了有效的延長(zhǎng)，檢泵頻次進(jìn)一步降低，極大地減輕了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。壓裂泵液力端如圖3所示。

圖3 壓裂泵液力端

3.3 更加安全的保護(hù)系統(tǒng)

HH6000電動(dòng)壓裂泵配備智能邏輯控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)雙重安全保護(hù)系統(tǒng)，即智能電子安全閥和機(jī)械安全閥，可以提供實(shí)時(shí)可靠的安全保護(hù)，確保施工作業(yè)更加安全。

整個(gè)電子安全閥控制系統(tǒng)由HMI、PLC、中壓變頻器、壓裂泵、壓力傳感器和工業(yè)以太網(wǎng)共同組成。PLC控制器作為整個(gè)電子安全閥系統(tǒng)的主控制器，讀取HMI上操作員設(shè)置的壓裂泵排出壓力的設(shè)定值及柱塞型號(hào)，計(jì)算出所需要在變頻器上限制的電機(jī)扭矩值，PLC、變頻器與壓裂泵組成一個(gè)反饋系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)和限制電機(jī)扭矩的給定值，當(dāng)泵壓產(chǎn)生的力和電機(jī)扭矩產(chǎn)生的力達(dá)到平衡時(shí)，確保電機(jī)再不能提供高于工作泵壓的扭矩，準(zhǔn)確地控制泵壓不超限，從而對(duì)整個(gè)電動(dòng)壓裂裝備的工作過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的安全保護(hù)。

在實(shí)際使用過(guò)程中，排出壓力設(shè)定值可以根據(jù)工況隨意設(shè)定，小排量試壓控制簡(jiǎn)便、安全，是常規(guī)壓裂設(shè)備無(wú)法達(dá)到的。也能根據(jù)工況需要采用任意階梯設(shè)置，避免壓裂事故的發(fā)生，并能最大程度保證壓裂施工。

3.4 更智能的控制系統(tǒng)

電動(dòng)壓裂泵控制系統(tǒng)設(shè)有單泵控制和泵組控制兩類(lèi)。采用單泵控制時(shí)候，可以在控制面板上控制每臺(tái)電動(dòng)壓裂泵上的全部電器設(shè)備，并監(jiān)控電器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，保證控制人員對(duì)設(shè)備的絕對(duì)控制。當(dāng)切換到泵組控制模式，則交由程序自動(dòng)控制，指揮人員只需要輸入所需要的排量即可。程序會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)所需要的輔助系統(tǒng)，并自動(dòng)分配輸出排量。使用過(guò)程中，任何設(shè)備的異常，如VFD房冷卻水溫過(guò)高等，程序會(huì)自動(dòng)控制排量的重新分配，而不會(huì)影響總排量的輸出。

壓裂作業(yè)惡劣的工況，設(shè)備難免會(huì)發(fā)生一些故障。當(dāng)遇到這些突發(fā)狀況的時(shí)候，故障電動(dòng)壓裂泵能夠無(wú)縫切換到備用設(shè)備，而不會(huì)對(duì)施工產(chǎn)生任何影響。一次雙泵無(wú)縫切換過(guò)程如圖4所示，從實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)泵均分2.5m3/min排量，到實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)泵2.5m3/min排量的切換，在兩臺(tái)泵均分和切換排量過(guò)程中始終保持2.5m3/min的總排量不變，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)泵并行聯(lián)作無(wú)干擾、可以達(dá)到排量任意切換的無(wú)縫銜接。

圖4 兩臺(tái)電動(dòng)泵排量切換圖

3.5 系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保

電動(dòng)壓裂泵不需要噪聲巨大的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠顯著降低噪聲，提升現(xiàn)場(chǎng)工作的安全性，減少對(duì)周邊居民的打擾。電動(dòng)壓裂泵所使用的新型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)效率可以達(dá)到97%，明顯高于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。施工過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)零排放，對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何影響?？烧嬲龑?shí)現(xiàn)壓裂作業(yè)低噪聲、零排放的目標(biāo)，高效、節(jié)能和環(huán)保。

4 電動(dòng)壓裂泵應(yīng)用情況

截止目前，HH6000電動(dòng)壓裂泵已完成重慶南川、四川威遠(yuǎn)、重慶武隆區(qū)塊等多個(gè)平臺(tái)的壓裂作業(yè)。以武隆區(qū)塊示范井為例，工程施工排量要求為16～18m3/min，施工壓力預(yù)測(cè)60～80MPa。按照施工工藝要求現(xiàn)場(chǎng)需配套2500型壓裂車(chē)18臺(tái)，實(shí)際施工配置采用8臺(tái)6000HP電動(dòng)壓裂泵和6臺(tái)2500型壓裂車(chē)（注酸和備用），電動(dòng)壓裂泵主要由工區(qū)電網(wǎng)提供電力能源，現(xiàn)場(chǎng)配套負(fù)荷為22000kW電網(wǎng)線路。電動(dòng)壓裂泵布置如圖5所示。

圖5 電動(dòng)壓裂泵布置圖

8臺(tái)新型HH6000電動(dòng)壓裂泵參與完成了武隆區(qū)塊示范井的全部壓裂作業(yè)，總施工時(shí)間19d，共進(jìn)行了20段壓裂作業(yè)，其中4段的單段壓裂作業(yè)液量超過(guò)3000m3。全部壓裂加砂作業(yè)，平均每段供液占比超過(guò)75%，單段液量最大貢獻(xiàn)率達(dá)到83%，設(shè)備未出任何機(jī)械故障，表現(xiàn)良好。

正常施工過(guò)程中，單泵排量穩(wěn)定在2.2～2.5m3/min運(yùn)行，最高壓力88MPa，平均壓力70MPa，累計(jì)施工液量30465m3，單段供液1523m3，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間2760min，平均單段穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間138min，未出現(xiàn)任何故障，表現(xiàn)出極高穩(wěn)定性。

由現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，采用8臺(tái)電動(dòng)壓裂泵即可滿足施工要求，比傳統(tǒng)方式節(jié)約12臺(tái)壓裂車(chē)，按20段全電動(dòng)壓裂計(jì)算，可節(jié)約費(fèi)用427萬(wàn)元。同時(shí)，施工噪聲由120dB降至80dB以下，單井單泵減排5.1萬(wàn)Nm3二氧化碳。電動(dòng)壓裂泵在作業(yè)效率、控制精度、環(huán)保節(jié)能、安全穩(wěn)定和節(jié)約費(fèi)用等方面得到了驗(yàn)證。

5 結(jié)論與建議

電動(dòng)壓裂泵以其新穎的結(jié)構(gòu)、機(jī)電融合智能化的控制方式和優(yōu)良的使用性能贏得了用戶(hù)的青睞，通過(guò)多口井的現(xiàn)場(chǎng)壓裂應(yīng)用證明，該電動(dòng)壓裂裝備符合頁(yè)巖氣大型壓裂的高壓力、高排量，施工時(shí)間長(zhǎng)，占地面積小的作業(yè)要求，能滿足常規(guī)壓裂連作施工[6]，由此可以說(shuō)，壓裂裝備的電動(dòng)化引領(lǐng)了壓裂施工作業(yè)的新模式，全電動(dòng)壓裂技術(shù)是未來(lái)頁(yè)巖氣大型壓裂攻關(guān)的主要發(fā)展方向。

電動(dòng)壓裂泵采用機(jī)電融合集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)、DBS交流中壓變頻控制技術(shù)，突破了現(xiàn)有壓裂泵常規(guī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的4500kW大功率驅(qū)動(dòng)和對(duì)壓裂泵的全數(shù)字化精準(zhǔn)控制，具有大型規(guī)?；瘔毫炎鳂I(yè)優(yōu)勢(shì)，其供液能力通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)證實(shí)為2500型壓裂車(chē)的2.5倍能力以上。與常規(guī)壓裂車(chē)相比，節(jié)能、減排、降本增效的優(yōu)點(diǎn)突出，電動(dòng)壓裂泵技術(shù)具有較好的推廣使用經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

多臺(tái)電動(dòng)壓裂泵并行運(yùn)行可行，通過(guò)該井雙泵切換試驗(yàn)和雙泵并行運(yùn)行試驗(yàn)，論證出多臺(tái)電動(dòng)泵并行聯(lián)作施工、聯(lián)作指揮、常規(guī)壓裂車(chē)與電動(dòng)泵混合施工可行，無(wú)干擾，滿足穩(wěn)定切換排量、轉(zhuǎn)換設(shè)備需要。后續(xù)控制系統(tǒng)可與壓裂車(chē)指揮系統(tǒng)進(jìn)行兼容，更好地實(shí)現(xiàn)一體化指揮。

電動(dòng)壓裂泵為電力驅(qū)動(dòng)，在降本同時(shí)對(duì)電力負(fù)荷要求高，建議在頁(yè)巖氣規(guī)模化開(kāi)發(fā)前開(kāi)發(fā)方案統(tǒng)一設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)域的網(wǎng)電架設(shè)，避免在施工過(guò)程電力負(fù)荷不夠，重復(fù)鋪設(shè)網(wǎng)電，增加施工成本。