中國頁巖氣開發(fā)經(jīng)濟(jì)環(huán)保的壓裂裝備解決方案

謝丹 文琴

（四川宏華電氣有限責(zé)任公司，四川 成都 610036）

在美國“頁巖革命”的影響下，世界主要頁巖氣資源國均在不同程度上加大了對(duì)本國頁巖氣資源的開發(fā)力度，中國是積極的國家之一。中國政府相繼出臺(tái)鼓勵(lì)政策，引導(dǎo)和支持頁巖氣的開發(fā)，并計(jì)劃2020年力爭(zhēng)達(dá)到巖氣產(chǎn)量300億立方米，2030年實(shí)現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)量800~1000億立方米[1]。這為頁巖氣開采的裝備制造、壓裂服務(wù)等相關(guān)企業(yè)帶來非常大的機(jī)遇。為了開發(fā)頁巖氣，首先得了解頁巖氣藏。

一、頁巖氣藏地質(zhì)情況及開采要求

頁巖氣成藏機(jī)理與天然氣不同，頁巖氣主要以吸附狀態(tài)或游離狀態(tài)存在于頁巖孔隙和天然裂縫之中，其分布地域廣、連續(xù)性長。頁巖氣藏是大規(guī)模富含有機(jī)質(zhì)的頁巖在地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)作用下生成的天然氣滯留于頁巖中富集而形成。見圖1：

圖1：頁巖油、頁巖氣、致密砂巖油、致密砂巖氣

中國頁巖氣藏主要分布在四川盆地南部、川東部、重慶-武漢沿長江經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域、鄂爾多斯盆地、滇東北部，以海相頁巖分布為主[2]，氣藏深度3000~5000米，少部分氣藏深度在3000以內(nèi)，部分井下壓力最高達(dá)140Mpa，前往開發(fā)區(qū)塊的道路崎嶇，作業(yè)井場(chǎng)小，頁巖間的孔隙太小、且滲透率低、流體流動(dòng)性差、氣流阻力大，導(dǎo)致頁巖氣開采的難度很大，需要大功率水力壓裂裝備，運(yùn)用多種施工技術(shù)手段，大量水、砂和化學(xué)試劑的混合液壓入地層深處的頁巖層中，對(duì)巖縫進(jìn)行改造，以改變井間、段間、簇間的應(yīng)力擾動(dòng)程度，使巖縫網(wǎng)絡(luò)充分發(fā)育，形成相通的縫網(wǎng)[3]，最終實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。本文將著重介紹水力壓裂裝備相關(guān)內(nèi)容。

二、我國頁巖氣開發(fā)水力壓裂技術(shù)對(duì)裝備的要求

1947年美國進(jìn)行首次水力壓裂成功，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，壓裂裝備與技術(shù)的發(fā)展，尤其是水力壓裂技術(shù)對(duì)頁巖氣縫網(wǎng)改造、增產(chǎn)等方面都取得了巨大的突破。目前成熟的水力壓裂技術(shù)有清水壓裂、多級(jí)壓裂、混合壓裂、同步壓裂、水力噴射壓裂和重復(fù)壓裂[4]。隨著近年我國頁巖氣開發(fā)需求增大，長時(shí)間、連續(xù)的大排量、大砂量、大液量壓裂作業(yè)已是常態(tài)，超大功率壓裂裝備的需求逐漸增大，具有環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、安全、性能可靠、占地小等特點(diǎn)的壓裂裝備已是迫切的需要。水力壓裂的主要設(shè)備由多臺(tái)大功率的壓裂泵、混砂車、儀表車、高壓管匯等組成。一口深度3000米、水平段長1000米的頁巖氣水平井，常規(guī)分段壓裂作業(yè)需要2萬水馬力以上的壓裂泵。壓裂泵的功能是將高壓、大排量具有一定黏度的液體壓入地層，壓開氣層縫隙，利用攜帶的陶粒、沙粒對(duì)縫隙進(jìn)行改造和擴(kuò)張。通常壓裂液有水基壓裂液、油基壓裂液、乳狀壓裂液、泡沫壓裂液及酸基壓裂液5種基本類型[5]，所以壓裂泵還需具有輸出壓力高、排量大、耐腐蝕、抗磨損性強(qiáng)的基本功能[6]。混砂車是將壓裂液從儲(chǔ)液罐吸入混砂罐，同時(shí)將支撐劑輸送到混砂罐，進(jìn)行攪拌混合后將含砂的混合液供給壓裂泵，并輔助供輸添加劑，配合壓裂車施工。儀表車通常具有自動(dòng)壓裂泵組控制、自動(dòng)化排量控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析等功能。

三、壓裂裝備的發(fā)展趨勢(shì)

隨著頁巖氣開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，超深井、水平井和大型壓裂也越來越多，施工規(guī)模達(dá)到萬立方米液量及千立方砂量級(jí)別，水平段壓裂發(fā)展到現(xiàn)在的20段以上，需要水功率達(dá)到42000HHP以上。為了進(jìn)一步加快施工速度、縮短投產(chǎn)周期、降低開采成本，在非常規(guī)致密油氣藏、非常規(guī)頁巖氣藏的開發(fā)上，已形成從式井、從式水平井的主體開發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)了工廠化作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)施工模式。新工藝、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，壓裂裝備以及輔助壓裂系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：

初步實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)“機(jī)械驅(qū)動(dòng)壓裂時(shí)代”到“電驅(qū)、電控自動(dòng)化壓裂”的轉(zhuǎn)變；逐步實(shí)現(xiàn)深入自動(dòng)化控制、“人機(jī)交互”向“數(shù)字化、信息化”轉(zhuǎn)變，逐步實(shí)現(xiàn)壓裂去柴油化、完全電動(dòng)化壓裂機(jī)組遠(yuǎn)程控制、混砂車自動(dòng)控制、壓裂系統(tǒng)及輔助壓裂系統(tǒng)設(shè)備一體化自動(dòng)控制；未來一定時(shí)期實(shí)現(xiàn)向“智能壓裂”的跨越，依托大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)、人工智能實(shí)現(xiàn)與智能技術(shù)更深融合。

四、選擇壓裂裝備考慮因素及選擇方法

壓裂裝備的選擇至關(guān)重要，選擇時(shí)我們可以從環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)性、安全性、產(chǎn)品性能4個(gè)維度，從廢氣排放、噪音、耕地占用、能效、作業(yè)成本、安全性、可靠性、易操作性8個(gè)因素來考慮，以便我們?cè)诓煌捻?xiàng)目做出更好的選擇。為此，我們以客觀的角度，以每平臺(tái)3口井考慮，平均每井壓裂20段，每段壓裂作業(yè)2.5h，施工排量14m3/min，施工總需求45000水馬力為例，將目前市場(chǎng)主流的2500型柴油壓裂車組和單機(jī)功率達(dá)6000HP的電動(dòng)壓裂泵，從以上提到的8個(gè)因素來進(jìn)行對(duì)比。表1：

表1：典型壓裂泵/車參數(shù)對(duì)比

根據(jù)兩種設(shè)備的參數(shù)，得到表2 對(duì)比數(shù)據(jù)：

表2 設(shè)備數(shù)量需求及占地面積

經(jīng)濟(jì)性方面，柴油壓裂車不僅燃油消耗成本高、能效低、尾氣排放大、噪音大，而且柴油機(jī)、變速箱、壓裂泵的保養(yǎng)維護(hù)成本高，而電動(dòng)壓裂泵以電為動(dòng)力，采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)柱塞泵，不僅效率大幅提升、能耗成本大幅降低、日常維護(hù)保養(yǎng)成本和人工成本也大幅下降。

根據(jù)有關(guān)新聞報(bào)道，某頁巖氣平臺(tái)壓裂作業(yè)時(shí)，有柴油車燃?xì)獯蠡穑⒉芭赃厜毫衍嚕ㄟ^此事件說明柴油車可靠性有待提高，且具有火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)過以上占地?cái)?shù)據(jù)、作業(yè)成本分析、噪音實(shí)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)新聞報(bào)道，我們得出表3對(duì)比表格：

表3：典型壓裂泵/車參數(shù)性能及特點(diǎn)

通過對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)電動(dòng)壓裂裝備具有較強(qiáng)的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，其環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠等均超越柴油壓裂裝備。

五、電動(dòng)壓裂成套裝備詳細(xì)介紹

下面我們具體看看電動(dòng)壓裂裝備系統(tǒng)組成、具體功能特點(diǎn)、性能參數(shù)，了解其優(yōu)勢(shì)究竟是怎么體現(xiàn)出來的。

6000HP電動(dòng)壓裂系統(tǒng)的組成主要包含電源、高壓房、6000HP電動(dòng)壓裂泵（橇）、VFD、數(shù)字控制房，可選設(shè)備有電驅(qū)數(shù)控混砂車、大容量水罐、高壓管匯，圖1為宏華集團(tuán)的6000HP電動(dòng)壓裂系統(tǒng)典型方案：

圖1：6000HP電動(dòng)壓裂系統(tǒng)典型方案

該方案不僅解決了部分區(qū)塊電網(wǎng)容量不足的問題，在環(huán)保性、設(shè)備占地、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、大排量、大砂量、大液量泵送等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)，可以滿足不同壓裂技術(shù)在井場(chǎng)應(yīng)用中的開發(fā)要求。

電源解決方面：在頁巖氣區(qū)塊開發(fā)前期，業(yè)主方根據(jù)鉆井、完井、產(chǎn)建的電源需求，整體規(guī)劃部署電源，使用電動(dòng)壓裂設(shè)備規(guī)模化開采，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊開發(fā)最大經(jīng)濟(jì)效益。如果遇到地區(qū)電網(wǎng)容量不足，該解決方案可以使用附近已產(chǎn)氣的平臺(tái)氣源，采用燃?xì)獍l(fā)電方式，提供補(bǔ)充電力，實(shí)現(xiàn)氣、電結(jié)合的良好效應(yīng)。由于每個(gè)項(xiàng)目電網(wǎng)現(xiàn)狀不同，該方案提供1~2臺(tái)高壓房，靈活搭配，為VFD提供可靠、穩(wěn)定的電力。

電動(dòng)壓裂系統(tǒng)的核心裝備是6000HP電動(dòng)壓裂泵和VFD。6000HP電動(dòng)壓裂泵采用4500kW交流變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)臥式五缸單作用柱塞泵，實(shí)現(xiàn)單泵最大輸出功率達(dá)6000HP，并且實(shí)現(xiàn)調(diào)速范圍寬、調(diào)速精確，可滿足不同作業(yè)工況，向井內(nèi)輸送高壓、精準(zhǔn)的壓裂液，在進(jìn)行射孔作業(yè)、地層造縫等方面表現(xiàn)突出。其最高泵壓達(dá)到140MPa@1.92m3/min，最大排量達(dá)到4.44m3/min@56MPa，一臺(tái)6000HP電動(dòng)壓裂泵的輸出排量相當(dāng)于2.5臺(tái)2500HP柴油壓裂車輸出排量。

圖2：6000HP電動(dòng)壓裂泵

圖3：6000HP電動(dòng)壓裂泵曲線圖

VFD采用DBS交流變頻控制技術(shù)，對(duì)變頻電機(jī)進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂泵的控制，可以滿足不同工作壓力和輸出排量的各種施工作業(yè)要求，在壓裂過程中，精準(zhǔn)的泵液控制可有效地對(duì)提高縫網(wǎng)改造效果，提高頁巖氣產(chǎn)量。為保證壓裂泵在施工過程中的安全，該壓裂泵設(shè)置有一套數(shù)字控制系統(tǒng)，運(yùn)用傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)采集壓裂泵在停機(jī)、施工中的信號(hào)和參數(shù)，并反饋到網(wǎng)絡(luò)控制箱中的控制器，控制器通過已設(shè)定的程序?qū)毫驯眠M(jìn)行控制和保護(hù)，不僅保障設(shè)備安全運(yùn)行，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)壓裂泵組中的每一臺(tái)壓裂泵進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、多臺(tái)壓裂泵的自動(dòng)排量控制和自動(dòng)壓力控制。

圖4：電動(dòng)壓裂泵系統(tǒng)控制截圖1

圖5：電動(dòng)壓裂泵系統(tǒng)控制截圖2

六、結(jié)論和認(rèn)識(shí)

水力壓裂技術(shù)是我國頁巖氣開發(fā)中成熟、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)頁巖氣井增產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益。

通過對(duì)目前頁巖氣開發(fā)常用壓裂裝備的對(duì)比，電動(dòng)壓裂裝備具有較強(qiáng)的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，不僅滿足大排量、大砂量、大液量的施工要求，其環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性均超越柴油壓裂車，頁巖氣開發(fā)壓裂裝備的發(fā)展朝著經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全、可靠的方向快速發(fā)展，以滿足企業(yè)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益的目標(biāo)發(fā)展，超大功率電動(dòng)壓裂裝備將是頁巖氣開發(fā)壓裂裝備選擇的大勢(shì)所趨。