電驅壓裂設備在頁巖氣儲層改造中的應用

張 斌 李 磊 邱勇潮 戴啟平 李雙鵬 鄧友超

1. 中國石油寶雞石油機械有限責任公司 2. 國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心 3. 西南交通大學4. 中國石油川慶鉆探工程有限公司 5. 中國石油西南油氣田公司

0 引言

天然氣在未來全球能源結構中將發揮越來越重要的作用。預計到2035年，天然氣將超越石油成為全球第二大能源[1]。在國家重大政策驅動下，我國天然氣消費量增長強勁，天然氣對外依存度不斷上升，由2000年的15.9%增長到2019年的45.2%。與此同時，我國頁巖氣資源豐富，是我國天然氣增儲上產的關鍵領域，目前頁巖氣仍處于勘探開發初級階段，增長潛力巨大[2-3]。要實現頁巖氣的高效、經濟開發，實施儲層壓裂改造是一項重要的技術步驟，壓裂設備是實施儲層改造的核心裝備[4]。

隨著頁巖氣勘探開發技術的突破和商業性開發程度的加深，目前頁巖氣開發對象逐步向深層進軍。隨著深度的增加，頁巖氣的地質特征及其壓裂工藝技術都發生了較大變化[5-7]，儲層改造面臨成本偏高、環保約束等挑戰[8-9]，這對壓裂設備提出“降成本、綠色化”的新要求。現階段，2500型柴油動力壓裂車是國內頁巖氣水平井大規模工廠化壓裂作業的主力機型，但在作業過程中，普遍存在設備功率利用率低、作業成本高、施工安全風險高以及環境污染等重大問題[10]。與常規柴油動力壓裂設備相比，電驅壓裂設備具有高效率、低成本、安全節能等技術優勢，符合頁巖氣壓裂作業“降成本、綠色化”的發展需要[11]。為此，筆者調研了國內外電驅壓裂設備的技術進展和應用現狀，針對電力傳動這一決定電驅壓裂設備性能的關鍵技術開展研究，分析大功率交流變頻的技術特點以及不同技術類型應用于電驅壓裂設備的適應性，結合2500型電驅壓裂車在四川威遠實施頁巖氣儲層改造壓裂作業的試驗情況，進行電力驅動與柴油驅動的對比分析，以期對電驅壓裂設備在頁巖氣儲層改造中的應用提供可靠的實踐依據。

1 電驅壓裂設備技術進展

美國和中國是全球壓裂設備的主要生產國，兩國生產的壓裂設備代表著世界先進技術水平。北美地區頁巖氣儲藏地形平坦，道路狀況良好，井場面積較大，具有多臺大型設備的容納能力，因此北美頁巖氣的電驅壓裂設備以“雙泵+半掛車”結構為主，壓裂泵采用已在柴油動力壓裂設備上經過充分驗證的2 000～3 500 hp（1 hp=0.735 5 kW，下同）成熟產品[12]。但是我國頁巖氣藏多處在山區，井場面積受限，設備布置困難，因此國產電驅壓裂設備更多采用“小體積、大功率”的單泵技術路線，以提高單機功率密度、減少井場設備數量和井場占地面積。

1.1 國外技術發展及應用現狀

美國是頁巖氣開發技術領先、商業化最成功的國家，憑借大功率柴油發動機、高性能變速箱等核心技術，哈里伯頓、斯倫貝謝、雙S等公司在柴油動力壓裂設備領域處于技術領先水平，但是受低油價等因素的影響，上述廠家先后暫停了大功率電驅壓裂設備的研發。目前，美國的電驅壓裂設備制造商主要包括美國油井服務公司（US Well Service，簡稱USWS）和發展油氣井服務公司（Evolution Well Service，簡稱 EWS）。

1.1.1 美國油井服務公司（USWS）

USWS公司推出的CleanFleet?電驅環保壓裂技術是一種天然氣驅動的純電動、可移動式壓裂系統（圖1）。系統采用燃氣渦輪發電機組配套電驅壓裂泵車。泵車為雙機雙泵的半掛車結構，單電機功率為1 750 hp，電機工作電壓600 V，單車功率為3 500 hp。自2014年投入使用以來，CleanFleet?電驅壓裂技術已先后在Marcellus、Utica、Niobrara-DJ、Permian、Eagle Ford等頁巖開采區實施壓裂作業，節能減排效果明顯，減少99%的氮氧化物排放，節省多達90%的燃料成本和高達40 000美元/d的運營成本。

圖1 USWS公司CleanFleet?電驅壓裂泵車照片

1.1.2 美國發展油氣井服務公司（EWS）

EWS公司推出的電驅壓裂系統包括燃氣發電機組和7000型壓裂拖車。泵車為單機雙泵的半掛車結構，電機功率為7 000 hp，同時驅動兩臺3 500 hp的五缸壓裂泵。目前EWS擁有6個以上全電驅壓裂車隊，總容量超過300 000 hp。現場采用井口氣作為燃料發電，可降低燃料成本95%，排放的污染氣體遠低于美國環境保護署規定的Tier 4標準。在常規柴油動力壓裂車隊只能運行7～8 h的地區，電驅壓裂車隊平均每天運行16 h時，同時減少了60%的人員配置和40%的井場用地（圖2）。

圖2 EWS公司電驅壓裂車隊照片

1.2 國內產品研制及應用現狀

我國電驅壓裂設備的主要廠家包括中國石油寶雞石油機械有限責任公司（以下簡稱寶石）、中國石化四機石油機械有限公司（以下簡稱四機）、中國航天科工集團四川宏華石油設備有限公司（以下簡稱宏華）和煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司（以下簡稱杰瑞）等。

1.2.1 中國石油寶雞石油機械有限責任公司

寶石從2017年開始電驅壓裂設備的研發，現已形成系列化，產品包括2500型電驅壓裂車、3000型和7000型電驅壓裂橇，電機工作電壓涵蓋690 V、3.3 kV、6.0 kV和6.6 kV。其中，3000型電驅壓裂橇包括分體式和一體式兩種結構，7000型電驅壓裂橇是目前全球單泵輸出功率最大的壓裂設備（圖3）。

圖3 寶石系列電驅壓裂設備組圖

2500型電驅壓裂車采用與常規柴油動力2500型壓裂車相同的“一車裝”結構形式，即變壓與變頻系統、控制系統、電機、壓裂泵全部集成在四橋底盤車上，整車質量43 t，滿足道路運輸不超限的要求。該車采用全國產QPI-2800A壓裂泵，配置 ?101.6 mm柱塞時的最高工作壓力達140 MPa，配置?165.1 mm柱塞時的最大排量達8.16 m3/min，整車最大輸出功率可達2 500 hp。由于電驅壓裂車采用交流變頻技術，可以實現排量的連續調節，如圖4所示，其功率區間可以完全覆蓋常規2500型柴油動力壓裂車的一～七檔范圍。目前該車已在四川頁巖氣平臺完成首次先導性工業試驗。

圖4 電驅動與柴油驅動2500型壓裂車參數對比圖

1.2.2 中國石化四機石油機械有限公司

依托國家重大專項“超大功率電動成套壓裂裝備研制”項目支持[13]，四機從2014年開始電驅壓裂設備的研發，主要產品包括4500型、5000型、5500型電驅壓裂橇和4500型電驅壓裂車，是國內少數采用“單機雙泵”配套方案的廠家（圖5）。

圖5 四機系列電驅壓裂設備組圖

2017年，兩套4500型電驅壓裂橇在重慶涪陵焦頁193號平臺首次參與完成了3口井、共23層段的施工作業。5000型和5500型電驅壓裂橇采用3.3 kV/4 100 kW六相永磁同步電機，分別對應SQP2800和SQP3300兩種壓裂泵配置。2019年3月，7臺5000型電驅壓裂橇與4臺3000型常規柴油動力壓裂車采用“油+電”組合模式在重慶涪陵焦頁82號平臺完成4口井、合計79段的壓裂施工作業，試驗效果良好。

1.2.3 中航科工四川宏華石油設備有限公司

宏華是國內最早專注電驅壓裂設備研發的企業，產品以6000型電驅壓裂橇為主（圖6）。首臺HH6000型電驅壓裂橇于2012年亮相OTC，隨后于2015年投入工業應用，先后在美國加州AERA井場、四川宜賓H9、重慶涪陵焦頁194-2HF和195-1HF等頁巖氣平臺參與壓裂施工作業[14-16]。由于壓裂泵沖次高，作業過程中出現易損件壽命短、吸入管匯上水困難等問題。為此，宏華推出新一代HH6000型電驅壓裂橇，增加了壓裂泵沖程，以降低泵沖，提高易損件壽命，同時升級變頻系統，升高電機工作電壓，減小電機工作電流，減少系統發熱。目前，宏華HH6000電驅壓裂橇是國內推廣使用最多的電驅壓裂設備。

圖6 宏華HH6000型電驅壓裂橇組圖

1.2.4 煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司

杰瑞是國內較早生產壓裂設備的廠家之一，現已初步形成電驅壓裂成套裝備的系統解決方案，包括電驅壓裂設備、電驅混砂設備、電驅混配設備、電驅連續輸砂裝置等。其中5000型電驅壓裂橇于2016年推出，目前已在新疆、四川等地參與壓裂作業。同時結合北美壓裂工況，杰瑞還相繼推出7 000 hp和10 000 hp的電驅壓裂設備（圖7）。7 000 hp采用橇裝結構，配套其自主研制的JR7000QP五缸柱塞泵，10 000 hp則采用“雙泵+半掛車”結構。

圖7 杰瑞系列電驅壓裂橇組圖

綜上所述，目前國產電驅壓裂設備的制造技術已基本成熟，產品已形成系列化：單機功率為2 500～10 000 hp，單泵功率為2 500～7 000 hp；結構形式以橇裝為主，兼有車載和半掛車；電機與壓裂泵的配套方案以“單機單泵”為主，只有四機和杰瑞部分產品采用“單機雙泵”方案。與國外同類產品相比，國產電驅壓裂設備的整體技術水平與國外相當，設備單機功率和單泵功率更大，產品類別也更豐富（表1）。

表1 國內外電驅壓裂設備對比表

2 電驅壓裂設備關鍵技術

電驅壓裂設備是將壓裂泵的驅動動力由柴油發動機改為電機，通過大功率變頻系統控制電機，驅動壓裂泵[17]。相比傳統柴油動力壓裂設備是通過變速箱切換檔位來分級調節壓裂泵的輸出壓力和排量[18]，電驅壓裂設備則是通過變頻技術實現了電機轉速和扭矩的連續控制，可以更好地滿足深層頁巖氣儲層改造工藝對泵送設備輸出壓力和排量精確控制的要求，因此作為動力源的大功率變頻技術是決定電驅壓裂設備工作性能的一項關鍵技術。

電驅壓裂設備在選用變頻技術時，需充分考慮輸出電壓和功率引起的系統發熱、功率器件對電網造成的諧波污染、間歇性作業模式和帶載啟動作業工況要求，以及外形尺寸和設備重量須滿足系統集成和井場道路運輸等多種因素的影響。目前國內廠家生產的電驅壓裂設備所配套的大功率變頻系統主要包括3種技術類型：低壓變頻技術、IGBT高壓變頻技術和IGCT高壓變頻技術。

2.1 低壓變頻技術

低壓變頻系統是指輸出電壓1 kV以下，電壓等級主要包括230 V（208～240 V）、400 V（380～415 V）、500 V（380～500 V）和690 V（525～690 V）。電驅壓裂設備的電機功率一般都在2 000 kW以上，即使采用690 V的電壓，變頻器輸出電流也非常大，按照經驗公式計算，690 V變頻器的輸出電流值（以A為單位）通常是其輸出功率值（以kW為單位）的1.1倍，即690 V/2 000 kW變頻器輸出電流大約為2 200 A。大電流勢必會帶來電機發熱、電磁干擾以及電纜尺寸和重量大、鋪設困難等問題。因此，國內采用低壓變頻技術的電驅壓裂設備不多，典型產品包括寶石2500型電驅壓裂車和四機4500型電驅壓裂橇，兩套壓裂設備都是采用690 V電壓等級的變頻系統。其中2500型電驅壓裂車配套的交流變頻系統額定功率為2 200 kW，變頻系統前端采用24脈移相整流變壓系統，額定容量為2 500 kVA，后端驅動690 V/2 000 kW三相電機。為了克服大尺寸電纜鋪設困難的問題，變頻器與電機之間的動力電纜已預制固定在車上，現場作業時，只需要連接一組三相10 kV的受控電源電纜，電纜終端采用插接件，連接快速輕便。

為了解決低壓變頻系統大電流的問題，四機4500型電驅壓裂橇采用九相690 V/2 400 kW電機和三組690 V/1 200 kW逆變裝置的技術方案，以降低變頻系統的單組功率和負載電流，從而突破了低壓變頻技術在大功率壓裂設備領域的應用瓶頸。但是由于多相逆變器的功率器件數目相對較多，控制比三相逆變器復雜，變頻器可靠性降低，設備帶載啟動時，容易出現因電流過大引起的變頻器停機故障。同時由于變頻器和電機分屬不同運輸單元，加之采用的是九相電機，隨著相數增加，電機的出線電纜數量增多，作業時現場需要連接9根大規格電纜，加重了現場人員的體力勞動。

2.2 IGBT高壓變頻技術

絕緣柵雙極型晶體管 （Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT）是由雙極型三極管BJT和絕緣柵型場效應管MOS組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，目前大功率IGBT功率器件的額定值包括2 400 A/1 200 V、1 800 A/1 800 V、1 500 A/2 500 V、1 200 A/3 300 V和600 A/6 500 V。根據IGBT器件耐壓等級的不同，IGBT高壓變頻技術可分為兩大類：一是采用低壓IGBT功率單元串聯的多電平高壓變頻技術，二是采用高壓IGBT功率器件和中性點鉗位技術的三電平高壓變頻技術，兩者都是目前國內高壓變頻器市場的主流技術。前者是通過多組低壓IGBT功率單元串聯實現高壓輸出，由于輸入側采用移相變壓器，可消除對電網的諧波污染，因此又被業界稱為“完美無諧波”。國內企業在最初開發電驅壓裂設備時，曾經采用過該項技術，但是因為不能實現無熔斷器設計，而且電子器件和功率節點多、可靠性差、體積和重量大，不適合電驅壓裂設備頻繁移運的工況要求等缺點，最終放棄。目前國產電驅壓裂泵送設備沒有再使用過該項技術。

后者則是采用高壓IGBT功率器件，實現變頻器輸出電壓達到3.3 kV。該技術具有電路拓撲結構簡單可靠、輸出頻率和效率高、動態性能好、轉矩脈動小、多脈沖整流、網側諧波小等優點，目前已在寶石3000型一體式電驅壓裂橇、四機5000型和5500型電驅壓裂橇、杰瑞5000型和7000型電驅壓裂橇等泵送設備上進行配套，但上述設備在油田現場的工業應用時間和規模有限，技術的穩定性和可靠性還需進一步驗證。

2.3 IGCT高壓變頻技術

集成門極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristor，簡稱IGCT）是ABB公司的專利技術，旗下ACS1000、ACS5000、ACS6000系列的大功率變頻產品都是采用IGCT功率器件的三電平高壓變頻器，其電路拓撲結構與采用高壓IGBT功率器件和中性點鉗位技術的三電平高壓變頻技術相同。該項技術是現階段國內電驅壓裂設備中應用最多的，配套設備包括寶石3000型分體式和7000型電驅壓裂橇、宏華6000型電驅壓裂橇。

宏華第一代6000型電驅壓裂橇采用ABB公司ACS1000系列水冷12脈變頻器，輸出功率為4 500 kW，額定輸出電壓為3.3 kV，額定電流為941 A。2017年升級后的第二代6000型電驅壓裂橇改用ABB公司ACS5000系列風冷36脈變頻器，輸出功率不變，額定輸出電壓為6 kV，額定電流降為510 A。與第一代產品相比，新產品采用的變頻系統雖然同樣是三電平拓撲結構，但是每相采用兩個單元級聯方式，從而提升輸出電壓，降低工作電流，這有利于減少系統發熱，減小電纜尺寸和重量，減輕現場工人鋪設電纜的勞動強度；同時36脈整流器諧波更小，對前端電網更加友好。

寶石3000型分體式電驅壓裂橇和7000型電驅壓裂橇也都是采用ABB公司ACS5000系列風冷36脈變頻器，輸出電壓分別為6.0 kV和6.6 kV。通過模塊化設計，開關柜、變壓器、變頻器與電機、壓裂泵分別獨立成橇，單橇尺寸小、重量輕，運輸方便；同時，配電管理和變頻系統可以實現對壓裂泵橇“一對多”的驅動控制。

綜上所述，電驅壓裂設備采用的大功率變頻技術在電路拓撲結構方面將以三電平為主流技術，相對單元級聯多電平拓撲結構，三電平結構允許變頻器與電機之間的電纜長度更長，這樣可以將集成電機的壓裂泵橇和變頻器分別做成獨立的運輸單元，有利于實現單機功率的更大化，提高設備功率密度。在功率器件選擇方面，相同功率條件下，IGBT模塊功耗比IGCT大、發熱量更大，加之IGBT模塊采用機械焊接的多層結構，在短時間間隔內承受快速變化的負載加熱和冷卻，會對材料和焊接點產生疲勞，容易引起模塊失效，因此IGBT高壓變頻技術的可靠性還需進一步的試驗驗證。

3 現場應用分析

近年來，圍繞電驅壓裂設備國內曾開展過一些試驗研究[15-16]，但研究對象主要是超大功率的電驅壓裂橇裝設備，對與傳統柴油動力壓裂車同等功率的電驅壓裂設備缺乏相應的對比試驗，為此以寶石2500型電驅壓裂車為試驗對象開展現場應用分析。

2019年12月20日至2020年1月3日，寶石2500型電驅壓裂車在四川內江的威204H42頁巖氣平臺進行首次工業性試驗（圖8）。該平臺屬于威遠構造中奧陶統頂部構造南翼，下志留統龍馬溪組構造平緩，斷層不發育，井深范圍4 500～5 200 m，每段壓裂液體規模約1 600 m3，加砂量約121 t。平臺施工作業采取單機組拉鏈式壓裂模式，同時作業的壓裂設備還包括2500型柴油動力壓裂車和其他廠家的超大功率電驅壓裂橇裝設備。試驗過程中，2500型電驅壓裂車共參與壓裂施工作業29段，累計運行3 524 min，泵送液量2 896.4 m3，總耗電量56 247 kWh，泵送單位體積液體的平均耗電量為19.42 kWh/m3。壓裂泵采用?101.6 mm柱塞，泵送排量0.6～1.0 m3/min，工作壓力64～81 MPa，平均輸出功率1 280 hp，平均負荷率為51.2%，設備全過程運行良好。

作業期間，2500型電驅壓裂車的供電電源取自井場10 kV/10 000 kVA的國家電網，該供電線路除用于電驅壓裂設備外，還為相鄰平臺的供水裝置提供電源。試驗過程中，當實際用電負荷超過電網額定容量時，電驅壓裂車出現變頻器輸出電壓從602 V瞬時下降至313 V的情況，由此帶來壓裂車輸出排量從0.8 m3/min下降至0.23 m3/min（圖9）。經測試，當用電負荷超過電網額定容量時，電網電壓僅為4.8 kV，相對10 kV額定電壓，電壓波動已超過50%，超出變頻器允許的±10%輸入電壓波動范圍，此時變頻器輸出電壓和功率均大幅下降，壓裂泵排量瞬間下降了近65%。如果電網超載發生在加砂提排量階段，容易引起砂堵等井下復雜事故。因此，井場電網容量是影響電驅壓裂設備施工作業的重要因素。

圖9 變頻器輸入電壓對設備輸出排量的影響圖

經濟效益方面，2500型電驅壓裂車在64～81 MPa工作壓力范圍內，泵送單位體積液體的平均耗電量為19.42 kWh/m3。按照0.7元/kWh電價計算，2500型電驅壓裂車泵送單位體積液體的平均電力費用約為13.6元/m3。同平臺的常規柴油動力2500型壓裂車，泵送單位體積液體的平均耗油量為6 L/m3，折算燃料費用約為43.5元/m3。因此在同等條件下施工，電力驅動比柴油驅動可節省燃料動力費用約68%。此外，2500型電驅壓裂車省去了大功率柴油發動機、變速箱等高成本進口部件，壓裂泵、電機等主要部件實現國產化，設備購置成本較同等水馬力的柴油動力壓裂車還可降低10%～20%，綜合經濟效益更加明顯。

4 結論與建議

通過對比國內外電驅壓裂設備技術現狀，結合我國油氣開發和工程作業實際，就電驅壓裂設備在頁巖氣儲層改造中的推廣應用提出意見和建議。

1）我國電驅壓裂設備的整機技術與國外并無明顯差距，在單泵功率等方面甚至還具有一定的技術優勢，但是作為電驅壓裂設備的一項關鍵技術，我國的高壓大功率變頻技術與國外還存在不小差距，特別是高壓大功率半導體器件長期依賴進口，這可能成為未來我國電驅壓裂設備大規模發展的“卡脖子”技術，建議提前布局，聯合國內專業廠家開展相關基礎研究。

2）北美電驅壓裂井場大多采用燃氣輪機發電，得益于低廉的天然氣價格，北美電驅壓裂設備的燃料成本優勢更加明顯。而目前我國川渝頁巖氣井場兼有網電和燃氣發電，一方面由于將網電基建費用折算到電價里，造成用電價格較高；另一方面大部分井場的電網容量是按照鉆井作業的需要來配置的，無法滿足全電動壓裂的供電要求，目前國內只有少數井場實現了全電動壓裂，大部分還是采用油電混合作業模式，造成電驅壓裂設備的作業成本優勢沒能得到完全發揮，因此建議頁巖氣平臺建設規劃時，能夠系統考慮鉆井、壓裂的用電需求，為電動壓裂設備大規模應用提供電力保障。

3）大功率是目前國產電驅壓裂設備的努力方向，但是隨著單泵功率的增大，如何保證壓裂泵的可靠性、泵橇體積和重量增大造成運輸困難等問題都將日益突顯，因此建議將提高單機功率密度作為電驅壓裂設備的發展方向。

4）目前國產電驅壓裂設備以橇裝結構為主，其移運的便捷性和靈活性不如車裝形式，筆者介紹的2500型電驅壓裂車具有電驅壓裂設備的成本和環保優勢，同時兼具傳統柴油動力壓裂車機動靈活的移運性能，適合在黃土溝壑、丘陵山地等道路條件較差的壓裂井場推廣應用。