電驅壓裂設備在頁巖氣儲層改造中的應用

謝元杰

[摘? ? 要]為滿足頁巖氣勘探開發需要，近年來各類新型壓裂工藝技術被引入頁巖氣儲層改造實踐，電驅壓裂設備技術是其中代表，相關理論研究和實踐探索近年來也大量涌現。基于此，分析了電驅壓裂設備的應用現狀，并結合頁巖氣儲層改造中電驅壓裂設備的現場應用，探討了頁巖氣儲層改造中電驅壓裂設備的升級方向。

[關鍵詞]電驅壓裂設備;頁巖氣;儲層改造

[中圖分類號]TE934.2 [文獻標志碼]A [文章編號]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

作為頁巖氣藏儲層改造的核心設備，壓裂設備向來受到業界重視。深層頁巖氣開發中儲層改造面臨著環保約束、成本偏高等挑戰，綠色化、降成本的壓裂設備屬于開發重點。現階段我國廣泛應用的柴油動力壓裂車在應用中存在作業成本高、功率利用率低、施工安全風險高等不足，而相較于這類常規柴油動力壓裂設備，電驅壓裂設備在安全節能、成本、效率方面均具備顯著優勢，近年來的發展極為迅速，由此本文研究具備較高現實意義。

1 電驅壓裂設備的應用現狀

1.1 行業現狀分析

全球壓裂設備主要由中美兩國生產，由于存在大量地形平坦的頁巖氣儲藏，美國多生產“半掛車+雙泵”結構的電驅壓裂設備，我國由于頁巖氣藏多處于山區，國產電驅壓裂設備多選擇單泵技術路線，以大功率和小體積為標準，致力于減少井場占地面積、減少井場設備數量、提升單機功率密度。以Clean Fleet?電驅環保壓裂技術為例，該電驅壓裂技術屬于一種天然氣驅動、可移動式的純電動壓裂系統，由美國USWS公司推出，系統由電驅壓裂泵車和燃氣渦輪發電機組組成，電機工作電壓、單電機功率、單車功率分別為600 V、1 286 kW（1 750 hp）、2 573 kW（3 500 hp），可在應用中實現氮氧化物排放的99%減少，同時可實現燃料成本的90%節約，每天能夠實現4萬美元的運營成本節約;在壓裂設備生產中，我國煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司有著較為豐富經驗，如今已形成包括電驅連續輸砂裝置、電驅混配設備、電驅混砂設備、電驅壓裂設備的電驅壓裂成套裝備系統解決方案，屬于國內電驅壓裂設備生產廠商代表。以該公司推出的5 145 kW（7 000 hp）電驅壓裂設備為例，該設備采用橇裝為主的結構形式，設有配套的JR7 000QP五缸柱塞泵，對比國外同類產品可以發現，國內外電驅壓裂設備的整體技術水平相當，同時國內設備存在更大的單泵功率和單機功率及更為豐富的產品類別。

1.2 關鍵技術分析

1.2.1 低壓變頻技術

電驅壓裂設備一般存在2 000 kW以上的電機功率，如電壓為690 V，將存在非常大的變頻器輸出電流，基于經驗公式開展計算，此時變頻器存在約2 200 A的輸出電流，電纜重量和尺寸變大、電磁干擾、電機發熱等問題會因此出現。國內電驅壓裂設備采用低壓變頻技術的不多，為解決大尺寸電纜鋪設難題，一般在車上預制固定動力電纜。為解決大電流問題，可設法降低變頻系統的負載電流和單組功率，如采用690 V/2 400 kW九相電機和三組690 V/2 400 kW逆變裝置，但受到相對較多的多相逆變器功率器件影響，其可靠性會降低，停機故障在設備帶載啟動時的發生概率也會上升，此外由于需要連接更多的大規格電纜，現場體力勞動也會加重。

1.2.2 高壓變頻技術（IGBT）

IGBT技術指的是絕緣柵雙極型晶體管技術，該技術可細分為多電平高壓變頻技術和三電平高壓變頻技術，前者串聯低壓功率單元，后者采用中性點鉗位技術和高壓功率器件。多電平高壓變頻技術下移相變壓器設置于輸入側，諧波污染問題能夠有效規避，但該技術在國內的應用較少。三電平高壓變頻技術具備動態性能好、轉矩脈動小、網側諧波小、輸出效率和頻率高等優勢，存在3.3 kV的變頻器輸出電壓，現階段在我國應用較為廣泛。

1.2.3 高壓變頻技術（IGCT）

IGCT技術指的是集成門極換流晶閘管技術，該技術在國內電驅壓裂設備中的應用最為廣泛，IGCT技術與三電平高壓變頻技術擁有相同的電路拓撲結構。綜合分析可以發現，三電平高壓變頻技術屬于我國電驅壓裂設備電路拓撲結構主流，該技術應用下電機與變頻器的允許電纜長度更長，更大的單機功率能夠順利實現，設備功率密度自然能夠隨之提升。在相同功率條件下，IGCT模塊的發熱量和功耗更小，相較于IGBT模塊優勢明顯，同時IGBT技術的可靠性還可能受到機械焊接多層結構的影響，這種影響源于焊接點和材料疲勞可能導致的模塊失效。

2 頁巖氣儲層改造中電驅壓裂設備的現場應用

以圍繞某型號電驅壓裂車開展的現場應用試驗為例，該型號電驅壓裂車的首次工業性試驗在某頁巖氣平臺開展，該平臺斷層不發育，存在4 500～5 200 m的井深范圍，以及1 600 m3的每段壓裂液體規模，存在121 t左右的加砂量。平臺基于單機組拉鏈式壓裂模式開展施工作業，同時作業的還包括柴油動力壓裂車、電驅壓裂橇裝設備（超大功率）等壓裂設備。在試驗過程中，案例電驅壓裂車參與29段壓裂施工作業，累計運行時間、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。壓裂泵的柱塞規格、工作壓力、泵送排量、平均負荷率、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%，全過程運行中設備表現良好。作業期間案例電驅壓裂車由井場國家電網供電，該線路同時為供水裝置提供電源。試驗過程中出現了超過電網額定容量的實際用電負荷，602 V的變頻器輸出電壓因此瞬時下降至313 V，電驅壓裂車的輸出排量隨之下降。基于試驗能夠確定，在超過電網額定容量的電驅壓裂車用電負荷出現時，會出現4.8kV的電網電壓，對比額定電壓10kV，此時存在50%以上的電壓波動，遠高于±10%的變頻器允許輸入電壓波動，這種情況下，大幅下降的變頻器輸出電壓和功率會導致瞬間下降的壓裂泵排量出現，具體存在近65%的瞬間下降，這說明電驅壓裂設備會受到井場電網容量的直接影響。

圍繞經濟效益開展進一步分析能夠發現，64～81 MPa內，案例電驅壓裂車在該工作壓力下存在19.42 kW·h/m3的平均耗電量，電價以0.7元/kW·h進行計算，該電驅壓裂車存在13.6元/m3的平均電力費用，泵送單位體積液體需要耗費13.6元。同平臺的常規柴油動力壓裂車平均耗油量、平均燃料費用分別為6 L/m3、43.5元/m3，頁巖氣儲層改造中電驅壓裂設備應用所具備的經濟優勢可見一斑。電力驅動在同等條件下的施工中相較于柴油驅動可實現約68%的燃料動力費用，由于同時省去了變速箱、大功率柴油發動機等高成本進口部件，在實現國產化的電機、壓裂泵等主要部件支持下，設備購置成本也能夠同時實現10%～20%的下降，電驅壓裂設備因此具備更為顯著的綜合經濟效益。

3 頁巖氣儲層改造中電驅壓裂設備的升級方向

3.1 升級思路

為實現頁巖氣儲層改造中電驅壓裂設備升級，具體升級可選擇4個方面。

3.1.1 關鍵技術布局

國內外電驅壓裂設備在技術層面不存在顯著差距，國內技術在單泵功率方面擁有一定技術優勢，但在高壓大功率變頻技術方面，我國在這一關鍵性的電驅壓裂設備技術方面仍落后于國際一流水平，長期依賴進口的高壓大功率半導體器件便能夠證明這一點。為改變這一現狀，解決未來可能出現的“卡脖子”問題，應提前開展相關布局，國內廠商應通力合作強化基礎研究。

3.1.2 提供電力保障

燃氣輪機發電在美國電驅壓裂井場中極為常見，在天然氣低廉價格支持下，美國電驅壓裂設備存在更為顯著的燃料成本優勢。對于兼有燃氣發電和網電的我國頁巖氣井場來說，由于電價中會折算網電基建費用，使得存在較高的用電價格，同時基于鉆井作業需要配置的電網容量往往難以滿足全電動壓裂供電需要，這也是國內實現全電動壓裂井場數量較少的原因，同時這類井場的作業模式多為油電混合，作業成本方面的電驅壓裂設備在這種情況下難以充分發揮。因此，建議建設規劃頁巖氣平臺，綜合考慮壓裂、鉆井用電需求，以提供電力，保證滿足大規模應用電驅壓裂設備的需要。

3.1.3 提高單機功率密度

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

3.1.4 提升電驅壓裂設備的移運性能。

橇裝結構屬于現階段國產電驅壓裂設備主流，相較于車裝形式的設備，這類設備在靈活性和便捷性方面存在不足，因此建議研發車裝形式的電驅壓裂設備，以提升其環保和成本優勢，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。

3.2 升級策略

為保證頁巖氣儲層改造中電驅壓裂設備的更好發展，相應升級策略也需要得到重視，具體包括3個方面。

3.2.1 國家支持

國家應進一步推動電代油工程，強化統籌協調和頂層設計，并在國家規劃中明確電代油及電驅壓裂內容，相關的電網建設問題也需要設法解決。油氣田企業在相關規劃和方案論證環節應充分考慮頁巖氣儲層改造中電驅壓裂設備的作業要求、特點及優勢，統籌壓裂、鉆井、后期生產用電需要，以此開展可靠、穩定的大容量電網建設。還應同時開展電驅壓裂計價指導標準的科學化制定，為調動各方積極性，還應設法形成降本效益分享機制。

3.2.2 推進技術升級

基于電代油，鉆探公司需設法實現技術升級，以此基于提速提效要求開展電驅壓裂設備應用方案編制，綜合考慮多平臺同步作業下的電力需求、機組參數受到的不同壓裂工藝影響，同時強化高壓電器技師、電氣工程師等人才的培養，為電驅壓裂設備應用提供支持。

3.2.3 打造系列化電驅壓裂裝備

相關企業需加大電驅壓裂裝備的研發和推廣力度，不斷提升產品的可靠性、性能及自身服務水平，在電驅壓裂設備的現場作業規范和相關產品標準編制中發揮自身作用，這同樣能夠為電驅壓裂設備發展提供支持。

4 結束語

電驅壓裂設備在頁巖氣儲層改造中具備廣闊應用前景。在此基礎上，本文涉及的升級思路、升級策略等內容，則提供了可行性較高的電驅壓裂設備發展路徑。為更好推動電驅壓裂設備發展，電網升級與改造的推進、相關核心技術的攻堅同樣需要得到重視。

參考文獻

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