電動壓裂泵在頁巖氣開發(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）

頁巖屬于一種超低滲透率儲層，俗稱“納米達西”滲透率地層，必須經(jīng)過壓裂改造才能實現(xiàn)頁巖氣的有效開采。隨著國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)進程的不斷加速，多個區(qū)塊已進入商業(yè)開發(fā)階段。水平井大規(guī)模分段壓裂成為當前頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[1]，低成本和綠色環(huán)保是頁巖氣商業(yè)開發(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)合頁巖氣開發(fā)技術(shù)特點，介紹了HH6000電動壓裂泵的技術(shù)優(yōu)勢，并通過現(xiàn)場應(yīng)用證明，采用機電融合核心技術(shù)制造的電動壓裂裝備一定能夠為中國頁巖氣高效、低成本和綠色環(huán)保的商業(yè)開發(fā)提供有力保障。

1 頁巖氣壓裂設(shè)備技術(shù)分析

壓裂車作為頁巖氣壓裂作業(yè)的核心關(guān)鍵設(shè)備，為實現(xiàn)合理高效開發(fā)頁巖氣，必須解決以下問題：①頁巖氣壓裂施工時間長、施工壓力高，壓裂設(shè)備需要耐高壓、長時間連續(xù)作業(yè)，其可靠性必須滿足使用工況要求[2-3]；②中國目前商業(yè)開發(fā)頁巖氣區(qū)塊多數(shù)位于山區(qū)，施工井場面積十分有限，十幾臺甚至更多數(shù)量的壓裂車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，導致需要更多的車以及更大的占地面積；④維持常規(guī)壓裂設(shè)備運轉(zhuǎn)，能源消耗量大，使用維護成本高。

目前國內(nèi)頁巖氣壓裂設(shè)備主要采用2500型和3000型壓裂車組合方式，隨著壓裂工藝的改技術(shù)進步，以及解決埋深超過3500m以深地層的頁巖氣開發(fā)市場需求，通常需要18～20臺甚至更多壓裂車組同時運轉(zhuǎn)，才能滿足大型水力壓裂的施工工藝要求。由于所需壓裂車數(shù)量越來越多，造成壓裂施工車組成本一直居高不下。同時壓裂車發(fā)動機龐大的柴油消耗，也對作業(yè)地周邊環(huán)境造成很大的廢氣排放污染。

2 壓裂車性能特點

2500（YLC140-1860）型壓裂泵車是目前最常用的壓裂車型，如圖1所示，其采用車裝結(jié)構(gòu)，配置2235kW（3000HP）發(fā)動機和2085kW（2800HP）五缸壓裂泵，最高工作壓力達到140MPa（20000psi匹配3.75in柱塞液力端）（1in≈2.54cm）。整機包括載車底盤、車臺發(fā)動機、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]。整機具有超高壓力、超大功率和連續(xù)作業(yè)的特點，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

3 電動壓裂泵技術(shù)優(yōu)勢

HH6000電動壓裂泵具有結(jié)構(gòu)緊湊合理、設(shè)備運行高效可靠等特點，如圖2所示，整個泵由動力端總成（包括機架總成、曲軸總成、小齒輪及交流變頻電機、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 更加高效的動力端結(jié)構(gòu)設(shè)計

電動壓裂泵將動力機（電機）與執(zhí)行機構(gòu)（壓裂泵）納入一體化設(shè)計，取消了中間機械變速傳動機構(gòu)，由電機轉(zhuǎn)子軸直接代替壓裂泵的輸入軸，實現(xiàn)總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工作可靠，系統(tǒng)傳動效率得到有效提高。電機按機電融合設(shè)計要求制造，充分利用數(shù)控變頻技術(shù)，通過電機兩端軸伸齒輪輸出動力，并輔之以獨特的風冷系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)，整機的散熱冷卻能力更強，使電機工作時具有高可靠性和高穩(wěn)定性，使用壽命長，維護更加方便快捷。

電機采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，壓裂泵節(jié)能效果明顯，節(jié)電率可達到20%～60%。另外變頻器的加減速時間以及頻率可以在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)壓裂泵的精準控制和排量的無極調(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)動機、液力變速箱和底盤車，不但帶來了更高的使用效率，設(shè)備制造費用也得到大幅度降低，同時電機可以實現(xiàn)3年免維護，可省去傳統(tǒng)壓裂車柴油發(fā)動機和液力變速箱等設(shè)備的維護費用。更小的體積對井場的面積要求進一步降低，能夠適應(yīng)更加苛刻的施工環(huán)境。

3.2 更加強大的高壓大排量輸出

HH6000電動壓裂泵采用12in的沖程設(shè)計，液力端選用4.5in柱塞時，最大輸出排量可以達到3.597m3/min，選用5in柱塞液力端可以達到4.44m3/min。HH6000電動壓裂泵在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，電動壓裂泵單泵的施工排量可以達到常規(guī)2500型壓裂車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，電動壓裂泵在保證高效輸出的同時，極大地降低了泵沖。設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性得到進一步的提高，易損件的使用壽命也得到了有效的延長，檢泵頻次進一步降低，極大地減輕了現(xiàn)場工作人員的勞動強度。壓裂泵液力端如圖3所示。

圖3 壓裂泵液力端

3.3 更加安全的保護系統(tǒng)

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

整個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，計算出所需要在變頻器上限制的電機扭矩值，PLC、變頻器與壓裂泵組成一個反饋系統(tǒng)來調(diào)節(jié)和限制電機扭矩的給定值，當泵壓產(chǎn)生的力和電機扭矩產(chǎn)生的力達到平衡時，確保電機再不能提供高于工作泵壓的扭矩，準確地控制泵壓不超限，從而對整個電動壓裂裝備的工作過程進行實時的安全保護。

在實際使用過程中，排出壓力設(shè)定值可以根據(jù)工況隨意設(shè)定，小排量試壓控制簡便、安全，是常規(guī)壓裂設(shè)備無法達到的。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)

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

壓裂作業(yè)惡劣的工況，設(shè)備難免會發(fā)生一些故障。當遇到這些突發(fā)狀況的時候，故障電動壓裂泵能夠無縫切換到備用設(shè)備，而不會對施工產(chǎn)生任何影響。一次雙泵無縫切換過程如圖4所示，從實現(xiàn)兩臺泵均分2.5m3/min排量，到實現(xiàn)兩臺泵2.5m3/min排量的切換，在兩臺泵均分和切換排量過程中始終保持2.5m3/min的總排量不變，實現(xiàn)多臺泵并行聯(lián)作無干擾、可以達到排量任意切換的無縫銜接。

圖4 兩臺電動泵排量切換圖

3.5 系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保

電動壓裂泵不需要噪聲巨大的柴油發(fā)動機，能夠顯著降低噪聲，提升現(xiàn)場工作的安全性，減少對周邊居民的打擾。電動壓裂泵所使用的新型變頻調(diào)速異步電動機效率可以達到97%，明顯高于柴油發(fā)動機。施工過程中能夠?qū)崿F(xiàn)零排放，對環(huán)境沒有任何影響。可真正實現(xiàn)壓裂作業(yè)低噪聲、零排放的目標，高效、節(jié)能和環(huán)保。

4 電動壓裂泵應(yīng)用情況

截止目前，HH6000電動壓裂泵已完成重慶南川、四川威遠、重慶武隆區(qū)塊等多個平臺的壓裂作業(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60～80MPa。按照施工工藝要求現(xiàn)場需配套2500型壓裂車18臺，實際施工配置采用8臺6000HP電動壓裂泵和6臺2500型壓裂車（注酸和備用），電動壓裂泵主要由工區(qū)電網(wǎng)提供電力能源，現(xiàn)場配套負荷為22000kW電網(wǎng)線路。電動壓裂泵布置如圖5所示。

圖5 電動壓裂泵布置圖

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

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

由現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，采用8臺電動壓裂泵即可滿足施工要求，比傳統(tǒng)方式節(jié)約12臺壓裂車，按20段全電動壓裂計算，可節(jié)約費用427萬元。同時，施工噪聲由120dB降至80dB以下，單井單泵減排5.1萬Nm3二氧化碳。電動壓裂泵在作業(yè)效率、控制精度、環(huán)保節(jié)能、安全穩(wěn)定和節(jié)約費用等方面得到了驗證。

5 結(jié)論與建議

電動壓裂泵以其新穎的結(jié)構(gòu)、機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的青睞，通過多口井的現(xiàn)場壓裂應(yīng)用證明，該電動壓裂裝備符合頁巖氣大型壓裂的高壓力、高排量，施工時間長，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，壓裂裝備的電動化引領(lǐng)了壓裂施工作業(yè)的新模式，全電動壓裂技術(shù)是未來頁巖氣大型壓裂攻關(guān)的主要發(fā)展方向。

電動壓裂泵采用機電融合集成創(chuàng)新設(shè)計、DBS交流中壓變頻控制技術(shù)，突破了現(xiàn)有壓裂泵常規(guī)機械驅(qū)動方式的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)整套系統(tǒng)的4500kW大功率驅(qū)動和對壓裂泵的全數(shù)字化精準控制，具有大型規(guī)模化壓裂作業(yè)優(yōu)勢，其供液能力通過現(xiàn)場證實為2500型壓裂車的2.5倍能力以上。與常規(guī)壓裂車相比，節(jié)能、減排、降本增效的優(yōu)點突出，電動壓裂泵技術(shù)具有較好的推廣使用經(jīng)濟效益和社會效益。

多臺電動壓裂泵并行運行可行，通過該井雙泵切換試驗和雙泵并行運行試驗，論證出多臺電動泵并行聯(lián)作施工、聯(lián)作指揮、常規(guī)壓裂車與電動泵混合施工可行，無干擾，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)可與壓裂車指揮系統(tǒng)進行兼容，更好地實現(xiàn)一體化指揮。

電動壓裂泵為電力驅(qū)動，在降本同時對電力負荷要求高，建議在頁巖氣規(guī)模化開發(fā)前開發(fā)方案統(tǒng)一設(shè)計開發(fā)區(qū)域的網(wǎng)電架設(shè)，避免在施工過程電力負荷不夠，重復(fù)鋪設(shè)網(wǎng)電，增加施工成本。