中國頁巖氣開發(fā)經(jīng)濟環(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。中國政府相繼出臺鼓勵政策，引導和支持頁巖氣的開發(fā)，并計劃2020年力爭達到巖氣產(chǎn)量300億立方米，2030年實現(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、壓裂服務等相關(guān)企業(yè)帶來非常大的機遇。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)模富含有機質(zhì)的頁巖在地質(zhì)構(gòu)造活動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140Mpa，前往開發(fā)區(qū)塊的道路崎嶇，作業(yè)井場小，頁巖間的孔隙太小、且滲透率低、流體流動性差、氣流阻力大，導致頁巖氣開采的難度很大，需要大功率水力壓裂裝備，運用多種施工技術(shù)手段，大量水、砂和化學試劑的混合液壓入地層深處的頁巖層中，對巖縫進行改造，以改變井間、段間、簇間的應力擾動程度，使巖縫網(wǎng)絡(luò)充分發(fā)育，形成相通的縫網(wǎng)[3]，最終實現(xiàn)增產(chǎn)、提高經(jīng)濟效益的目的。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)對裝備的要求

1947年美國進行首次水力壓裂成功，經(jīng)過半個世紀的發(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、多級壓裂、混合壓裂、同步壓裂、水力噴射壓裂和重復壓裂[4]。隨著近年我國頁巖氣開發(fā)需求增大，長時間、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、安全、性能可靠、占地小等特點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、沙粒對縫隙進行改造和擴張。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、抗磨損性強的基本功能[6]。混砂車是將壓裂液從儲液罐吸入混砂罐，同時將支撐劑輸送到混砂罐，進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壓裂泵組控制、自動化排量控制、實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和分析等功能。

三、壓裂裝備的發(fā)展趨勢

隨著頁巖氣開發(fā)規(guī)模的不斷擴大，超深井、水平井和大型壓裂也越來越多，施工規(guī)模達到萬立方米液量及千立方砂量級別，水平段壓裂發(fā)展到現(xiàn)在的20段以上，需要水功率達到42000HHP以上。為了進一步加快施工速度、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，實現(xiàn)了工廠化作業(yè)現(xiàn)場施工模式。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：

初步實現(xiàn)傳統(tǒng)“機械驅(qū)動壓裂時代”到“電驅(qū)、電控自動化壓裂”的轉(zhuǎn)變；逐步實現(xiàn)深入自動化控制、“人機交互”向“數(shù)字化、信息化”轉(zhuǎn)變，逐步實現(xiàn)壓裂去柴油化、完全電動化壓裂機組遠程控制、混砂車自動控制、壓裂系統(tǒng)及輔助壓裂系統(tǒng)設(shè)備一體化自動控制；未來一定時期實現(xiàn)向“智能壓裂”的跨越，依托大數(shù)據(jù)信息平臺、人工智能實現(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，選擇時我們可以從環(huán)境影響、經(jīng)濟性、安全性、產(chǎn)品性能4個維度，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個因素來考慮，以便我們在不同的項目做出更好的選擇。為此，我們以客觀的角度，以每平臺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，將目前市場主流的2500型柴油壓裂車組和單機功率達6000HP的電動壓裂泵，從以上提到的8個因素來進行對比。表1：

表1：典型壓裂泵/車參數(shù)對比

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

表2 設(shè)備數(shù)量需求及占地面積

經(jīng)濟性方面，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、變速箱、壓裂泵的保養(yǎng)維護成本高，而電動壓裂泵以電為動力，采用電機直接驅(qū)動柱塞泵，不僅效率大幅提升、能耗成本大幅降低、日常維護保養(yǎng)成本和人工成本也大幅下降。

根據(jù)有關(guān)新聞報道，某頁巖氣平臺壓裂作業(yè)時，有柴油車燃氣大火，并波及旁邊壓裂車，通過此事件說明柴油車可靠性有待提高，且具有火災風險。

經(jīng)過以上占地數(shù)據(jù)、作業(yè)成本分析、噪音實測、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)新聞報道，我們得出表3對比表格：

表3：典型壓裂泵/車參數(shù)性能及特點

通過對比我們發(fā)現(xiàn)電動壓裂裝備具有較強的產(chǎn)品優(yōu)勢，其環(huán)保性、經(jīng)濟性、安全性、可靠等均超越柴油壓裂裝備。

五、電動壓裂成套裝備詳細介紹

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

6000HP電動壓裂系統(tǒng)的組成主要包含電源、高壓房、6000HP電動壓裂泵（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為宏華集團的6000HP電動壓裂系統(tǒng)典型方案：

圖1：6000HP電動壓裂系統(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，可以滿足不同壓裂技術(shù)在井場應用中的開發(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，使用電動壓裂設(shè)備規(guī)模化開采，實現(xiàn)區(qū)塊開發(fā)最大經(jīng)濟效益。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)氣的平臺氣源，采用燃氣發(fā)電方式，提供補充電力，實現(xiàn)氣、電結(jié)合的良好效應。由于每個項目電網(wǎng)現(xiàn)狀不同，該方案提供1~2臺高壓房，靈活搭配，為VFD提供可靠、穩(wěn)定的電力。

電動壓裂系統(tǒng)的核心裝備是6000HP電動壓裂泵和VFD。6000HP電動壓裂泵采用4500kW交流變頻調(diào)速異步電動機驅(qū)動臥式五缸單作用柱塞泵，實現(xiàn)單泵最大輸出功率達6000HP，并且實現(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、精準的壓裂液，在進行射孔作業(yè)、地層造縫等方面表現(xiàn)突出。其最高泵壓達到140MPa@1.92m3/min，最大排量達到4.44m3/min@56MPa，一臺6000HP電動壓裂泵的輸出排量相當于2.5臺2500HP柴油壓裂車輸出排量。

圖2：6000HP電動壓裂泵

圖3：6000HP電動壓裂泵曲線圖

VFD采用DBS交流變頻控制技術(shù)，對變頻電機進行無級調(diào)速，以實現(xiàn)對壓裂泵的控制，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，精準的泵液控制可有效地對提高縫網(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)，運用傳感器技術(shù)，實時采集壓裂泵在停機、施工中的信號和參數(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行控制和保護，不僅保障設(shè)備安全運行，還可以實現(xiàn)對多臺壓裂泵組中的每一臺壓裂泵進行遠程控制、多臺壓裂泵的自動排量控制和自動壓力控制。

圖4：電動壓裂泵系統(tǒng)控制截圖1

圖5：電動壓裂泵系統(tǒng)控制截圖2

六、結(jié)論和認識

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

通過對目前頁巖氣開發(fā)常用壓裂裝備的對比，電動壓裂裝備具有較強的產(chǎn)品優(yōu)勢，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、環(huán)保、安全、可靠的方向快速發(fā)展，以滿足企業(yè)效益、社會效益、環(huán)境效益的目標發(fā)展，超大功率電動壓裂裝備將是頁巖氣開發(fā)壓裂裝備選擇的大勢所趨。