2500型電驅壓裂車研制及試驗研究

李雙鵬, 杜海波, 劉傲, 朱孟偉, 彭俊威, 王清

（1.寶雞石油機械有限責任公司,陜西 寶雞721002；2. 四川寶石機械專用車有限公司，四川 廣漢618300；3.川慶鉆探井下作業公司，成都610000；4.四川寶石機械石油鉆頭有限責任公司，成都610000）

0 引 言

近年來，水平井和水平井分段壓裂技術已經成為改造低滲透油氣藏和開發深部油氣藏的主要手段，《頁巖氣發展規劃(2016-2020年)》指出，我國力爭2020年頁巖氣產量實現300×108m3，2030 年實現頁巖氣產量(800～1000)×108m3，2020-2030年我國頁巖氣將進入快速發展階段[1]，隨著頁巖氣勘探和開發不斷深入，頁巖氣開發對壓裂裝備采購使用成本和維護性能提出了更高要求，各大壓裂裝備廠家加大對電驅壓裂裝備研制，伴隨著國家電網大力建設和燃氣輪機大規模應用，為壓裂平臺大容量供電提供了保障，壓裂裝備電驅成套化成為可能。

目前，北美電驅壓裂裝備廠家以USWS為代表，由于北美地區道路平坦，通過性良好，電驅壓裂裝備以拖車結構形式為主，通過渦輪發電機發電供給電驅壓裂車組。鑒于國外電力容量受限，電驅壓裂裝備并沒有得到大規模應用[2-5]。國內電驅壓裂裝備廠家以四川宏華和中石化四機石油機械為代表，其生產的電驅動壓裂裝備包括電動壓裂泵橇和VFD變頻橇，兩部分組合形成一個完整的電驅壓裂單元，先后在四川與重慶頁巖氣平臺開展了現場壓裂作業，其中四川宏華采用6000型電動壓裂泵橇，中石化四機石油機械有限公司開發的4500型電動壓裂橇采用單電動機和雙泵結構形式，兩家產品均是將變頻器與電動機分開放置，若電動機與變頻器之間距離過長，電纜與地之間的分布電容引起的諧波將影響變頻器的電壓輸出波形，造成電動機發熱，伴有振動和噪聲，甚至有可能損壞電動機。同時會在變頻器側形成較強的電磁干擾，且將變頻裝置與壓裂泵采用橇裝形式，存在移運性差的缺點，容易增加井場安全風險。寶石機械根據目前頁巖氣開發需求，開發新型2500型電驅壓裂車，底盤上裝供配電/變頻驅動系統、電動機和壓裂泵，因變頻驅動單元與電動機安裝在一起，諧波風險大大降低，對變頻器與電動機均增大了電氣可靠性，集成度更高，移動性也好，可有效替代目前使用柴油機驅動的壓裂作業模式，不僅節省作業成本，還能降低安全事故風險。

1 結構及工作原理

1.1 總體設計介紹

2500型電驅壓裂車采用車載結構，通過優選供配電/變頻驅動系統、電動機和壓裂泵，提高整車集成度，同時盡可能降低整車質量，滿足通用性底盤承載要求。目前較為成熟穩定的傳統2500型柴油機壓裂車滿載總質量達到45 t，對承載底盤行駛性、越野性及安全性要求高。2500型電驅壓裂車整車滿載質量為43.5 t，同時減小了整車外形尺寸，底盤只提供行走功能，不需為上裝部件提供動力，降低了承載底盤要求，可選底盤廠家較多，能大幅降低設備購置成本。

1.2 結構及工作原理

2500型電驅壓裂車相比傳統壓裂車，是一種全新設計，由裝載底盤車、供配電/變頻驅動系統、電動機、傳動軸和壓裂泵等組成，整體布局如圖1 所示，整車電力由電網經高壓開關柜接入供配電/變頻驅動系統，經變壓變頻后驅動電動機工作。壓裂泵由電動機直接驅動，將壓裂液經高壓管匯注入井口，實現壓裂作業。整車通過高壓網電或者燃氣發電機組輸入10 kV電源至高壓開關柜，高壓開關柜輸出10 kV電源供車臺供配電/變頻驅動系統，經變壓、變頻后輸出動力電到變頻電動機，電動機驅動壓裂泵實現壓裂液吸入和排出功能。

圖1 2500電驅壓裂車

1.3 主要技術參數

最高工作壓力為137.9 MPa(20 000 psi)；最大排量為1.47 m3/min；最大輸出水功率為1860 kW（2500 hp）；整車總質量為43 500 kg；整車供電電源為10 kV；電動機額定電壓為690 V；整車外形尺寸為11 000 mm×2500 mm×3900 mm。

2 技術特點

2.1 智能化及集成化技術

整車配置供配電控制系統和電動機控制系統智能平臺，可實現對供配電功率組件和電動機設備性能參數整體監控及自動化控制，通過對電動機、壓裂泵輸出參數進行實時檢測和智能分析，及時對整車在工作中出現的故障進行分析并預警。同時整車集成供配電系統（集成變壓器和變頻器）、大功率電動機和壓裂泵于重載底盤上，結構更緊湊，大幅提高了整車集成化水平。同時整車質量較常規柴油驅動2500型壓裂車更輕，整車重心更低，極大提升了底盤車移運能力。

2.2 變頻驅動控制技術

2500 hp電驅壓裂車電控系統由本地控制和遠程控制兩部分組成，系統結構框圖如圖2所示。采用工業以太網與無線通訊相結合，通過變頻器速度控制環與轉矩控制環實現電動機無級調速。通過采集各設備傳感器、編碼器等傳輸的信號對系統設備運行狀態進行精準控制。電氣傳動采用基于直接轉矩控制技術（DTC），實現排量精確控制。采用轉矩控制與轉速控制相組合的算法，實現了壓裂車重載并車啟動，同時能抑制井下壓力大幅波動，克服泵與高壓管匯之間的“水錘”效應。

圖2 系統結構框圖

2.3 輕型定制化電動機技術

傳統大功率電動機外形尺寸大、質量大，為適應頁巖氣壓裂工藝開發了一種適用于壓裂工況的大功率變頻電動機。在電動機布局上，采用結構優化設計以減小外形尺寸；針對頁巖氣壓裂工況，對電動機功率儲備系數進行校核驗證以匹配壓裂作業要求。同時對電動機主要部件進行材料優選、加工工藝和裝配工藝研究，在滿足散熱要求前提下，嚴格控制整機重量。該電動機設計防護等級為IP44，最大輸出功率為2100 kW，最高輸出轉速為1000 r/min，最大輸出轉矩為34 380 N·m，質量為7500 kg。

2.4 產品優勢

2500型電驅壓裂車配套底盤、供配電系統、電動機和壓裂泵實現全國產化，改變了傳統壓裂車對進口部件的依賴，降低了設備采購生產成本，同時整車質量輕，轉彎半徑為12.8 m，具有更好的靈活性，適合于道路崎嶇山區路況。使用網電能實現零排放，同時將噪聲由115 dB降為105 dB，改善作業環境。采用電代油的作業模式，減少了作業燃料成本，以網電價格1元/（kW·h），柴油價格6元/L計算，根據目前四川某頁巖氣平臺一段3 h作業量估算，2000 m3壓裂液，耗電43 000 kW·h，耗油10 000 L，一個50 000 hp的壓裂機組，采用電驅壓裂作業，作業1000 h能節省成本940萬元。

3 關鍵技術

1）一體式供配電、變頻控制驅動裝置。采用IGCT功率器件，集成降諧波裝置與整流變壓器，在確保高可靠性的同時減輕了質量，變頻驅動系統與自動控制系統集于一體，優化整車供配電系統空間布局，簡化高壓電輸入端系統結構設計，最終使整個驅動裝置集成在車載底盤。

2）視頻網絡監控技術。基于以太網供電（POE）技術，設計一種適用于壓裂設備井場作業工況的新型視頻監控系統。當監測部位發生機械損壞或火災等險情時，系統可根據監測部位畫面動態變化，對圖像進行連續視頻拍照并發出報警信號，可避免造成更大破壞。

3）自動盤泵技術。利用變頻器低速調整特性，控制系統增加壓裂泵“自動盤泵”功能：分為“點動”與“連續”兩種模式，電動機按預置點動速度運行，松開電動機停止；按下連續鍵時，電動機按預置盤泵距離連續運行，直至壓裂泵柱塞移動到所設定位置。盤泵過程省時省力，便于用戶維修檢泵作業。

4 廠內試驗

2500電驅壓裂車在四川廣漢試驗基地依據SY/T5211《壓裂成套設備》進行了試壓試驗、連續負荷試驗、帶載并車試驗和自動盤泵試驗等多項試驗。實驗現場如圖3所示，試驗數據截屏如圖4所示，試驗測試數據表明設備均滿足設計要求。

1）連續負荷試驗，試驗最大排量為1.44 m3/min，運行時間60 min；試驗最大壓力101 MPa， 持 續30 min；最大功率2051 kW，運行30 min；在常用功率1500 kW、壓力60～90 MPa下持續運轉120 min，整車各設備數據運行正常，傳動平穩，參數符合設計要求，其中在60～90 MPa負荷下，轉速為700 r/min, 排量在1.04 m3/min左右時，電氣傳動與潤滑散熱系統參數最優。

圖3 現場試驗場地

圖4 試驗數據截屏

2）自動盤泵試驗，選“點動盤泵”時，按下點動鍵后變頻器驅動電動機以30 r/min自動運行，柱塞緩緩到位后松開點動鍵，電動機立即停止旋轉，點動盤泵結束。當選“連續盤泵”時，設定盤泵距離為泵沖程長度，電動機以30 r/min運行，自動計算柱塞移動距離，當移動距離累計到設定距離后，電動機自動停止旋轉，“連續盤泵”結束。兩種模式均符合現場精確盤泵要求，控制響應迅速且穩定。

3) 試壓試驗，試壓值設定5～60 MPa，變頻器工作在“轉矩控制”而非“轉速控制”模式下時，電動機響應更快更穩定，壓裂泵排出壓力平穩上升至設定壓力值，試壓過程時間更短且一鍵完成。

5 結 論

1）隨著國家加大對頁巖氣開發力度，壓裂裝備缺口巨大，電驅動壓裂裝備生產周期短，零排放低噪聲，非常適合現階段頁巖氣平臺長時間連續作業工況。考慮井場電網供電有限，需增加額外發電機組供給，現階段已有成熟的燃氣發電機組，采用井口氣作為發電機組燃料，就地取材，可節省燃料費用。

2）電驅動壓裂車采用低壓變頻調速電動機，降低了常規壓裂車換擋沖擊，流量調節平穩，能降低對壓裂泵傳動部件的沖擊，延長壓裂泵使用壽命。電驅壓裂車同時與自動盤泵、動態視頻監控等多項技術結合應用，具備較高的智能化作業水平。

3）電驅壓裂車相對于常規2500型柴油驅動壓裂車，外形尺寸小、質量輕，移運性能好，壓裂機組井場布置靈活方便，具有良好的市場推廣前景。