電驅壓裂裝備整體供電技術方案分析及應用*

劉文寶,姚 孔,王元忠

(1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730714； 2.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314；3.機械工業油氣鉆井裝備工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730314； 4.甘肅省油氣鉆采裝備工程研究中心，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

壓裂技術是油氣儲層改造及油氣產量增儲的核心關鍵技術。壓裂作業是壓裂裝備以成套編組的方式完成壓裂施工工藝流程，實現油氣增儲，其裝備主要包括壓裂裝備、混砂裝備、儀表裝備、管匯裝備及施工作業配套添加劑罐裝置、運砂裝置等[1]。傳統壓裂裝備主要以柴油發動機連接液力變矩器驅動泵送裝置，或柴油發動機驅動液壓系統，通過流體傳動直接驅動泵送裝置及機械執行功能單元。其驅動形式表現為：傳動鏈較長，傳動效率低，排放高，噪聲大，控制系統復雜，設備作業質量不高。為實現油氣綠色、高效開采，電驅壓裂裝備作為綠色、清潔、高效的油氣開采裝備，將逐步登上油氣壓裂作業的舞臺。電驅動壓裂裝備，主要通過變頻電機直接驅動泵送裝置及機械執行功能單元，完成壓裂液體的高質量混配及泵送，傳動效率高，排放低，噪聲低，控制簡單精度高，作業可靠性高。

電驅壓裂裝備的核心動力為電力，整體供電技術將成為保障電驅壓裂裝備作業成功的核心關鍵技術。本文旨在研究大型頁巖氣開采壓裂作業中成套電驅壓裂裝備的整體供電技術方案，結合大型頁巖氣壓裂作業模式及裝備能力需求，建立燃氣渦輪發電機組供電技術方案及高壓電網供電技術方案，對傳統壓裂裝備、燃氣渦輪發電機組供電及網電供電作業方案進行經濟性比較，供客戶按照實際作業環境條件和需求進行選擇，其目的是保障大型電驅壓裂裝備作業的動力供應需求，為盡快實現電驅壓裂成套裝備的工業化應用，提高壓裂作業效率，實現綠色生產提供技術保障。

1 裝備動力需求

大型頁巖氣開采同步壓裂設計所需裝備水馬力約為20 000 HHP，裝備配置時，一般為裝備輸出水馬力的60%，因此壓裂裝備輸出水馬力需配置在33 000 HHP。3 000 HP的電驅壓裂裝置輸入功率為3 000 HP，因功率損失，輸出水馬力為2 800 HHP。確定電驅成套壓裂裝備的動力需求配置形式如表1所列。

表1 電驅成套壓裂裝備的動力需求配置形式

根據大型同步頁巖氣壓裂作業動力需求配置形式，滿足頁巖氣開采的電驅壓裂裝置與混砂裝置總的輸入功率為38 000 HP，加上其他輔助裝置配置動力需求約為500 HP，供電技術需提供的動力約為38 500 HP。

2 供電技術方案

2.1 燃氣渦輪發電機組供電

航改燃氣輪機是將正常退役(達到飛行小時)飛機發動機改造，用于工業發電、供熱等場所。外形體積較小，是目前較為流行的分布式能源提供替代方案。目前美國USWS公司、加拿大EWS公司已使用航改燃氣輪機發電機組已為電驅壓裂作業裝備進行供電，每臺燃氣渦發機組可提供5.7 MW的電力供給。發電機組通過燃燒天然氣進行發電，可使用CNG、LNG以及管道天然氣等多種方式進行供氣。典型的航改燃氣輪機應用如圖1所示。

圖1 典型航改燃氣輪機應用

(1) 燃氣渦輪發電機組供電方案

此方案選擇華電通用的LM2500+G4航改燃氣輪機發電機組為頁巖氣開采壓裂需求輸入動力38 500 HP的電驅成套壓裂裝備進行供電。LM2500+G4航改燃氣輪機發電機組是在GE TM2500+燃氣渦輪發電機組基礎之上完成改造升級，其性能參數如表2所列。

表2 LM2500+G4航改燃氣輪機發電機組性能參數

性能參數基于環境溫度15 ℃，相對濕度60%，天然氣飽和低熱值LHV(35.8 MJ/Nm3)，無進/排氣壓力損失下測定。

LM2500+G4航改燃氣輪機發電機組的輸出功率31.9 WM可滿足電驅壓裂裝備需求輸入動力38 500 HP(28.68 MW)。

(2) 作業設備空間布局

根據中國石油天然氣集團公司企業標準Q/SY 1853-2015《頁巖氣井壓裂施工規范》中4.1要求：同步式壓裂作業對場地要求最小可使用尺寸為120 m×80 m。作業裝備包括：3000 HP電驅壓裂裝置12臺，130桶電驅混砂裝置2臺，儀表控制裝置1臺，高低壓管匯1套以及其他輔助設備。燃氣渦輪發電機組供電井場空間布局平面圖如圖2所示。

圖2 燃氣渦輪發電機組供電井場空間布局平面圖

(3) 作業成本計算

選擇二類天然氣作為燃料，發熱量為31.4 MJ/m3(參見標準GB17820-2012《天然氣》)。38 500 HP電驅壓裂裝備年累計作業時間按照1 000 h計算，天然氣總消耗量：

V=(P×0.745×Hr×Th)÷CV=8 907 103 (m3)

(1)

式中：V為天然氣消耗量；P為電驅成套壓裂裝備輸入功率38 500 HP；Hr為熱耗值9 751 kJ/kWh；Th為年累計作業時間1000h；CV為天然氣發熱量31.4 MJ/m3。

根據蘭州市政府辦公廳印發的《關于調整我市非居民天然氣價格的通知》，上游供氣企業供車用壓縮天然氣(CNG)用氣銷售價格現為：2.15元/m3。作業需求費用：

C=V×Pr=19 150 271.45 (元)

(2)

式中：C為年作業需求費用；Pr為天然氣銷售價格2.152.15元/m3。

2.2 高壓電網供電

頁巖氣電驅壓裂作業也可根據作業地點向當地國家電網申請臨時用電，若電驅壓裂作業用電超過3個月，則無法申請臨時用電，需申請新建配電站。申請臨時或新建配電站需統計設備用電功率，并提供用電位置，在當地國家電網填寫申請表并提供相關信息。電力部門在收到申請后對申請用電項目進行現場勘查，通常會在7各工作日內提供回復意見。電力部門對用電現場勘查后，如果用電現場附近有適合的電力線路，則由電力部門提出實施方案；若沒有適合的電力線路，則無法使用網電供電。

(1) 網電供電方案

對于使用網電進行供電的電驅壓裂井場，依據井場附近網電線路情況，只需要在井場角落放置10kV進線柜，配置變壓器，從變壓器到各壓裂泵的進出線柜的走線可根據電力施工要求進行空中布線或埋地方式進行連接。如果壓裂作業時間超過3個月或在施工區域有多個井場分布，可在多個井場中間位置建設一高負荷變電站，實現對多個井場的電力供應。

(2) 作業設備空間布局

電網供電依據頁巖氣同步壓裂作業模式，作業設備井場空間布局平面圖如圖3所示。

(3) 作業成本計算

依據甘肅省發展和改革委員會印發并于2014年4月1日起執行的《甘肅省電網銷售電價說明》，電驅壓裂作業用電可歸于大工業用電。以1～10 kV電壓等級高峰時段電價0.678元/kWh進行計算：

C=P×0.745×1 000×NP=19 446 735 (元)

(3)

式中：C為電力成本；NP為工業用電單位價格。

3 經濟性評價

為突出電驅壓裂裝備不僅在性能及作業環保性方面優于傳統壓裂裝備，同時在作業經濟性方面也極優于傳統壓裂裝備，此處對常規柴油機驅動壓裂裝備的燃料費用進行核算。按2020年3月份甘肅柴油價格進行計算，0#柴油價格為：5.85元/L。

常規3000 HP壓裂車配置MTU16V4000S83L柴油發動機，單位時間柴油消耗0.22 kg/kWh。計算完成1 000 h同步壓裂作業總燃油消耗：

FC=P×0.745×OI×TH=6 310 150 (L)

(4)

完成1 000 h 20 000水馬力壓裂作業燃油消耗成本：

C=FC×OP=36 914 377.5 (元)

(5)

公式(4)、(5)中:FC為燃油總消耗；OI為單位時間柴油消耗；C為燃油消耗成本；OP為0#柴油價格。

對常規壓裂裝備方案、燃氣渦輪發電機組供電方案及網電供電方案按照工作水馬力20 000 HHP，工作時間1 000 h，對作業經濟性進行比較，對比結果如表3所示。

表3 常規壓裂裝備方案、燃氣渦輪發電機組供電方案及網電供電方案作業經濟性對比

需要注意的是，燃氣渦輪發電機組采購成本費用巨大，華電通用的LM2500+G4機組采購安裝成本超過1億元，目前以租賃形式使用。綜合比較，柴油及CNG價格會由發改委根據整體油價每年進行若干次調整，整體費用應是：電網供電小于燃氣渦輪發電機組小于柴油發動機。

4 結 語

本文依據頁巖氣同步壓裂作業特點及裝備輸出水功率需求，按照電驅壓裂裝備輸出20 000 HHP，作業時間1 000 h作業規模，建立燃氣渦輪發電機組供電與高壓網電供電兩種技術方案，結合傳統壓裂作業成本，對作業經濟性進行比較。結果表明，依據井場實際作業條件，電網供電技術方案作業經濟性更優。供電技術方案的研究為電驅壓裂裝備的市場推廣、工業化應用具有重要實際意義，符合國家油氣田綠色開采發展趨勢。