電驅(qū)壓裂泵在頁巖氣開發(fā)中的優(yōu)勢(shì)分析

林 蕾

（中國石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司壓裂公司，遼寧盤錦 124000）

0 引言

壓裂、酸化作業(yè)是國內(nèi)油氣田增儲(chǔ)穩(wěn)產(chǎn)的一項(xiàng)重要措施。近年來，隨著我國頁巖氣開發(fā)的不斷加快，壓裂工藝正向著高水平、大排量、大砂量、高砂比和深井方向發(fā)展，國內(nèi)壓裂裝備制造企業(yè)正在積極研發(fā)新的工藝技術(shù)以適應(yīng)頁巖氣勘探開發(fā)的實(shí)際需求，也促進(jìn)了壓裂裝備向高壓力、大排量、高可靠性、節(jié)能環(huán)保方向不斷邁進(jìn)。同時(shí)，各裝備制造企業(yè)也在努力提高裝備的國產(chǎn)化程度，逐漸擺脫對(duì)國外進(jìn)口部件的依賴，實(shí)現(xiàn)壓裂裝備的純國產(chǎn)化。

1 壓裂裝備簡(jiǎn)述

1.1 傳統(tǒng)壓裂裝備

目前傳統(tǒng)壓裂裝備主要是燃油型，常見的有車載機(jī)械式壓裂裝備、渦輪驅(qū)動(dòng)壓裂裝備、液壓驅(qū)動(dòng)壓裂裝備、撬裝壓裂裝備等類型。

（1）車載機(jī)械式壓裂裝備。采用傳統(tǒng)的車載結(jié)構(gòu)，在重型底盤上安裝臺(tái)上設(shè)備，如發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)箱和壓裂泵等。車載式壓裂裝備具有運(yùn)移方便、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、調(diào)配響應(yīng)迅速、施工過程中減振效果好、現(xiàn)場(chǎng)適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是油耗高、噪聲大，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)期間，汽車底盤利用率不高；超限車輛存在上戶難、上路難問題；整車需要年審，底盤需要定期保養(yǎng)。

（2）渦輪驅(qū)動(dòng)壓裂裝備。工作原理是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)帶一個(gè)減速箱，通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)壓裂泵工作。渦輪驅(qū)動(dòng)壓裂設(shè)備具有體積小、質(zhì)量輕、單位質(zhì)量輸出功率大的優(yōu)點(diǎn)，但渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率低、調(diào)速范圍小、噪聲大，而且購置成本、運(yùn)行成本、維護(hù)成本較高。

（3）液壓驅(qū)動(dòng)壓裂裝備。通過多臺(tái)小型通用化發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，多級(jí)液壓泵、液馬達(dá)驅(qū)動(dòng)壓裂柱塞泵做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)液體的吸入和排出。液壓傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，消除換擋沖擊，而且整機(jī)大部分元部件已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。但液壓系統(tǒng)裝配過程復(fù)雜，檢維修較為困難，液壓控制元件的響應(yīng)速度不及電氣控制的響應(yīng)速度，而且整車屬于超限運(yùn)輸車，存在上戶難、上路難等問題。

（4）撬裝壓裂裝備。與傳統(tǒng)的車載式壓裂裝備相比，撬裝結(jié)構(gòu)方便運(yùn)輸，節(jié)省了底盤車的采購成本，不存在上公告、上戶等問題。但是，現(xiàn)用的傳統(tǒng)撬裝壓裂裝備仍采用發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)箱與柱塞泵的組合模式，體積較大，現(xiàn)場(chǎng)組裝過程繁瑣，而且對(duì)井場(chǎng)地面要求較高，同時(shí)也存在油耗高、噪聲大的缺點(diǎn)。

1.2 電驅(qū)壓裂裝備

1.2.1 電驅(qū)壓裂工作原理

電驅(qū)壓裂泵是將傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變成電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，由變頻器控制異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓裂柱塞泵（圖1）。電驅(qū)壓裂主要由供電系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、變頻壓裂系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、壓裂配套系統(tǒng)等構(gòu)成。根據(jù)頁巖氣片區(qū)的特點(diǎn)，供電方式一般采用“10 kV 或者35 kV 工業(yè)電網(wǎng)+燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電”結(jié)合方式，當(dāng)電網(wǎng)不足時(shí)，使用燃?xì)怆娬景l(fā)電作為能源補(bǔ)充；變配電系統(tǒng)為壓裂前端電源配電裝置，提供系統(tǒng)所需的10 kV（高電壓、低電流）和400 V（低電壓、高電流）電源；變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是變頻房（VFD）從變配電房（PCR）接入10 kV 電源，中壓變頻器通過直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂柱塞泵的控制。

圖1 電驅(qū)壓裂泵在頁巖氣開發(fā)中的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1.2.2 電驅(qū)壓裂泵的研發(fā)應(yīng)用

2018 年年初江漢四機(jī)廠研發(fā)的4500HP 電驅(qū)動(dòng)壓裂泵在涪陵頁巖氣田成功完成開采壓裂施工；同年7 月，其5500HP、國內(nèi)首套完全國產(chǎn)化的六相變頻電驅(qū)動(dòng)壓裂泵系統(tǒng)成功下線；2019年宏華集團(tuán)公司研發(fā)的6000HP 電動(dòng)壓裂系統(tǒng)最大單機(jī)功率為6000 馬力，是首個(gè)應(yīng)用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓裂泵，并實(shí)現(xiàn)了中壓變頻技術(shù)在油氣壓裂行業(yè)的首次應(yīng)用；2019 年煙臺(tái)杰瑞公司自主研發(fā)制造的7000HP 電驅(qū)壓裂泵撬系統(tǒng)成功下線，并順利通過測(cè)試。

2 電驅(qū)型與燃油型壓裂泵對(duì)比分析

2.1 性能對(duì)比

如圖2 所示，燃油型壓裂泵發(fā)動(dòng)機(jī)有怠速，變速箱換檔有跳變，柱塞泵輸出排量不連續(xù)；電驅(qū)型壓裂泵由于采用變頻控制技術(shù)，調(diào)速范圍更寬，而且可以實(shí)現(xiàn)平滑無極調(diào)速，整機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)。

2.2 功率對(duì)比

燃油型壓裂泵單機(jī)功率小，一般不超過3000 馬力，電驅(qū)型壓裂泵單機(jī)功率大，可以配備5000 馬力或者6000 馬力的柱塞泵。同樣水功率儲(chǔ)備的壓裂井場(chǎng)，電驅(qū)型壓裂泵在設(shè)備數(shù)量、操作人員、工作量、占地面積上比燃油型壓裂泵要減少1/2。

2.3 噪聲對(duì)比

燃油型壓裂泵柴油機(jī)有廢氣排放，噪聲約為115 dB，影響周圍居民的生活起居，也制約了頁巖氣開采的夜間施工；電驅(qū)型壓裂泵無廢氣排放，通過靜音風(fēng)扇加變頻控制，噪聲不到85 dB，壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)變得靜悄悄，延長(zhǎng)日均泵注時(shí)間，也能實(shí)現(xiàn)夜間施工，大大提高生產(chǎn)效率。

2.4 經(jīng)濟(jì)對(duì)比

傳統(tǒng)燃油型發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱均采用進(jìn)口，采購成本較高；發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱維護(hù)周期短，維保費(fèi)用高；燃油管理、運(yùn)輸?shù)雀鞣N附加的成本導(dǎo)致使用成本較高。

電驅(qū)型壓裂泵所用的電機(jī)、變頻器均來自國產(chǎn)，采購成本較低；電機(jī)檢修周期4 萬小時(shí)以上，軸承每半年檢查潤(rùn)滑脂，變頻器只需要定期檢查通風(fēng)網(wǎng)濾，整機(jī)維保費(fèi)用低；能源消耗上，同樣的功率，電費(fèi)便宜，電費(fèi)成本是燃油的1/2。此外，由于單機(jī)功率的提升，按照同樣的輸出水馬力計(jì)算，井場(chǎng)可使用更少的設(shè)備實(shí)現(xiàn)更好的作業(yè)效果，裝備購置費(fèi)用大幅降低。同時(shí)，電驅(qū)型壓裂裝備配有更智能的集成控制系統(tǒng)，作業(yè)人數(shù)的減少也使人員成本大幅降低。

綜合以上分析，電驅(qū)型壓裂泵功率密度高、體積小、模塊化、成本低、占地面積小、就地供電、可減少環(huán)境污染，是對(duì)目前傳統(tǒng)頁巖氣壓裂方案的一次裝備技術(shù)突破。

圖2 傳統(tǒng)壓裂與電驅(qū)動(dòng)壓裂的對(duì)比

3 小結(jié)

通過對(duì)比分析，電驅(qū)型壓裂泵相比傳統(tǒng)燃油型壓裂泵具有如下優(yōu)勢(shì)：①單機(jī)功率大、排量大，1 臺(tái)5000 馬力電動(dòng)壓裂泵可替代2 臺(tái)常規(guī)2500 馬力壓裂車；②占地面積減少50%～65%，能耗費(fèi)用比常規(guī)壓裂泵節(jié)約40%～50%，綜合開發(fā)成本降低20%以上；③電機(jī)直驅(qū)傳動(dòng)，噪聲小、清潔無污染，而且省去了常規(guī)壓裂車的柴油機(jī)、變速箱和底盤車的維護(hù)保養(yǎng)工作，操作人員減少一半；④交流變頻控制，控制精準(zhǔn)、響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬，流量壓力無級(jí)調(diào)節(jié)；⑤采用撬裝式結(jié)構(gòu)，整機(jī)振動(dòng)小，管匯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，安裝拆卸工作量少；⑥電動(dòng)壓裂泵組主要部件全部國產(chǎn)化，制造成本低，固定資產(chǎn)投資降低近30%。

與傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓裂裝備相比，電驅(qū)動(dòng)壓裂裝備對(duì)配套電網(wǎng)布局和電網(wǎng)容量要求較高，但同時(shí)具有設(shè)備投資低、運(yùn)行成本減小、節(jié)能環(huán)保降噪等明顯優(yōu)勢(shì)。