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電驅(qū)壓裂設(shè)備在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造中的應(yīng)用

2020-06-09 02:14:54邱勇潮戴啟平李雙鵬鄧友超
天然氣工業(yè) 2020年5期
關(guān)鍵詞:電驅(qū)井場(chǎng)變頻

張 斌 李 磊 邱勇潮 戴啟平 李雙鵬 鄧友超

1. 中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 2. 國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心 3. 西南交通大學(xué)4. 中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司 5. 中國(guó)石油西南油氣田公司

0 引言

天然氣在未來(lái)全球能源結(jié)構(gòu)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。預(yù)計(jì)到2035年,天然氣將超越石油成為全球第二大能源[1]。在國(guó)家重大政策驅(qū)動(dòng)下,我國(guó)天然氣消費(fèi)量增長(zhǎng)強(qiáng)勁,天然氣對(duì)外依存度不斷上升,由2000年的15.9%增長(zhǎng)到2019年的45.2%。與此同時(shí),我國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富,是我國(guó)天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的關(guān)鍵領(lǐng)域,目前頁(yè)巖氣仍處于勘探開(kāi)發(fā)初級(jí)階段,增長(zhǎng)潛力巨大[2-3]。要實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的高效、經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā),實(shí)施儲(chǔ)層壓裂改造是一項(xiàng)重要的技術(shù)步驟,壓裂設(shè)備是實(shí)施儲(chǔ)層改造的核心裝備[4]。

隨著頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的突破和商業(yè)性開(kāi)發(fā)程度的加深,目前頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)象逐步向深層進(jìn)軍。隨著深度的增加,頁(yè)巖氣的地質(zhì)特征及其壓裂工藝技術(shù)都發(fā)生了較大變化[5-7],儲(chǔ)層改造面臨成本偏高、環(huán)保約束等挑戰(zhàn)[8-9],這對(duì)壓裂設(shè)備提出“降成本、綠色化”的新要求?,F(xiàn)階段,2500型柴油動(dòng)力壓裂車(chē)是國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣水平井大規(guī)模工廠化壓裂作業(yè)的主力機(jī)型,但在作業(yè)過(guò)程中,普遍存在設(shè)備功率利用率低、作業(yè)成本高、施工安全風(fēng)險(xiǎn)高以及環(huán)境污染等重大問(wèn)題[10]。與常規(guī)柴油動(dòng)力壓裂設(shè)備相比,電驅(qū)壓裂設(shè)備具有高效率、低成本、安全節(jié)能等技術(shù)優(yōu)勢(shì),符合頁(yè)巖氣壓裂作業(yè)“降成本、綠色化”的發(fā)展需要[11]。為此,筆者調(diào)研了國(guó)內(nèi)外電驅(qū)壓裂設(shè)備的技術(shù)進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀,針對(duì)電力傳動(dòng)這一決定電驅(qū)壓裂設(shè)備性能的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究,分析大功率交流變頻的技術(shù)特點(diǎn)以及不同技術(shù)類型應(yīng)用于電驅(qū)壓裂設(shè)備的適應(yīng)性,結(jié)合2500型電驅(qū)壓裂車(chē)在四川威遠(yuǎn)實(shí)施頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造壓裂作業(yè)的試驗(yàn)情況,進(jìn)行電力驅(qū)動(dòng)與柴油驅(qū)動(dòng)的對(duì)比分析,以期對(duì)電驅(qū)壓裂設(shè)備在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造中的應(yīng)用提供可靠的實(shí)踐依據(jù)。

1 電驅(qū)壓裂設(shè)備技術(shù)進(jìn)展

美國(guó)和中國(guó)是全球壓裂設(shè)備的主要生產(chǎn)國(guó),兩國(guó)生產(chǎn)的壓裂設(shè)備代表著世界先進(jìn)技術(shù)水平。北美地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)藏地形平坦,道路狀況良好,井場(chǎng)面積較大,具有多臺(tái)大型設(shè)備的容納能力,因此北美頁(yè)巖氣的電驅(qū)壓裂設(shè)備以“雙泵+半掛車(chē)”結(jié)構(gòu)為主,壓裂泵采用已在柴油動(dòng)力壓裂設(shè)備上經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證的2 000~3 500 hp(1 hp=0.735 5 kW,下同)成熟產(chǎn)品[12]。但是我國(guó)頁(yè)巖氣藏多處在山區(qū),井場(chǎng)面積受限,設(shè)備布置困難,因此國(guó)產(chǎn)電驅(qū)壓裂設(shè)備更多采用“小體積、大功率”的單泵技術(shù)路線,以提高單機(jī)功率密度、減少井場(chǎng)設(shè)備數(shù)量和井場(chǎng)占地面積。

1.1 國(guó)外技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

美國(guó)是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)領(lǐng)先、商業(yè)化最成功的國(guó)家,憑借大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、高性能變速箱等核心技術(shù),哈里伯頓、斯倫貝謝、雙S等公司在柴油動(dòng)力壓裂設(shè)備領(lǐng)域處于技術(shù)領(lǐng)先水平,但是受低油價(jià)等因素的影響,上述廠家先后暫停了大功率電驅(qū)壓裂設(shè)備的研發(fā)。目前,美國(guó)的電驅(qū)壓裂設(shè)備制造商主要包括美國(guó)油井服務(wù)公司(US Well Service,簡(jiǎn)稱USWS)和發(fā)展油氣井服務(wù)公司(Evolution Well Service,簡(jiǎn)稱 EWS)。

1.1.1 美國(guó)油井服務(wù)公司(USWS)

USWS公司推出的CleanFleet?電驅(qū)環(huán)保壓裂技術(shù)是一種天然氣驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)、可移動(dòng)式壓裂系統(tǒng)(圖1)。系統(tǒng)采用燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組配套電驅(qū)壓裂泵車(chē)。泵車(chē)為雙機(jī)雙泵的半掛車(chē)結(jié)構(gòu),單電機(jī)功率為1 750 hp,電機(jī)工作電壓600 V,單車(chē)功率為3 500 hp。自2014年投入使用以來(lái),CleanFleet?電驅(qū)壓裂技術(shù)已先后在Marcellus、Utica、Niobrara-DJ、Permian、Eagle Ford等頁(yè)巖開(kāi)采區(qū)實(shí)施壓裂作業(yè),節(jié)能減排效果明顯,減少99%的氮氧化物排放,節(jié)省多達(dá)90%的燃料成本和高達(dá)40 000美元/d的運(yùn)營(yíng)成本。

圖1 USWS公司CleanFleet?電驅(qū)壓裂泵車(chē)照片

1.1.2 美國(guó)發(fā)展油氣井服務(wù)公司(EWS)

EWS公司推出的電驅(qū)壓裂系統(tǒng)包括燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組和7000型壓裂拖車(chē)。泵車(chē)為單機(jī)雙泵的半掛車(chē)結(jié)構(gòu),電機(jī)功率為7 000 hp,同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)3 500 hp的五缸壓裂泵。目前EWS擁有6個(gè)以上全電驅(qū)壓裂車(chē)隊(duì),總?cè)萘砍^(guò)300 000 hp?,F(xiàn)場(chǎng)采用井口氣作為燃料發(fā)電,可降低燃料成本95%,排放的污染氣體遠(yuǎn)低于美國(guó)環(huán)境保護(hù)署規(guī)定的Tier 4標(biāo)準(zhǔn)。在常規(guī)柴油動(dòng)力壓裂車(chē)隊(duì)只能運(yùn)行7~8 h的地區(qū),電驅(qū)壓裂車(chē)隊(duì)平均每天運(yùn)行16 h時(shí),同時(shí)減少了60%的人員配置和40%的井場(chǎng)用地(圖2)。

圖2 EWS公司電驅(qū)壓裂車(chē)隊(duì)照片

1.2 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研制及應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)電驅(qū)壓裂設(shè)備的主要廠家包括中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱寶石)、中國(guó)石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司(以下簡(jiǎn)稱四機(jī))、中國(guó)航天科工集團(tuán)四川宏華石油設(shè)備有限公司(以下簡(jiǎn)稱宏華)和煙臺(tái)杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱杰瑞)等。

1.2.1 中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司

寶石從2017年開(kāi)始電驅(qū)壓裂設(shè)備的研發(fā),現(xiàn)已形成系列化,產(chǎn)品包括2500型電驅(qū)壓裂車(chē)、3000型和7000型電驅(qū)壓裂橇,電機(jī)工作電壓涵蓋690 V、3.3 kV、6.0 kV和6.6 kV。其中,3000型電驅(qū)壓裂橇包括分體式和一體式兩種結(jié)構(gòu),7000型電驅(qū)壓裂橇是目前全球單泵輸出功率最大的壓裂設(shè)備(圖3)。

圖3 寶石系列電驅(qū)壓裂設(shè)備組圖

2500型電驅(qū)壓裂車(chē)采用與常規(guī)柴油動(dòng)力2500型壓裂車(chē)相同的“一車(chē)裝”結(jié)構(gòu)形式,即變壓與變頻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電機(jī)、壓裂泵全部集成在四橋底盤(pán)車(chē)上,整車(chē)質(zhì)量43 t,滿足道路運(yùn)輸不超限的要求。該車(chē)采用全國(guó)產(chǎn)QPI-2800A壓裂泵,配置 ?101.6 mm柱塞時(shí)的最高工作壓力達(dá)140 MPa,配置?165.1 mm柱塞時(shí)的最大排量達(dá)8.16 m3/min,整車(chē)最大輸出功率可達(dá)2 500 hp。由于電驅(qū)壓裂車(chē)采用交流變頻技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)排量的連續(xù)調(diào)節(jié),如圖4所示,其功率區(qū)間可以完全覆蓋常規(guī)2500型柴油動(dòng)力壓裂車(chē)的一~七檔范圍。目前該車(chē)已在四川頁(yè)巖氣平臺(tái)完成首次先導(dǎo)性工業(yè)試驗(yàn)。

圖4 電驅(qū)動(dòng)與柴油驅(qū)動(dòng)2500型壓裂車(chē)參數(shù)對(duì)比圖

1.2.2 中國(guó)石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司

依托國(guó)家重大專項(xiàng)“超大功率電動(dòng)成套壓裂裝備研制”項(xiàng)目支持[13],四機(jī)從2014年開(kāi)始電驅(qū)壓裂設(shè)備的研發(fā),主要產(chǎn)品包括4500型、5000型、5500型電驅(qū)壓裂橇和4500型電驅(qū)壓裂車(chē),是國(guó)內(nèi)少數(shù)采用“單機(jī)雙泵”配套方案的廠家(圖5)。

圖5 四機(jī)系列電驅(qū)壓裂設(shè)備組圖

2017年,兩套4500型電驅(qū)壓裂橇在重慶涪陵焦頁(yè)193號(hào)平臺(tái)首次參與完成了3口井、共23層段的施工作業(yè)。5000型和5500型電驅(qū)壓裂橇采用3.3 kV/4 100 kW六相永磁同步電機(jī),分別對(duì)應(yīng)SQP2800和SQP3300兩種壓裂泵配置。2019年3月,7臺(tái)5000型電驅(qū)壓裂橇與4臺(tái)3000型常規(guī)柴油動(dòng)力壓裂車(chē)采用“油+電”組合模式在重慶涪陵焦頁(yè)82號(hào)平臺(tái)完成4口井、合計(jì)79段的壓裂施工作業(yè),試驗(yàn)效果良好。

1.2.3 中航科工四川宏華石油設(shè)備有限公司

宏華是國(guó)內(nèi)最早專注電驅(qū)壓裂設(shè)備研發(fā)的企業(yè),產(chǎn)品以6000型電驅(qū)壓裂橇為主(圖6)。首臺(tái)HH6000型電驅(qū)壓裂橇于2012年亮相OTC,隨后于2015年投入工業(yè)應(yīng)用,先后在美國(guó)加州AERA井場(chǎng)、四川宜賓H9、重慶涪陵焦頁(yè)194-2HF和195-1HF等頁(yè)巖氣平臺(tái)參與壓裂施工作業(yè)[14-16]。由于壓裂泵沖次高,作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)易損件壽命短、吸入管匯上水困難等問(wèn)題。為此,宏華推出新一代HH6000型電驅(qū)壓裂橇,增加了壓裂泵沖程,以降低泵沖,提高易損件壽命,同時(shí)升級(jí)變頻系統(tǒng),升高電機(jī)工作電壓,減小電機(jī)工作電流,減少系統(tǒng)發(fā)熱。目前,宏華HH6000電驅(qū)壓裂橇是國(guó)內(nèi)推廣使用最多的電驅(qū)壓裂設(shè)備。

圖6 宏華HH6000型電驅(qū)壓裂橇組圖

1.2.4 煙臺(tái)杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司

杰瑞是國(guó)內(nèi)較早生產(chǎn)壓裂設(shè)備的廠家之一,現(xiàn)已初步形成電驅(qū)壓裂成套裝備的系統(tǒng)解決方案,包括電驅(qū)壓裂設(shè)備、電驅(qū)混砂設(shè)備、電驅(qū)混配設(shè)備、電驅(qū)連續(xù)輸砂裝置等。其中5000型電驅(qū)壓裂橇于2016年推出,目前已在新疆、四川等地參與壓裂作業(yè)。同時(shí)結(jié)合北美壓裂工況,杰瑞還相繼推出7 000 hp和10 000 hp的電驅(qū)壓裂設(shè)備(圖7)。7 000 hp采用橇裝結(jié)構(gòu),配套其自主研制的JR7000QP五缸柱塞泵,10 000 hp則采用“雙泵+半掛車(chē)”結(jié)構(gòu)。

圖7 杰瑞系列電驅(qū)壓裂橇組圖

綜上所述,目前國(guó)產(chǎn)電驅(qū)壓裂設(shè)備的制造技術(shù)已基本成熟,產(chǎn)品已形成系列化:?jiǎn)螜C(jī)功率為2 500~10 000 hp,單泵功率為2 500~7 000 hp;結(jié)構(gòu)形式以橇裝為主,兼有車(chē)載和半掛車(chē);電機(jī)與壓裂泵的配套方案以“單機(jī)單泵”為主,只有四機(jī)和杰瑞部分產(chǎn)品采用“單機(jī)雙泵”方案。與國(guó)外同類產(chǎn)品相比,國(guó)產(chǎn)電驅(qū)壓裂設(shè)備的整體技術(shù)水平與國(guó)外相當(dāng),設(shè)備單機(jī)功率和單泵功率更大,產(chǎn)品類別也更豐富(表1)。

表1 國(guó)內(nèi)外電驅(qū)壓裂設(shè)備對(duì)比表

2 電驅(qū)壓裂設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

電驅(qū)壓裂設(shè)備是將壓裂泵的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改為電機(jī),通過(guò)大功率變頻系統(tǒng)控制電機(jī),驅(qū)動(dòng)壓裂泵[17]。相比傳統(tǒng)柴油動(dòng)力壓裂設(shè)備是通過(guò)變速箱切換檔位來(lái)分級(jí)調(diào)節(jié)壓裂泵的輸出壓力和排量[18],電驅(qū)壓裂設(shè)備則是通過(guò)變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的連續(xù)控制,可以更好地滿足深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造工藝對(duì)泵送設(shè)備輸出壓力和排量精確控制的要求,因此作為動(dòng)力源的大功率變頻技術(shù)是決定電驅(qū)壓裂設(shè)備工作性能的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

電驅(qū)壓裂設(shè)備在選用變頻技術(shù)時(shí),需充分考慮輸出電壓和功率引起的系統(tǒng)發(fā)熱、功率器件對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染、間歇性作業(yè)模式和帶載啟動(dòng)作業(yè)工況要求,以及外形尺寸和設(shè)備重量須滿足系統(tǒng)集成和井場(chǎng)道路運(yùn)輸?shù)榷喾N因素的影響。目前國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的電驅(qū)壓裂設(shè)備所配套的大功率變頻系統(tǒng)主要包括3種技術(shù)類型:低壓變頻技術(shù)、IGBT高壓變頻技術(shù)和IGCT高壓變頻技術(shù)。

2.1 低壓變頻技術(shù)

低壓變頻系統(tǒng)是指輸出電壓1 kV以下,電壓等級(jí)主要包括230 V(208~240 V)、400 V(380~415 V)、500 V(380~500 V)和690 V(525~690 V)。電驅(qū)壓裂設(shè)備的電機(jī)功率一般都在2 000 kW以上,即使采用690 V的電壓,變頻器輸出電流也非常大,按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,690 V變頻器的輸出電流值(以A為單位)通常是其輸出功率值(以kW為單位)的1.1倍,即690 V/2 000 kW變頻器輸出電流大約為2 200 A。大電流勢(shì)必會(huì)帶來(lái)電機(jī)發(fā)熱、電磁干擾以及電纜尺寸和重量大、鋪設(shè)困難等問(wèn)題。因此,國(guó)內(nèi)采用低壓變頻技術(shù)的電驅(qū)壓裂設(shè)備不多,典型產(chǎn)品包括寶石2500型電驅(qū)壓裂車(chē)和四機(jī)4500型電驅(qū)壓裂橇,兩套壓裂設(shè)備都是采用690 V電壓等級(jí)的變頻系統(tǒng)。其中2500型電驅(qū)壓裂車(chē)配套的交流變頻系統(tǒng)額定功率為2 200 kW,變頻系統(tǒng)前端采用24脈移相整流變壓系統(tǒng),額定容量為2 500 kVA,后端驅(qū)動(dòng)690 V/2 000 kW三相電機(jī)。為了克服大尺寸電纜鋪設(shè)困難的問(wèn)題,變頻器與電機(jī)之間的動(dòng)力電纜已預(yù)制固定在車(chē)上,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí),只需要連接一組三相10 kV的受控電源電纜,電纜終端采用插接件,連接快速輕便。

為了解決低壓變頻系統(tǒng)大電流的問(wèn)題,四機(jī)4500型電驅(qū)壓裂橇采用九相690 V/2 400 kW電機(jī)和三組690 V/1 200 kW逆變裝置的技術(shù)方案,以降低變頻系統(tǒng)的單組功率和負(fù)載電流,從而突破了低壓變頻技術(shù)在大功率壓裂設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用瓶頸。但是由于多相逆變器的功率器件數(shù)目相對(duì)較多,控制比三相逆變器復(fù)雜,變頻器可靠性降低,設(shè)備帶載啟動(dòng)時(shí),容易出現(xiàn)因電流過(guò)大引起的變頻器停機(jī)故障。同時(shí)由于變頻器和電機(jī)分屬不同運(yùn)輸單元,加之采用的是九相電機(jī),隨著相數(shù)增加,電機(jī)的出線電纜數(shù)量增多,作業(yè)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)需要連接9根大規(guī)格電纜,加重了現(xiàn)場(chǎng)人員的體力勞動(dòng)。

2.2 IGBT高壓變頻技術(shù)

絕緣柵雙極型晶體管 (Insulated Gate Bipolar Transistor,簡(jiǎn)稱IGBT)是由雙極型三極管BJT和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,目前大功率IGBT功率器件的額定值包括2 400 A/1 200 V、1 800 A/1 800 V、1 500 A/2 500 V、1 200 A/3 300 V和600 A/6 500 V。根據(jù)IGBT器件耐壓等級(jí)的不同,IGBT高壓變頻技術(shù)可分為兩大類:一是采用低壓IGBT功率單元串聯(lián)的多電平高壓變頻技術(shù),二是采用高壓IGBT功率器件和中性點(diǎn)鉗位技術(shù)的三電平高壓變頻技術(shù),兩者都是目前國(guó)內(nèi)高壓變頻器市場(chǎng)的主流技術(shù)。前者是通過(guò)多組低壓IGBT功率單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓輸出,由于輸入側(cè)采用移相變壓器,可消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染,因此又被業(yè)界稱為“完美無(wú)諧波”。國(guó)內(nèi)企業(yè)在最初開(kāi)發(fā)電驅(qū)壓裂設(shè)備時(shí),曾經(jīng)采用過(guò)該項(xiàng)技術(shù),但是因?yàn)椴荒軐?shí)現(xiàn)無(wú)熔斷器設(shè)計(jì),而且電子器件和功率節(jié)點(diǎn)多、可靠性差、體積和重量大,不適合電驅(qū)壓裂設(shè)備頻繁移運(yùn)的工況要求等缺點(diǎn),最終放棄。目前國(guó)產(chǎn)電驅(qū)壓裂泵送設(shè)備沒(méi)有再使用過(guò)該項(xiàng)技術(shù)。

后者則是采用高壓IGBT功率器件,實(shí)現(xiàn)變頻器輸出電壓達(dá)到3.3 kV。該技術(shù)具有電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、輸出頻率和效率高、動(dòng)態(tài)性能好、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、多脈沖整流、網(wǎng)側(cè)諧波小等優(yōu)點(diǎn),目前已在寶石3000型一體式電驅(qū)壓裂橇、四機(jī)5000型和5500型電驅(qū)壓裂橇、杰瑞5000型和7000型電驅(qū)壓裂橇等泵送設(shè)備上進(jìn)行配套,但上述設(shè)備在油田現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)應(yīng)用時(shí)間和規(guī)模有限,技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.3 IGCT高壓變頻技術(shù)

集成門(mén)極換流晶閘管(Integrated Gate Commutated Thyristor,簡(jiǎn)稱IGCT)是ABB公司的專利技術(shù),旗下ACS1000、ACS5000、ACS6000系列的大功率變頻產(chǎn)品都是采用IGCT功率器件的三電平高壓變頻器,其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與采用高壓IGBT功率器件和中性點(diǎn)鉗位技術(shù)的三電平高壓變頻技術(shù)相同。該項(xiàng)技術(shù)是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)電驅(qū)壓裂設(shè)備中應(yīng)用最多的,配套設(shè)備包括寶石3000型分體式和7000型電驅(qū)壓裂橇、宏華6000型電驅(qū)壓裂橇。

宏華第一代6000型電驅(qū)壓裂橇采用ABB公司ACS1000系列水冷12脈變頻器,輸出功率為4 500 kW,額定輸出電壓為3.3 kV,額定電流為941 A。2017年升級(jí)后的第二代6000型電驅(qū)壓裂橇改用ABB公司ACS5000系列風(fēng)冷36脈變頻器,輸出功率不變,額定輸出電壓為6 kV,額定電流降為510 A。與第一代產(chǎn)品相比,新產(chǎn)品采用的變頻系統(tǒng)雖然同樣是三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但是每相采用兩個(gè)單元級(jí)聯(lián)方式,從而提升輸出電壓,降低工作電流,這有利于減少系統(tǒng)發(fā)熱,減小電纜尺寸和重量,減輕現(xiàn)場(chǎng)工人鋪設(shè)電纜的勞動(dòng)強(qiáng)度;同時(shí)36脈整流器諧波更小,對(duì)前端電網(wǎng)更加友好。

寶石3000型分體式電驅(qū)壓裂橇和7000型電驅(qū)壓裂橇也都是采用ABB公司ACS5000系列風(fēng)冷36脈變頻器,輸出電壓分別為6.0 kV和6.6 kV。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì),開(kāi)關(guān)柜、變壓器、變頻器與電機(jī)、壓裂泵分別獨(dú)立成橇,單橇尺寸小、重量輕,運(yùn)輸方便;同時(shí),配電管理和變頻系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂泵橇“一對(duì)多”的驅(qū)動(dòng)控制。

綜上所述,電驅(qū)壓裂設(shè)備采用的大功率變頻技術(shù)在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面將以三電平為主流技術(shù),相對(duì)單元級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),三電平結(jié)構(gòu)允許變頻器與電機(jī)之間的電纜長(zhǎng)度更長(zhǎng),這樣可以將集成電機(jī)的壓裂泵橇和變頻器分別做成獨(dú)立的運(yùn)輸單元,有利于實(shí)現(xiàn)單機(jī)功率的更大化,提高設(shè)備功率密度。在功率器件選擇方面,相同功率條件下,IGBT模塊功耗比IGCT大、發(fā)熱量更大,加之IGBT模塊采用機(jī)械焊接的多層結(jié)構(gòu),在短時(shí)間間隔內(nèi)承受快速變化的負(fù)載加熱和冷卻,會(huì)對(duì)材料和焊接點(diǎn)產(chǎn)生疲勞,容易引起模塊失效,因此IGBT高壓變頻技術(shù)的可靠性還需進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

近年來(lái),圍繞電驅(qū)壓裂設(shè)備國(guó)內(nèi)曾開(kāi)展過(guò)一些試驗(yàn)研究[15-16],但研究對(duì)象主要是超大功率的電驅(qū)壓裂橇裝設(shè)備,對(duì)與傳統(tǒng)柴油動(dòng)力壓裂車(chē)同等功率的電驅(qū)壓裂設(shè)備缺乏相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn),為此以寶石2500型電驅(qū)壓裂車(chē)為試驗(yàn)對(duì)象開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析。

2019年12月20日至2020年1月3日,寶石2500型電驅(qū)壓裂車(chē)在四川內(nèi)江的威204H42頁(yè)巖氣平臺(tái)進(jìn)行首次工業(yè)性試驗(yàn)(圖8)。該平臺(tái)屬于威遠(yuǎn)構(gòu)造中奧陶統(tǒng)頂部構(gòu)造南翼,下志留統(tǒng)龍馬溪組構(gòu)造平緩,斷層不發(fā)育,井深范圍4 500~5 200 m,每段壓裂液體規(guī)模約1 600 m3,加砂量約121 t。平臺(tái)施工作業(yè)采取單機(jī)組拉鏈?zhǔn)綁毫涯J?,同時(shí)作業(yè)的壓裂設(shè)備還包括2500型柴油動(dòng)力壓裂車(chē)和其他廠家的超大功率電驅(qū)壓裂橇裝設(shè)備。試驗(yàn)過(guò)程中,2500型電驅(qū)壓裂車(chē)共參與壓裂施工作業(yè)29段,累計(jì)運(yùn)行3 524 min,泵送液量2 896.4 m3,總耗電量56 247 kWh,泵送單位體積液體的平均耗電量為19.42 kWh/m3。壓裂泵采用?101.6 mm柱塞,泵送排量0.6~1.0 m3/min,工作壓力64~81 MPa,平均輸出功率1 280 hp,平均負(fù)荷率為51.2%,設(shè)備全過(guò)程運(yùn)行良好。

作業(yè)期間,2500型電驅(qū)壓裂車(chē)的供電電源取自井場(chǎng)10 kV/10 000 kVA的國(guó)家電網(wǎng),該供電線路除用于電驅(qū)壓裂設(shè)備外,還為相鄰平臺(tái)的供水裝置提供電源。試驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)實(shí)際用電負(fù)荷超過(guò)電網(wǎng)額定容量時(shí),電驅(qū)壓裂車(chē)出現(xiàn)變頻器輸出電壓從602 V瞬時(shí)下降至313 V的情況,由此帶來(lái)壓裂車(chē)輸出排量從0.8 m3/min下降至0.23 m3/min(圖9)。經(jīng)測(cè)試,當(dāng)用電負(fù)荷超過(guò)電網(wǎng)額定容量時(shí),電網(wǎng)電壓僅為4.8 kV,相對(duì)10 kV額定電壓,電壓波動(dòng)已超過(guò)50%,超出變頻器允許的±10%輸入電壓波動(dòng)范圍,此時(shí)變頻器輸出電壓和功率均大幅下降,壓裂泵排量瞬間下降了近65%。如果電網(wǎng)超載發(fā)生在加砂提排量階段,容易引起砂堵等井下復(fù)雜事故。因此,井場(chǎng)電網(wǎng)容量是影響電驅(qū)壓裂設(shè)備施工作業(yè)的重要因素。

圖9 變頻器輸入電壓對(duì)設(shè)備輸出排量的影響圖

經(jīng)濟(jì)效益方面,2500型電驅(qū)壓裂車(chē)在64~81 MPa工作壓力范圍內(nèi),泵送單位體積液體的平均耗電量為19.42 kWh/m3。按照0.7元/kWh電價(jià)計(jì)算,2500型電驅(qū)壓裂車(chē)泵送單位體積液體的平均電力費(fèi)用約為13.6元/m3。同平臺(tái)的常規(guī)柴油動(dòng)力2500型壓裂車(chē),泵送單位體積液體的平均耗油量為6 L/m3,折算燃料費(fèi)用約為43.5元/m3。因此在同等條件下施工,電力驅(qū)動(dòng)比柴油驅(qū)動(dòng)可節(jié)省燃料動(dòng)力費(fèi)用約68%。此外,2500型電驅(qū)壓裂車(chē)省去了大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等高成本進(jìn)口部件,壓裂泵、電機(jī)等主要部件實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,設(shè)備購(gòu)置成本較同等水馬力的柴油動(dòng)力壓裂車(chē)還可降低10%~20%,綜合經(jīng)濟(jì)效益更加明顯。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外電驅(qū)壓裂設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀,結(jié)合我國(guó)油氣開(kāi)發(fā)和工程作業(yè)實(shí)際,就電驅(qū)壓裂設(shè)備在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造中的推廣應(yīng)用提出意見(jiàn)和建議。

1)我國(guó)電驅(qū)壓裂設(shè)備的整機(jī)技術(shù)與國(guó)外并無(wú)明顯差距,在單泵功率等方面甚至還具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì),但是作為電驅(qū)壓裂設(shè)備的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),我國(guó)的高壓大功率變頻技術(shù)與國(guó)外還存在不小差距,特別是高壓大功率半導(dǎo)體器件長(zhǎng)期依賴進(jìn)口,這可能成為未來(lái)我國(guó)電驅(qū)壓裂設(shè)備大規(guī)模發(fā)展的“卡脖子”技術(shù),建議提前布局,聯(lián)合國(guó)內(nèi)專業(yè)廠家開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)研究。

2)北美電驅(qū)壓裂井場(chǎng)大多采用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電,得益于低廉的天然氣價(jià)格,北美電驅(qū)壓裂設(shè)備的燃料成本優(yōu)勢(shì)更加明顯。而目前我國(guó)川渝頁(yè)巖氣井場(chǎng)兼有網(wǎng)電和燃?xì)獍l(fā)電,一方面由于將網(wǎng)電基建費(fèi)用折算到電價(jià)里,造成用電價(jià)格較高;另一方面大部分井場(chǎng)的電網(wǎng)容量是按照鉆井作業(yè)的需要來(lái)配置的,無(wú)法滿足全電動(dòng)壓裂的供電要求,目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)井場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了全電動(dòng)壓裂,大部分還是采用油電混合作業(yè)模式,造成電驅(qū)壓裂設(shè)備的作業(yè)成本優(yōu)勢(shì)沒(méi)能得到完全發(fā)揮,因此建議頁(yè)巖氣平臺(tái)建設(shè)規(guī)劃時(shí),能夠系統(tǒng)考慮鉆井、壓裂的用電需求,為電動(dòng)壓裂設(shè)備大規(guī)模應(yīng)用提供電力保障。

3)大功率是目前國(guó)產(chǎn)電驅(qū)壓裂設(shè)備的努力方向,但是隨著單泵功率的增大,如何保證壓裂泵的可靠性、泵橇體積和重量增大造成運(yùn)輸困難等問(wèn)題都將日益突顯,因此建議將提高單機(jī)功率密度作為電驅(qū)壓裂設(shè)備的發(fā)展方向。

4)目前國(guó)產(chǎn)電驅(qū)壓裂設(shè)備以橇裝結(jié)構(gòu)為主,其移運(yùn)的便捷性和靈活性不如車(chē)裝形式,筆者介紹的2500型電驅(qū)壓裂車(chē)具有電驅(qū)壓裂設(shè)備的成本和環(huán)保優(yōu)勢(shì),同時(shí)兼具傳統(tǒng)柴油動(dòng)力壓裂車(chē)機(jī)動(dòng)靈活的移運(yùn)性能,適合在黃土溝壑、丘陵山地等道路條件較差的壓裂井場(chǎng)推廣應(yīng)用。

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