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。