论文部分内容阅读
[摘 要]为满足页岩气勘探开发需要，近年来各类新型压裂工艺技术被引入页岩气储层改造实践，电驱压裂设备技术是其中代表，相关理论研究和实践探索近年来也大量涌现。基于此，分析了电驱压裂设备的应用现状，并结合页岩气储层改造中电驱压裂设备的现场应用，探讨了页岩气储层改造中电驱压裂设备的升级方向。
[关键词]电驱压裂设备;页岩气;储层改造
[中图分类号]TE934.2 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）04–00–02
Application of Electric Drive Fracturing Equipment in Shale Gas Reservoir Reconstruction
Xie Yuan-jie
[Abstract]In order to meet the needs of shale gas exploration and development， various new fracturing technologies have been introduced into shale gas reservoir reform practice in recent years. Electric drive fracturing equipment technology is one of the representatives. Related theoretical research and practical exploration have also been carried out in recent years. Emerge in large numbers. Based on this， the application status of electric drive fracturing equipment will be briefly analyzed， combined with the field application of electric drive fracturing equipment in shale gas reservoir reconstruction， and the upgrade direction of electric drive fracturing equipment in shale gas reservoir reconstruction will be discussed in depth.
[Keywords]electric drive fracturing equipment; shale gas; reservoir modification
作為页岩气藏储层改造的核心设备，压裂设备向来受到业界重视。深层页岩气开发中储层改造面临着环保约束、成本偏高等挑战，绿色化、降成本的压裂设备属于开发重点。现阶段我国广泛应用的柴油动力压裂车在应用中存在作业成本高、功率利用率低、施工安全风险高等不足，而相较于这类常规柴油动力压裂设备，电驱压裂设备在安全节能、成本、效率方面均具备显著优势，近年来的发展极为迅速，由此本文研究具备较高现实意义。
1 电驱压裂设备的应用现状
1.1 行业现状分析
全球压裂设备主要由中美两国生产，由于存在大量地形平坦的页岩气储藏，美国多生产“半挂车+双泵”结构的电驱压裂设备，我国由于页岩气藏多处于山区，国产电驱压裂设备多选择单泵技术路线，以大功率和小体积为标准，致力于减少井场占地面积、减少井场设备数量、提升单机功率密度。以Clean Fleet?电驱环保压裂技术为例，该电驱压裂技术属于一种天然气驱动、可移动式的纯电动压裂系统，由美国USWS公司推出，系统由电驱压裂泵车和燃气涡轮发电机组组成，电机工作电压、单电机功率、单车功率分别为600 V、1 286 kW（1 750 hp）、2 573 kW（3 500 hp），可在应用中实现氮氧化物排放的99%减少，同时可实现燃料成本的90%节约，每天能够实现4万美元的运营成本节约;在压裂设备生产中，我国烟台杰瑞石油装备技术有限公司有着较为丰富经验，如今已形成包括电驱连续输砂装置、电驱混配设备、电驱混砂设备、电驱压裂设备的电驱压裂成套装备系统解决方案，属于国内电驱压裂设备生产厂商代表。以该公司推出的5 145 kW（7 000 hp）电驱压裂设备为例，该设备采用橇装为主的结构形式，设有配套的JR7 000QP五缸柱塞泵，对比国外同类产品可以发现，国内外电驱压裂设备的整体技术水平相当，同时国内设备存在更大的单泵功率和单机功率及更为丰富的产品类别。
1.2 关键技术分析
1.2.1 低压变频技术
电驱压裂设备一般存在2 000 kW以上的电机功率，如电压为690 V，将存在非常大的变频器输出电流，基于经验公式开展计算，此时变频器存在约2 200 A的输出电流，电缆重量和尺寸变大、电磁干扰、电机发热等问题会因此出现。国内电驱压裂设备采用低压变频技术的不多，为解决大尺寸电缆铺设难题，一般在车上预制固定动力电缆。为解决大电流问题，可设法降低变频系统的负载电流和单组功率，如采用690 V/2 400 kW九相电机和三组690 V/2 400 kW逆变装置，但受到相对较多的多相逆变器功率器件影响，其可靠性会降低，停机故障在设备带载启动时的发生概率也会上升，此外由于需要连接更多的大规格电缆，现场体力劳动也会加重。
1.2.2 高压变频技术（IGBT）
IGBT技术指的是绝缘栅双极型晶体管技术，该技术可细分为多电平高压变频技术和三电平高压变频技术，前者串联低压功率单元，后者采用中性点钳位技术和高压功率器件。多电平高压变频技术下移相变压器设置于输入侧，谐波污染问题能够有效规避，但该技术在国内的应用较少。三电平高压变频技术具备动态性能好、转矩脉动小、网侧谐波小、输出效率和频率高等优势，存在3.3 kV的变频器输出电压，现阶段在我国应用较为广泛。 1.2.3 高压变频技术（IGCT）
IGCT技术指的是集成门极换流晶闸管技术，该技术在国内电驱压裂设备中的应用最为广泛，IGCT技术与三电平高压变频技术拥有相同的电路拓扑结构。综合分析可以发现，三电平高压变频技术属于我国电驱压裂设备电路拓扑结构主流，该技术应用下电机与变频器的允许电缆长度更长，更大的单机功率能够顺利实现，设备功率密度自然能够随之提升。在相同功率条件下，IGCT模块的发热量和功耗更小，相较于IGBT模块优势明显，同时IGBT技术的可靠性还可能受到机械焊接多层结构的影响，这种影响源于焊接点和材料疲劳可能导致的模块失效。
2 页岩气储层改造中电驱压裂设备的现场应用
以围绕某型号电驱压裂车开展的现场应用试验为例，该型号电驱压裂车的首次工业性试验在某页岩气平台开展，该平台断层不发育，存在4 500～5 200 m的井深范围，以及1 600 m3的每段压裂液体规模，存在121 t左右的加砂量。平台基于单机组拉链式压裂模式开展施工作业，同时作业的还包括柴油动力压裂车、电驱压裂橇装设备（超大功率）等压裂设备。在试验过程中，案例电驱压裂车参与29段压裂施工作业，累计运行时间、总耗电量、泵送液量分别为3 524 min、56 247 kW·h、2 896.4 m3，单位体积液体泵送存在19.42 kW·h/m3的平均耗电量。压裂泵的柱塞规格、工作压力、泵送排量、平均负荷率、平均输出功率分别为φ101.6 mm、64～81 MPa、0.6～1.0 m3/min、941 kW（1 280 hp）、51.2%，全过程运行中设备表现良好。作业期间案例电驱压裂车由井场国家电网供电，该线路同时为供水装置提供电源。试验过程中出现了超过电网额定容量的实际用电负荷，602 V的变频器输出电压因此瞬时下降至313 V，电驱压裂车的输出排量随之下降。基于试验能够确定，在超过电网额定容量的电驱压裂车用电负荷出现时，会出现4.8kV的电网电压，对比额定电压10kV，此时存在50%以上的电压波动，远高于±10%的变频器允许输入电压波动，这种情况下，大幅下降的变频器输出电压和功率会导致瞬间下降的压裂泵排量出现，具体存在近65%的瞬间下降，这说明电驱压裂设备会受到井场电网容量的直接影响。
围绕经济效益开展进一步分析能够发现，64～81 MPa内，案例电驱压裂车在该工作压力下存在19.42 kW·h/m3的平均耗电量，电价以0.7元/kW·h进行计算，该电驱压裂车存在13.6元/m3的平均电力费用，泵送单位体积液体需要耗费13.6元。同平台的常规柴油动力压裂车平均耗油量、平均燃料费用分别为6 L/m3、43.5元/m3，页岩气储层改造中电驱压裂设备应用所具备的经济优势可见一斑。电力驱动在同等条件下的施工中相较于柴油驱动可实现约68%的燃料动力费用，由于同时省去了变速箱、大功率柴油发动机等高成本进口部件，在实现国产化的电机、压裂泵等主要部件支持下，设备购置成本也能够同时实现10%～20%的下降，电驱压裂设备因此具备更为显著的综合经济效益。
3 页岩气储层改造中电驱压裂设备的升级方向
3.1 升级思路
为实现页岩气储层改造中电驱压裂设备升级，具体升级可选择4个方面。
3.1.1 关键技术布局
国内外电驱压裂设备在技术层面不存在显著差距，国内技术在单泵功率方面拥有一定技术优势，但在高压大功率变频技术方面，我国在这一关键性的电驱压裂设备技术方面仍落后于国际一流水平，长期依赖进口的高压大功率半导体器件便能够证明这一点。为改变这一现状，解决未来可能出现的“卡脖子”问题，应提前开展相关布局，国内厂商应通力合作强化基础研究。
3.1.2 提供電力保障
燃气轮机发电在美国电驱压裂井场中极为常见，在天然气低廉价格支持下，美国电驱压裂设备存在更为显著的燃料成本优势。对于兼有燃气发电和网电的我国页岩气井场来说，由于电价中会折算网电基建费用，使得存在较高的用电价格，同时基于钻井作业需要配置的电网容量往往难以满足全电动压裂供电需要，这也是国内实现全电动压裂井场数量较少的原因，同时这类井场的作业模式多为油电混合，作业成本方面的电驱压裂设备在这种情况下难以充分发挥。因此，建议建设规划页岩气平台，综合考虑压裂、钻井用电需求，以提供电力，保证满足大规模应用电驱压裂设备的需要。
3.1.3 提高单机功率密度
近年来电驱压裂设备致力于提高功率，但在不断增大的单泵功率影响下，很多新问题也随之出现，如泵橇重量和体积增大导致的运输困难，以及压裂泵可靠性控制等，因此本文建议电驱压裂设备以单机功率密度提高作为重要发展方向。
3.1.4 提升电驱压裂设备的移运性能。
橇装结构属于现阶段国产电驱压裂设备主流，相较于车装形式的设备，这类设备在灵活性和便捷性方面存在不足，因此建议研发车装形式的电驱压裂设备，以提升其环保和成本优势，为丘陵山地、黄土沟壑等存在较差道路条件的压裂井场提供服务。
3.2 升级策略
为保证页岩气储层改造中电驱压裂设备的更好发展，相应升级策略也需要得到重视，具体包括3个方面。
3.2.1 国家支持
国家应进一步推动电代油工程，强化统筹协调和顶层设计，并在国家规划中明确电代油及电驱压裂内容，相关的电网建设问题也需要设法解决。油气田企业在相关规划和方案论证环节应充分考虑页岩气储层改造中电驱压裂设备的作业要求、特点及优势，统筹压裂、钻井、后期生产用电需要，以此开展可靠、稳定的大容量电网建设。还应同时开展电驱压裂计价指导标准的科学化制定，为调动各方积极性，还应设法形成降本效益分享机制。
3.2.2 推进技术升级
基于电代油，钻探公司需设法实现技术升级，以此基于提速提效要求开展电驱压裂设备应用方案编制，综合考虑多平台同步作业下的电力需求、机组参数受到的不同压裂工艺影响，同时强化高压电器技师、电气工程师等人才的培养，为电驱压裂设备应用提供支持。
3.2.3 打造系列化电驱压裂装备
相关企业需加大电驱压裂装备的研发和推广力度，不断提升产品的可靠性、性能及自身服务水平，在电驱压裂设备的现场作业规范和相关产品标准编制中发挥自身作用，这同样能够为电驱压裂设备发展提供支持。
4 结束语
电驱压裂设备在页岩气储层改造中具备广阔应用前景。在此基础上，本文涉及的升级思路、升级策略等内容，则提供了可行性较高的电驱压裂设备发展路径。为更好推动电驱压裂设备发展，电网升级与改造的推进、相关核心技术的攻坚同样需要得到重视。
参考文献
[1] 李双鹏，刘有平，彭俊威. NC5440TYL电驱压裂车的研制[J].石油机械，2020，48（11）：97-102.
[2] 林蕾.电驱压裂泵在页岩气开发中的优势分析[J].设备管理与维修，2020（15）：31-32.
[3] 童征，展恩强，刘颖.国内电驱压裂经济性和制约因素分析[J].国际石油经济，2020，28（7）：53-62.
[4] 刘文宝，姚孔，王元忠.电驱压裂装备整体供电技术方案分析及应用[J].机械研究与应用，2020，33（3）：210-213，216.
[关键词]电驱压裂设备;页岩气;储层改造
[中图分类号]TE934.2 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）04–00–02
Application of Electric Drive Fracturing Equipment in Shale Gas Reservoir Reconstruction
Xie Yuan-jie
[Abstract]In order to meet the needs of shale gas exploration and development， various new fracturing technologies have been introduced into shale gas reservoir reform practice in recent years. Electric drive fracturing equipment technology is one of the representatives. Related theoretical research and practical exploration have also been carried out in recent years. Emerge in large numbers. Based on this， the application status of electric drive fracturing equipment will be briefly analyzed， combined with the field application of electric drive fracturing equipment in shale gas reservoir reconstruction， and the upgrade direction of electric drive fracturing equipment in shale gas reservoir reconstruction will be discussed in depth.
[Keywords]electric drive fracturing equipment; shale gas; reservoir modification
作為页岩气藏储层改造的核心设备，压裂设备向来受到业界重视。深层页岩气开发中储层改造面临着环保约束、成本偏高等挑战，绿色化、降成本的压裂设备属于开发重点。现阶段我国广泛应用的柴油动力压裂车在应用中存在作业成本高、功率利用率低、施工安全风险高等不足，而相较于这类常规柴油动力压裂设备，电驱压裂设备在安全节能、成本、效率方面均具备显著优势，近年来的发展极为迅速，由此本文研究具备较高现实意义。
1 电驱压裂设备的应用现状
1.1 行业现状分析
全球压裂设备主要由中美两国生产，由于存在大量地形平坦的页岩气储藏，美国多生产“半挂车+双泵”结构的电驱压裂设备，我国由于页岩气藏多处于山区，国产电驱压裂设备多选择单泵技术路线，以大功率和小体积为标准，致力于减少井场占地面积、减少井场设备数量、提升单机功率密度。以Clean Fleet?电驱环保压裂技术为例，该电驱压裂技术属于一种天然气驱动、可移动式的纯电动压裂系统，由美国USWS公司推出，系统由电驱压裂泵车和燃气涡轮发电机组组成，电机工作电压、单电机功率、单车功率分别为600 V、1 286 kW（1 750 hp）、2 573 kW（3 500 hp），可在应用中实现氮氧化物排放的99%减少，同时可实现燃料成本的90%节约，每天能够实现4万美元的运营成本节约;在压裂设备生产中，我国烟台杰瑞石油装备技术有限公司有着较为丰富经验，如今已形成包括电驱连续输砂装置、电驱混配设备、电驱混砂设备、电驱压裂设备的电驱压裂成套装备系统解决方案，属于国内电驱压裂设备生产厂商代表。以该公司推出的5 145 kW（7 000 hp）电驱压裂设备为例，该设备采用橇装为主的结构形式，设有配套的JR7 000QP五缸柱塞泵，对比国外同类产品可以发现，国内外电驱压裂设备的整体技术水平相当，同时国内设备存在更大的单泵功率和单机功率及更为丰富的产品类别。
1.2 关键技术分析
1.2.1 低压变频技术
电驱压裂设备一般存在2 000 kW以上的电机功率，如电压为690 V，将存在非常大的变频器输出电流，基于经验公式开展计算，此时变频器存在约2 200 A的输出电流，电缆重量和尺寸变大、电磁干扰、电机发热等问题会因此出现。国内电驱压裂设备采用低压变频技术的不多，为解决大尺寸电缆铺设难题，一般在车上预制固定动力电缆。为解决大电流问题，可设法降低变频系统的负载电流和单组功率，如采用690 V/2 400 kW九相电机和三组690 V/2 400 kW逆变装置，但受到相对较多的多相逆变器功率器件影响，其可靠性会降低，停机故障在设备带载启动时的发生概率也会上升，此外由于需要连接更多的大规格电缆，现场体力劳动也会加重。
1.2.2 高压变频技术（IGBT）
IGBT技术指的是绝缘栅双极型晶体管技术，该技术可细分为多电平高压变频技术和三电平高压变频技术，前者串联低压功率单元，后者采用中性点钳位技术和高压功率器件。多电平高压变频技术下移相变压器设置于输入侧，谐波污染问题能够有效规避，但该技术在国内的应用较少。三电平高压变频技术具备动态性能好、转矩脉动小、网侧谐波小、输出效率和频率高等优势，存在3.3 kV的变频器输出电压，现阶段在我国应用较为广泛。 1.2.3 高压变频技术（IGCT）
IGCT技术指的是集成门极换流晶闸管技术，该技术在国内电驱压裂设备中的应用最为广泛，IGCT技术与三电平高压变频技术拥有相同的电路拓扑结构。综合分析可以发现，三电平高压变频技术属于我国电驱压裂设备电路拓扑结构主流，该技术应用下电机与变频器的允许电缆长度更长，更大的单机功率能够顺利实现，设备功率密度自然能够随之提升。在相同功率条件下，IGCT模块的发热量和功耗更小，相较于IGBT模块优势明显，同时IGBT技术的可靠性还可能受到机械焊接多层结构的影响，这种影响源于焊接点和材料疲劳可能导致的模块失效。
2 页岩气储层改造中电驱压裂设备的现场应用
以围绕某型号电驱压裂车开展的现场应用试验为例，该型号电驱压裂车的首次工业性试验在某页岩气平台开展，该平台断层不发育，存在4 500～5 200 m的井深范围，以及1 600 m3的每段压裂液体规模，存在121 t左右的加砂量。平台基于单机组拉链式压裂模式开展施工作业，同时作业的还包括柴油动力压裂车、电驱压裂橇装设备（超大功率）等压裂设备。在试验过程中，案例电驱压裂车参与29段压裂施工作业，累计运行时间、总耗电量、泵送液量分别为3 524 min、56 247 kW·h、2 896.4 m3，单位体积液体泵送存在19.42 kW·h/m3的平均耗电量。压裂泵的柱塞规格、工作压力、泵送排量、平均负荷率、平均输出功率分别为φ101.6 mm、64～81 MPa、0.6～1.0 m3/min、941 kW（1 280 hp）、51.2%，全过程运行中设备表现良好。作业期间案例电驱压裂车由井场国家电网供电，该线路同时为供水装置提供电源。试验过程中出现了超过电网额定容量的实际用电负荷，602 V的变频器输出电压因此瞬时下降至313 V，电驱压裂车的输出排量随之下降。基于试验能够确定，在超过电网额定容量的电驱压裂车用电负荷出现时，会出现4.8kV的电网电压，对比额定电压10kV，此时存在50%以上的电压波动，远高于±10%的变频器允许输入电压波动，这种情况下，大幅下降的变频器输出电压和功率会导致瞬间下降的压裂泵排量出现，具体存在近65%的瞬间下降，这说明电驱压裂设备会受到井场电网容量的直接影响。
围绕经济效益开展进一步分析能够发现，64～81 MPa内，案例电驱压裂车在该工作压力下存在19.42 kW·h/m3的平均耗电量，电价以0.7元/kW·h进行计算，该电驱压裂车存在13.6元/m3的平均电力费用，泵送单位体积液体需要耗费13.6元。同平台的常规柴油动力压裂车平均耗油量、平均燃料费用分别为6 L/m3、43.5元/m3，页岩气储层改造中电驱压裂设备应用所具备的经济优势可见一斑。电力驱动在同等条件下的施工中相较于柴油驱动可实现约68%的燃料动力费用，由于同时省去了变速箱、大功率柴油发动机等高成本进口部件，在实现国产化的电机、压裂泵等主要部件支持下，设备购置成本也能够同时实现10%～20%的下降，电驱压裂设备因此具备更为显著的综合经济效益。
3 页岩气储层改造中电驱压裂设备的升级方向
3.1 升级思路
为实现页岩气储层改造中电驱压裂设备升级，具体升级可选择4个方面。
3.1.1 关键技术布局
国内外电驱压裂设备在技术层面不存在显著差距，国内技术在单泵功率方面拥有一定技术优势，但在高压大功率变频技术方面，我国在这一关键性的电驱压裂设备技术方面仍落后于国际一流水平，长期依赖进口的高压大功率半导体器件便能够证明这一点。为改变这一现状，解决未来可能出现的“卡脖子”问题，应提前开展相关布局，国内厂商应通力合作强化基础研究。
3.1.2 提供電力保障
燃气轮机发电在美国电驱压裂井场中极为常见，在天然气低廉价格支持下，美国电驱压裂设备存在更为显著的燃料成本优势。对于兼有燃气发电和网电的我国页岩气井场来说，由于电价中会折算网电基建费用，使得存在较高的用电价格，同时基于钻井作业需要配置的电网容量往往难以满足全电动压裂供电需要，这也是国内实现全电动压裂井场数量较少的原因，同时这类井场的作业模式多为油电混合，作业成本方面的电驱压裂设备在这种情况下难以充分发挥。因此，建议建设规划页岩气平台，综合考虑压裂、钻井用电需求，以提供电力，保证满足大规模应用电驱压裂设备的需要。
3.1.3 提高单机功率密度
近年来电驱压裂设备致力于提高功率，但在不断增大的单泵功率影响下，很多新问题也随之出现，如泵橇重量和体积增大导致的运输困难，以及压裂泵可靠性控制等，因此本文建议电驱压裂设备以单机功率密度提高作为重要发展方向。
3.1.4 提升电驱压裂设备的移运性能。
橇装结构属于现阶段国产电驱压裂设备主流，相较于车装形式的设备，这类设备在灵活性和便捷性方面存在不足，因此建议研发车装形式的电驱压裂设备，以提升其环保和成本优势，为丘陵山地、黄土沟壑等存在较差道路条件的压裂井场提供服务。
3.2 升级策略
为保证页岩气储层改造中电驱压裂设备的更好发展，相应升级策略也需要得到重视，具体包括3个方面。
3.2.1 国家支持
国家应进一步推动电代油工程，强化统筹协调和顶层设计，并在国家规划中明确电代油及电驱压裂内容，相关的电网建设问题也需要设法解决。油气田企业在相关规划和方案论证环节应充分考虑页岩气储层改造中电驱压裂设备的作业要求、特点及优势，统筹压裂、钻井、后期生产用电需要，以此开展可靠、稳定的大容量电网建设。还应同时开展电驱压裂计价指导标准的科学化制定，为调动各方积极性，还应设法形成降本效益分享机制。
3.2.2 推进技术升级
基于电代油，钻探公司需设法实现技术升级，以此基于提速提效要求开展电驱压裂设备应用方案编制，综合考虑多平台同步作业下的电力需求、机组参数受到的不同压裂工艺影响，同时强化高压电器技师、电气工程师等人才的培养，为电驱压裂设备应用提供支持。
3.2.3 打造系列化电驱压裂装备
相关企业需加大电驱压裂装备的研发和推广力度，不断提升产品的可靠性、性能及自身服务水平，在电驱压裂设备的现场作业规范和相关产品标准编制中发挥自身作用，这同样能够为电驱压裂设备发展提供支持。
4 结束语
电驱压裂设备在页岩气储层改造中具备广阔应用前景。在此基础上，本文涉及的升级思路、升级策略等内容，则提供了可行性较高的电驱压裂设备发展路径。为更好推动电驱压裂设备发展，电网升级与改造的推进、相关核心技术的攻坚同样需要得到重视。
参考文献
[1] 李双鹏，刘有平，彭俊威. NC5440TYL电驱压裂车的研制[J].石油机械，2020，48（11）：97-102.
[2] 林蕾.电驱压裂泵在页岩气开发中的优势分析[J].设备管理与维修，2020（15）：31-32.
[3] 童征，展恩强，刘颖.国内电驱压裂经济性和制约因素分析[J].国际石油经济，2020，28（7）：53-62.
[4] 刘文宝，姚孔，王元忠.电驱压裂装备整体供电技术方案分析及应用[J].机械研究与应用，2020，33（3）：210-213，216.