电驱压裂设备在页岩气储层改造中的应用

电驱压裂设备在页岩气储层改造中的应用

练顺久，耿榆川，袁杰

中国石化西南石油工程有限公司井下作业分公司

四川省德阳市 618000

摘要：目前，随着非常规油气的超深井和长水平井不断增加，储层改造技术也不断创新，要求压裂装备朝着具备大功率、高负荷、持续时间长、智能化程度高等方向急速发展，并且要实现降低劳动强度，提高作业安全，满足现代环保和节能要求。压裂设备是页岩气藏储层改造的核心装备，随着国内页岩气勘探开发向深层进军，压裂工艺技术的发展对相关装备提出了更高的要求，而电力驱动则是压裂设备技术发展的重要方向。

关键词：页岩气；储集层；压裂改造；压裂设备

随着页岩气勘探开发技术的突破和商业性开发程度的加深，目前页岩气开发对象逐步向深层进军。随着深度的增加，页岩气的地质特征及其压裂工艺技术都发生了较大变化，储层改造面临成本偏高、环保约束等挑战，这对压裂设备提出“降成本、绿色化”的新要求。

一、电驱式压裂装备

电驱压裂橇由高压变频系统橇和电动压裂橇组成，采用网电提供动力，集成自动化集控、电机直驱、线性连续控制，节能减排及数据实时采集传输等多种先进技术，可平滑地调整压裂泵排出流量。电动压裂噪音可低至 85 dB( A) 以下，具备夜间压裂施工条件，既能满足页岩气高压力、长时间、大排量、连续压裂施工作业，又有效缓解当前常规压裂设备装机功率的不足，施工作业经济性好，能 耗费用为2500 型压裂车的 70% ～ 75% ，且制造周期短，电机和压裂泵均能实现国产化; 但受制于网电容量的大小，影响施工配置台数，如能有效解决电驱压裂装备供电问题，市场前景大。目前大功率电驱设备配套压裂泵额定冲次较高，对压裂泵的可靠性提出了更高要求，也需要国内配套厂家加强研发力度，开发长寿命压裂泵。

二、电驱压裂设备关键技术

电驱压裂设备是将压裂泵的驱动动力由柴油发动机改为电机，通过大功率变频系统控制电机，驱动压裂泵 。相比传统柴油动力压裂设备是通过变速箱切换档位来分级调节压裂泵的输出压力和排量，电驱压裂设备则是通过变频技术实现了电机转速和扭矩的连续控制，可以更好地满足深层页岩气储层改造工艺对泵送设备输出压力和排量精确控制的要求，因此作为动力源的大功率变频技术是决定电驱压裂设备工作性能的一项关键技术。

1、低压变频技术。低压变频系统是指输出电压 1 kV 以下，国内采用低压变频技术的电驱压裂设备不多，典型产品包括宝石 2500 型电驱压裂车和四机 4500 型电驱压裂橇，两套压裂设备都是采用 690 V 电压等级的变频系统。其中 2500 型电驱压裂车配套的交流变频系统额定功率为 2200 kW，变频系统前端采用 24 脉移相整流变压系统，额定容量为 2500 kVA，后端驱动 690V/2000 kW 三相电机。为了克服大尺寸电缆铺设困难的问题，变频器与电机之间的动力电缆已预制固定在车上，现场作业时，只需要连接一组三相 10 kV 的受控电源电缆，电缆终端采用插接件，连接快速轻便。为了解决低压变频系统大电流的问题，四机4500 型电驱压裂橇采用九相 690 V/2400 kW 电机和三组 690 V/1200 kW 逆变装置的技术方案，以降低变频系统的单组功率和负载电流，从而突破了低压变频技术在大功率压裂设备领域的应用瓶颈。但是由于多相逆变器的功率器件数目相对较多，控制比三相逆变器复杂，变频器可靠性降低，设备带载启动时，容易出现因电流过大引起的变频器停机故障。同时由于变频器和电机分属不同运输单元，加之采用的是九相电机，随着相数增加，电机的出线电缆数量增多，作业时现场需要连接 9 根大规格电缆，加重了现场人员的体力劳动。

2、IGBT 高压变频技术。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称 IGBT）是由双极型三极管 BJT 和绝缘栅型场效应管 MOS 组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，目前大功率 IGBT 功率器件的额定值包括 2 400 A/1 200 V、1 800 A/1 800 V、1 500A/2 500 V、1 200 A/3 300 V 和 600 A/6 500 V。根据IGBT 器件耐压等级的不同，IGBT 高压变频技术可分为两大类 ：一是采用低压 IGBT 功率单元串联的多电平高压变频技术，二是采用高压 IGBT 功率器件和中性点钳位技术的三电平高压变频技术，两者都是目前国内高压变频器市场的主流技术。通过多组低压 IGBT 功率单元串联实现高压输出，由于输入侧采用移相变压器，可消除对电网的谐波污染，因此又被业界称为“完美无谐波”。国内企业在最初开发电驱压裂设备时，曾经采用过该项技术，但是因为不能实现无熔断器设计，而且电子器件和功率节点多、可靠性差、体积和重量大，不适合电驱压裂设备频繁移运的工况要求等缺点，最终放弃。目前国产电驱压裂泵送设备没有再使用过该项技术。后者则是采用高压 IGBT 功率器件，实现变频器输出电压达到 3.3 kV。该技术具有电路拓扑结构简单可靠、输出频率和效率高、动态性能好、转矩脉动小、多脉冲整流、网侧谐波小等优点，目前已在3000 型一体式电驱压裂橇、四机 5000 型和 5500型电驱压裂橇、杰瑞 5000 型和 7000 型电驱压裂橇等泵送设备上进行配套，但上述设备在油田现场的工业应用时间和规模有限，技术的稳定性和可靠性还需进一步验证。

3、现场应用

近年来，围绕电驱压裂设备国内曾开展过一些试验研究，但研究对象主要是超大功率的电驱压裂橇装设备，对与传统柴油动力压裂车同等功率的电驱压裂设备缺乏相应的对比试验，以2500 型电驱压裂车为试验现场应用，井深范围 4500 ～5200 m，每段压裂液体规模约 1600 m3，加砂量约 121t。平台施工作业采取单机组拉链式压裂模式，同时作业的压裂设备还包括 2500 型柴油动力压裂车和其他厂家的超大功率电驱压裂橇装设备。试验过程中，2500 型电驱压裂车共参与压裂施工作业 29 段，累计运行 3 524min，泵送液量 2 896.4 m3，总耗电量 56 247 kWh，泵送单位体积液体的平均耗电量为 19.42 kWh/m3。压裂泵采用 Ø101.6 mm 柱塞，泵送排量 0.6 ～1.0 m3/min，工作压力 64 ～81 MPa，平均输出功率 1 280 hp，平均负荷率为 51.2%，设备全过程运行良好。

结论

通过对比国内外电驱压裂设备技术现状，结合我国油气开发和工程作业实际，就电驱压裂设备在页岩气储层改造中的推广应用。我国电驱压裂设备的整机技术与国外并无明显差距，在单泵功率等方面甚至还具有一定的技术优势，但是作为电驱压裂设备的一项关键技术，我国的高压大功率变频技术与国外还存在不小差距，特别是高压大功率半导体器件长期依赖进口，这可能成为未来我国电驱压裂设备大规模发展的“卡脖子”技术，建议提前布局，联合国内专业厂家开展相关基础研究。

参考文献：

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