电驱压裂设备在页岩气储层改造中的应用

张 斌 李 磊 邱勇潮 戴启平 李双鹏 邓友超

1. 中国石油宝鸡石油机械有限责任公司 2. 国家油气钻井装备工程技术研究中心 3. 西南交通大学4. 中国石油川庆钻探工程有限公司 5. 中国石油西南油气田公司

0 引言

天然气在未来全球能源结构中将发挥越来越重要的作用。预计到2035年，天然气将超越石油成为全球第二大能源[1]。在国家重大政策驱动下，我国天然气消费量增长强劲，天然气对外依存度不断上升，由2000年的15.9%增长到2019年的45.2%。与此同时，我国页岩气资源丰富，是我国天然气增储上产的关键领域，目前页岩气仍处于勘探开发初级阶段，增长潜力巨大[2-3]。要实现页岩气的高效、经济开发，实施储层压裂改造是一项重要的技术步骤，压裂设备是实施储层改造的核心装备[4]。

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[5-7]，储层改造面临成本偏高、环保约束等挑战[8-9]，这对压裂设备提出“降成本、绿色化”的新要求。现阶段，2500型柴油动力压裂车是国内页岩气水平井大规模工厂化压裂作业的主力机型，但在作业过程中，普遍存在设备功率利用率低、作业成本高、施工安全风险高以及环境污染等重大问题[10]。与常规柴油动力压裂设备相比，电驱压裂设备具有高效率、低成本、安全节能等技术优势，符合页岩气压裂作业“降成本、绿色化”的发展需要[11]。为此，笔者调研了国内外电驱压裂设备的技术进展和应用现状，针对电力传动这一决定电驱压裂设备性能的关键技术开展研究，分析大功率交流变频的技术特点以及不同技术类型应用于电驱压裂设备的适应性，结合2500型电驱压裂车在四川威远实施页岩气储层改造压裂作业的试验情况，进行电力驱动与柴油驱动的对比分析，以期对电驱压裂设备在页岩气储层改造中的应用提供可靠的实践依据。

1 电驱压裂设备技术进展

美国和中国是全球压裂设备的主要生产国，两国生产的压裂设备代表着世界先进技术水平。北美地区页岩气储藏地形平坦，道路状况良好，井场面积较大，具有多台大型设备的容纳能力，因此北美页岩气的电驱压裂设备以“双泵+半挂车”结构为主，压裂泵采用已在柴油动力压裂设备上经过充分验证的2 000～3 500 hp（1 hp=0.735 5 kW，下同）成熟产品[12]。但是我国页岩气藏多处在山区，井场面积受限，设备布置困难，因此国产电驱压裂设备更多采用“小体积、大功率”的单泵技术路线，以提高单机功率密度、减少井场设备数量和井场占地面积。

1.1 国外技术发展及应用现状

美国是页岩气开发技术领先、商业化最成功的国家，凭借大功率柴油发动机、高性能变速箱等核心技术，哈里伯顿、斯伦贝谢、双S等公司在柴油动力压裂设备领域处于技术领先水平，但是受低油价等因素的影响，上述厂家先后暂停了大功率电驱压裂设备的研发。目前，美国的电驱压裂设备制造商主要包括美国油井服务公司（US Well Service，简称USWS）和发展油气井服务公司（Evolution Well Service，简称 EWS）。

1.1.1 美国油井服务公司（USWS）

USWS公司推出的CleanFleet®电驱环保压裂技术是一种天然气驱动的纯电动、可移动式压裂系统（图1）。系统采用燃气涡轮发电机组配套电驱压裂泵车。泵车为双机双泵的半挂车结构，单电机功率为1 750 hp，电机工作电压600 V，单车功率为3 500 hp。自2014年投入使用以来，CleanFleet®电驱压裂技术已先后在Marcellus、Utica、Niobrara-DJ、Permian、Eagle Ford等页岩开采区实施压裂作业，节能减排效果明显，减少99%的氮氧化物排放，节省多达90%的燃料成本和高达40 000美元/d的运营成本。

图1 USWS公司CleanFleet®电驱压裂泵车照片

1.1.2 美国发展油气井服务公司（EWS）

EWS公司推出的电驱压裂系统包括燃气发电机组和7000型压裂拖车。泵车为单机双泵的半挂车结构，电机功率为7 000 hp，同时驱动两台3 500 hp的五缸压裂泵。目前EWS拥有6个以上全电驱压裂车队，总容量超过300 000 hp。现场采用井口气作为燃料发电，可降低燃料成本95%，排放的污染气体远低于美国环境保护署规定的Tier 4标准。在常规柴油动力压裂车队只能运行7～8 h的地区，电驱压裂车队平均每天运行16 h时，同时减少了60%的人员配置和40%的井场用地（图2）。

图2 EWS公司电驱压裂车队照片

1.2 国内产品研制及应用现状

我国电驱压裂设备的主要厂家包括中国石油宝鸡石油机械有限责任公司（以下简称宝石）、中国石化四机石油机械有限公司（以下简称四机）、中国航天科工集团四川宏华石油设备有限公司（以下简称宏华）和烟台杰瑞石油装备技术有限公司（以下简称杰瑞）等。

1.2.1 中国石油宝鸡石油机械有限责任公司

宝石从2017年开始电驱压裂设备的研发，现已形成系列化，产品包括2500型电驱压裂车、3000型和7000型电驱压裂橇，电机工作电压涵盖690 V、3.3 kV、6.0 kV和6.6 kV。其中，3000型电驱压裂橇包括分体式和一体式两种结构，7000型电驱压裂橇是目前全球单泵输出功率最大的压裂设备（图3）。

图3 宝石系列电驱压裂设备组图

2500型电驱压裂车采用与常规柴油动力2500型压裂车相同的“一车装”结构形式，即变压与变频系统、控制系统、电机、压裂泵全部集成在四桥底盘车上，整车质量43 t，满足道路运输不超限的要求。该车采用全国产QPI-2800A压裂泵，配置 Ø101.6 mm柱塞时的最高工作压力达140 MPa，配置Ø165.1 mm柱塞时的最大排量达8.16 m3/min，整车最大输出功率可达2 500 hp。由于电驱压裂车采用交流变频技术，可以实现排量的连续调节，如图4所示，其功率区间可以完全覆盖常规2500型柴油动力压裂车的一～七档范围。目前该车已在四川页岩气平台完成首次先导性工业试验。

图4 电驱动与柴油驱动2500型压裂车参数对比图

1.2.2 中国石化四机石油机械有限公司

依托国家重大专项“超大功率电动成套压裂装备研制”项目支持[13]，四机从2014年开始电驱压裂设备的研发，主要产品包括4500型、5000型、5500型电驱压裂橇和4500型电驱压裂车，是国内少数采用“单机双泵”配套方案的厂家（图5）。

图5 四机系列电驱压裂设备组图

2017年，两套4500型电驱压裂橇在重庆涪陵焦页193号平台首次参与完成了3口井、共23层段的施工作业。5000型和5500型电驱压裂橇采用3.3 kV/4 100 kW六相永磁同步电机，分别对应SQP2800和SQP3300两种压裂泵配置。2019年3月，7台5000型电驱压裂橇与4台3000型常规柴油动力压裂车采用“油+电”组合模式在重庆涪陵焦页82号平台完成4口井、合计79段的压裂施工作业，试验效果良好。

1.2.3 中航科工四川宏华石油设备有限公司

宏华是国内最早专注电驱压裂设备研发的企业，产品以6000型电驱压裂橇为主（图6）。首台HH6000型电驱压裂橇于2012年亮相OTC，随后于2015年投入工业应用，先后在美国加州AERA井场、四川宜宾H9、重庆涪陵焦页194-2HF和195-1HF等页岩气平台参与压裂施工作业[14-16]。由于压裂泵冲次高，作业过程中出现易损件寿命短、吸入管汇上水困难等问题。为此，宏华推出新一代HH6000型电驱压裂橇，增加了压裂泵冲程，以降低泵冲，提高易损件寿命，同时升级变频系统，升高电机工作电压，减小电机工作电流，减少系统发热。目前，宏华HH6000电驱压裂橇是国内推广使用最多的电驱压裂设备。

图6 宏华HH6000型电驱压裂橇组图

1.2.4 烟台杰瑞石油装备技术有限公司

杰瑞是国内较早生产压裂设备的厂家之一，现已初步形成电驱压裂成套装备的系统解决方案，包括电驱压裂设备、电驱混砂设备、电驱混配设备、电驱连续输砂装置等。其中5000型电驱压裂橇于2016年推出，目前已在新疆、四川等地参与压裂作业。同时结合北美压裂工况，杰瑞还相继推出7 000 hp和10 000 hp的电驱压裂设备（图7）。7 000 hp采用橇装结构，配套其自主研制的JR7000QP五缸柱塞泵，10 000 hp则采用“双泵+半挂车”结构。

图7 杰瑞系列电驱压裂橇组图

综上所述，目前国产电驱压裂设备的制造技术已基本成熟，产品已形成系列化：单机功率为2 500～10 000 hp，单泵功率为2 500～7 000 hp；结构形式以橇装为主，兼有车载和半挂车；电机与压裂泵的配套方案以“单机单泵”为主，只有四机和杰瑞部分产品采用“单机双泵”方案。与国外同类产品相比，国产电驱压裂设备的整体技术水平与国外相当，设备单机功率和单泵功率更大，产品类别也更丰富（表1）。

表1 国内外电驱压裂设备对比表

2 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[17]。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[18]，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。

电驱压裂设备在选用变频技术时，需充分考虑输出电压和功率引起的系统发热、功率器件对电网造成的谐波污染、间歇性作业模式和带载启动作业工况要求，以及外形尺寸和设备重量须满足系统集成和井场道路运输等多种因素的影响。目前国内厂家生产的电驱压裂设备所配套的大功率变频系统主要包括3种技术类型：低压变频技术、IGBT高压变频技术和IGCT高压变频技术。

2.1 低压变频技术

低压变频系统是指输出电压1 kV以下，电压等级主要包括230 V（208～240 V）、400 V（380～415 V）、500 V（380～500 V）和690 V（525～690 V）。电驱压裂设备的电机功率一般都在2 000 kW以上，即使采用690 V的电压，变频器输出电流也非常大，按照经验公式计算，690 V变频器的输出电流值（以A为单位）通常是其输出功率值（以kW为单位）的1.1倍，即690 V/2 000 kW变频器输出电流大约为2 200 A。大电流势必会带来电机发热、电磁干扰以及电缆尺寸和重量大、铺设困难等问题。因此，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2 200 kW，变频系统前端采用24脉移相整流变压系统，额定容量为2 500 kVA，后端驱动690 V/2 000 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/2 400 kW电机和三组690 V/1 200 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。

2.2 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、1 500 A/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。前者是通过多组低压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，目前已在宝石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。

2.3 IGCT高压变频技术

集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristor，简称IGCT）是ABB公司的专利技术，旗下ACS1000、ACS5000、ACS6000系列的大功率变频产品都是采用IGCT功率器件的三电平高压变频器，其电路拓扑结构与采用高压IGBT功率器件和中性点钳位技术的三电平高压变频技术相同。该项技术是现阶段国内电驱压裂设备中应用最多的，配套设备包括宝石3000型分体式和7000型电驱压裂橇、宏华6000型电驱压裂橇。

宏华第一代6000型电驱压裂橇采用ABB公司ACS1000系列水冷12脉变频器，输出功率为4 500 kW，额定输出电压为3.3 kV，额定电流为941 A。2017年升级后的第二代6000型电驱压裂橇改用ABB公司ACS5000系列风冷36脉变频器，输出功率不变，额定输出电压为6 kV，额定电流降为510 A。与第一代产品相比，新产品采用的变频系统虽然同样是三电平拓扑结构，但是每相采用两个单元级联方式，从而提升输出电压，降低工作电流，这有利于减少系统发热，减小电缆尺寸和重量，减轻现场工人铺设电缆的劳动强度；同时36脉整流器谐波更小，对前端电网更加友好。

宝石3000型分体式电驱压裂橇和7000型电驱压裂橇也都是采用ABB公司ACS5000系列风冷36脉变频器，输出电压分别为6.0 kV和6.6 kV。通过模块化设计，开关柜、变压器、变频器与电机、压裂泵分别独立成橇，单橇尺寸小、重量轻，运输方便；同时，配电管理和变频系统可以实现对压裂泵橇“一对多”的驱动控制。

综上所述，电驱压裂设备采用的大功率变频技术在电路拓扑结构方面将以三电平为主流技术，相对单元级联多电平拓扑结构，三电平结构允许变频器与电机之间的电缆长度更长，这样可以将集成电机的压裂泵橇和变频器分别做成独立的运输单元，有利于实现单机功率的更大化，提高设备功率密度。在功率器件选择方面，相同功率条件下，IGBT模块功耗比IGCT大、发热量更大，加之IGBT模块采用机械焊接的多层结构，在短时间间隔内承受快速变化的负载加热和冷却，会对材料和焊接点产生疲劳，容易引起模块失效，因此IGBT高压变频技术的可靠性还需进一步的试验验证。

3 现场应用分析

近年来，围绕电驱压裂设备国内曾开展过一些试验研究[15-16]，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，为此以宝石2500型电驱压裂车为试验对象开展现场应用分析。

2019年12月20日至2020年1月3日，宝石2500型电驱压裂车在四川内江的威204H42页岩气平台进行首次工业性试验（图8）。该平台属于威远构造中奥陶统顶部构造南翼，下志留统龙马溪组构造平缓，断层不发育，井深范围4 500～5 200 m，每段压裂液体规模约1 600 m3，加砂量约121 t。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3 524 min，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。

作业期间，2500型电驱压裂车的供电电源取自井场10 kV/10 000 kVA的国家电网，该供电线路除用于电驱压裂设备外，还为相邻平台的供水装置提供电源。试验过程中，当实际用电负荷超过电网额定容量时，电驱压裂车出现变频器输出电压从602 V瞬时下降至313 V的情况，由此带来压裂车输出排量从0.8 m3/min下降至0.23 m3/min（图9）。经测试，当用电负荷超过电网额定容量时，电网电压仅为4.8 kV，相对10 kV额定电压，电压波动已超过50%，超出变频器允许的±10%输入电压波动范围，此时变频器输出电压和功率均大幅下降，压裂泵排量瞬间下降了近65%。如果电网超载发生在加砂提排量阶段，容易引起砂堵等井下复杂事故。因此，井场电网容量是影响电驱压裂设备施工作业的重要因素。

图9 变频器输入电压对设备输出排量的影响图

经济效益方面，2500型电驱压裂车在64～81 MPa工作压力范围内，泵送单位体积液体的平均耗电量为19.42 kWh/m3。按照0.7元/kWh电价计算，2500型电驱压裂车泵送单位体积液体的平均电力费用约为13.6元/m3。同平台的常规柴油动力2500型压裂车，泵送单位体积液体的平均耗油量为6 L/m3，折算燃料费用约为43.5元/m3。因此在同等条件下施工，电力驱动比柴油驱动可节省燃料动力费用约68%。此外，2500型电驱压裂车省去了大功率柴油发动机、变速箱等高成本进口部件，压裂泵、电机等主要部件实现国产化，设备购置成本较同等水马力的柴油动力压裂车还可降低10%～20%，综合经济效益更加明显。

4 结论与建议

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提出意见和建议。

1）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。

2）北美电驱压裂井场大多采用燃气轮机发电，得益于低廉的天然气价格，北美电驱压裂设备的燃料成本优势更加明显。而目前我国川渝页岩气井场兼有网电和燃气发电，一方面由于将网电基建费用折算到电价里，造成用电价格较高；另一方面大部分井场的电网容量是按照钻井作业的需要来配置的，无法满足全电动压裂的供电要求，目前国内只有少数井场实现了全电动压裂，大部分还是采用油电混合作业模式，造成电驱压裂设备的作业成本优势没能得到完全发挥，因此建议页岩气平台建设规划时，能够系统考虑钻井、压裂的用电需求，为电动压裂设备大规模应用提供电力保障。

3）大功率是目前国产电驱压裂设备的努力方向，但是随着单泵功率的增大，如何保证压裂泵的可靠性、泵橇体积和重量增大造成运输困难等问题都将日益突显，因此建议将提高单机功率密度作为电驱压裂设备的发展方向。

4）目前国产电驱压裂设备以橇装结构为主，其移运的便捷性和灵活性不如车装形式，笔者介绍的2500型电驱压裂车具有电驱压裂设备的成本和环保优势，同时兼具传统柴油动力压裂车机动灵活的移运性能，适合在黄土沟壑、丘陵山地等道路条件较差的压裂井场推广应用。