电驱压裂装备整体供电技术方案分析及应用*

刘文宝,姚 孔,王元忠

(1.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，甘肃 兰州 730714； 2.兰州兰石石油装备工程股份有限公司，甘肃 兰州 730314；3.机械工业油气钻井装备工程技术研究中心，甘肃 兰州 730314； 4.甘肃省油气钻采装备工程研究中心，甘肃 兰州 730314)

0 引 言

压裂技术是油气储层改造及油气产量增储的核心关键技术。压裂作业是压裂装备以成套编组的方式完成压裂施工工艺流程，实现油气增储，其装备主要包括压裂装备、混砂装备、仪表装备、管汇装备及施工作业配套添加剂罐装置、运砂装置等[1]。传统压裂装备主要以柴油发动机连接液力变矩器驱动泵送装置，或柴油发动机驱动液压系统，通过流体传动直接驱动泵送装置及机械执行功能单元。其驱动形式表现为：传动链较长，传动效率低，排放高，噪声大，控制系统复杂，设备作业质量不高。为实现油气绿色、高效开采，电驱压裂装备作为绿色、清洁、高效的油气开采装备，将逐步登上油气压裂作业的舞台。电驱动压裂装备，主要通过变频电机直接驱动泵送装置及机械执行功能单元，完成压裂液体的高质量混配及泵送，传动效率高，排放低，噪声低，控制简单精度高，作业可靠性高。

电驱压裂装备的核心动力为电力，整体供电技术将成为保障电驱压裂装备作业成功的核心关键技术。本文旨在研究大型页岩气开采压裂作业中成套电驱压裂装备的整体供电技术方案，结合大型页岩气压裂作业模式及装备能力需求，建立燃气涡轮发电机组供电技术方案及高压电网供电技术方案，对传统压裂装备、燃气涡轮发电机组供电及网电供电作业方案进行经济性比较，供客户按照实际作业环境条件和需求进行选择，其目的是保障大型电驱压裂装备作业的动力供应需求，为尽快实现电驱压裂成套装备的工业化应用，提高压裂作业效率，实现绿色生产提供技术保障。

1 装备动力需求

大型页岩气开采同步压裂设计所需装备水马力约为20 000 HHP，装备配置时，一般为装备输出水马力的60%，因此压裂装备输出水马力需配置在33 000 HHP。3 000 HP的电驱压裂装置输入功率为3 000 HP，因功率损失，输出水马力为2 800 HHP。确定电驱成套压裂装备的动力需求配置形式如表1所列。

表1 电驱成套压裂装备的动力需求配置形式

根据大型同步页岩气压裂作业动力需求配置形式，满足页岩气开采的电驱压裂装置与混砂装置总的输入功率为38 000 HP，加上其他辅助装置配置动力需求约为500 HP，供电技术需提供的动力约为38 500 HP。

2 供电技术方案

2.1 燃气涡轮发电机组供电

航改燃气轮机是将正常退役(达到飞行小时)飞机发动机改造，用于工业发电、供热等场所。外形体积较小，是目前较为流行的分布式能源提供替代方案。目前美国USWS公司、加拿大EWS公司已使用航改燃气轮机发电机组已为电驱压裂作业装备进行供电，每台燃气涡发机组可提供5.7 MW的电力供给。发电机组通过燃烧天然气进行发电，可使用CNG、LNG以及管道天然气等多种方式进行供气。典型的航改燃气轮机应用如图1所示。

图1 典型航改燃气轮机应用

(1) 燃气涡轮发电机组供电方案

此方案选择华电通用的LM2500+G4航改燃气轮机发电机组为页岩气开采压裂需求输入动力38 500 HP的电驱成套压裂装备进行供电。LM2500+G4航改燃气轮机发电机组是在GE TM2500+燃气涡轮发电机组基础之上完成改造升级，其性能参数如表2所列。

表2 LM2500+G4航改燃气轮机发电机组性能参数

性能参数基于环境温度15 ℃，相对湿度60%，天然气饱和低热值LHV(35.8 MJ/Nm3)，无进/排气压力损失下测定。

LM2500+G4航改燃气轮机发电机组的输出功率31.9 WM可满足电驱压裂装备需求输入动力38 500 HP(28.68 MW)。

(2) 作业设备空间布局

根据中国石油天然气集团公司企业标准Q/SY 1853-2015《页岩气井压裂施工规范》中4.1要求：同步式压裂作业对场地要求最小可使用尺寸为120 m×80 m。作业装备包括：3000 HP电驱压裂装置12台，130桶电驱混砂装置2台，仪表控制装置1台，高低压管汇1套以及其他辅助设备。燃气涡轮发电机组供电井场空间布局平面图如图2所示。

图2 燃气涡轮发电机组供电井场空间布局平面图

(3) 作业成本计算

选择二类天然气作为燃料，发热量为31.4 MJ/m3(参见标准GB17820-2012《天然气》)。38 500 HP电驱压裂装备年累计作业时间按照1 000 h计算，天然气总消耗量：

V=(P×0.745×Hr×Th)÷CV=8 907 103 (m3)

(1)

式中：V为天然气消耗量；P为电驱成套压裂装备输入功率38 500 HP；Hr为热耗值9 751 kJ/kWh；Th为年累计作业时间1000h；CV为天然气发热量31.4 MJ/m3。

根据兰州市政府办公厅印发的《关于调整我市非居民天然气价格的通知》，上游供气企业供车用压缩天然气(CNG)用气销售价格现为：2.15元/m3。作业需求费用：

C=V×Pr=19 150 271.45 (元)

(2)

式中：C为年作业需求费用；Pr为天然气销售价格2.152.15元/m3。

2.2 高压电网供电

页岩气电驱压裂作业也可根据作业地点向当地国家电网申请临时用电，若电驱压裂作业用电超过3个月，则无法申请临时用电，需申请新建配电站。申请临时或新建配电站需统计设备用电功率，并提供用电位置，在当地国家电网填写申请表并提供相关信息。电力部门在收到申请后对申请用电项目进行现场勘查，通常会在7各工作日内提供回复意见。电力部门对用电现场勘查后，如果用电现场附近有适合的电力线路，则由电力部门提出实施方案；若没有适合的电力线路，则无法使用网电供电。

(1) 网电供电方案

对于使用网电进行供电的电驱压裂井场，依据井场附近网电线路情况，只需要在井场角落放置10kV进线柜，配置变压器，从变压器到各压裂泵的进出线柜的走线可根据电力施工要求进行空中布线或埋地方式进行连接。如果压裂作业时间超过3个月或在施工区域有多个井场分布，可在多个井场中间位置建设一高负荷变电站，实现对多个井场的电力供应。

(2) 作业设备空间布局

电网供电依据页岩气同步压裂作业模式，作业设备井场空间布局平面图如图3所示。

(3) 作业成本计算

依据甘肃省发展和改革委员会印发并于2014年4月1日起执行的《甘肃省电网销售电价说明》，电驱压裂作业用电可归于大工业用电。以1～10 kV电压等级高峰时段电价0.678元/kWh进行计算：

C=P×0.745×1 000×NP=19 446 735 (元)

(3)

式中：C为电力成本；NP为工业用电单位价格。

3 经济性评价

为突出电驱压裂装备不仅在性能及作业环保性方面优于传统压裂装备，同时在作业经济性方面也极优于传统压裂装备，此处对常规柴油机驱动压裂装备的燃料费用进行核算。按2020年3月份甘肃柴油价格进行计算，0#柴油价格为：5.85元/L。

常规3000 HP压裂车配置MTU16V4000S83L柴油发动机，单位时间柴油消耗0.22 kg/kWh。计算完成1 000 h同步压裂作业总燃油消耗：

FC=P×0.745×OI×TH=6 310 150 (L)

(4)

完成1 000 h 20 000水马力压裂作业燃油消耗成本：

C=FC×OP=36 914 377.5 (元)

(5)

公式(4)、(5)中:FC为燃油总消耗；OI为单位时间柴油消耗；C为燃油消耗成本；OP为0#柴油价格。

对常规压裂装备方案、燃气涡轮发电机组供电方案及网电供电方案按照工作水马力20 000 HHP，工作时间1 000 h，对作业经济性进行比较，对比结果如表3所示。

表3 常规压裂装备方案、燃气涡轮发电机组供电方案及网电供电方案作业经济性对比

需要注意的是，燃气涡轮发电机组采购成本费用巨大，华电通用的LM2500+G4机组采购安装成本超过1亿元，目前以租赁形式使用。综合比较，柴油及CNG价格会由发改委根据整体油价每年进行若干次调整，整体费用应是：电网供电小于燃气涡轮发电机组小于柴油发动机。

4 结 语

本文依据页岩气同步压裂作业特点及装备输出水功率需求，按照电驱压裂装备输出20 000 HHP，作业时间1 000 h作业规模，建立燃气涡轮发电机组供电与高压网电供电两种技术方案，结合传统压裂作业成本，对作业经济性进行比较。结果表明，依据井场实际作业条件，电网供电技术方案作业经济性更优。供电技术方案的研究为电驱压裂装备的市场推广、工业化应用具有重要实际意义，符合国家油气田绿色开采发展趋势。