闫育东,杜焰,孙建平. 长庆区域电驱压裂装备配套技术研究及应用[J]. 钻采工艺, 2023,46(1):57-63
YAN Yudong, DU Yan, SUN Jianping. Research and Application of Electric-Powered Fracturing Equipment Supporting Technology in Changqing Area [J]. Drilling and Production Technology, 2023, 46(1): 57- 63
闫育东(1981- ),硕士,工程师,2016 年毕业于西安石油大学石油工程专业,从事油气田开发工程技术的研究和管理工作。
地址:(710075)陕西省西咸新区秦汉新城兰池三路16592号
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1 中国石油川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司
2 中国石油川庆钻探工程有限公司四川越盛能源集团有限公司
摘要 ： 在国家大力提升深层页岩油气资源勘探开发力度的背景下，电驱压裂成为储层改造业务板块实现降本增效、节能减排的有效手段。目前电驱压裂技术在长庆油气产区的应用正处于起步阶段，存在现场供电基础薄弱、电网负荷率低、设备单机负载率低等问题，亟需加强装备配套技术方面的研究。结合陇东页岩油、致密气压裂现场应用情况，对比分析了电驱和柴驱设备相关经济技术指标，提出一套适合长庆区域的电驱压裂装备配套技术方案。研究结果表明，需提前统筹规划页岩油气平台电网布局，建立“电网供电为主，燃气发电为补充”的供电模式，同时优化压裂机组配置，充分发挥电驱压裂装备单机功率密度大、作业效率高、购置维保成本低、节能环保等优势，在最短的时间内泵注最多的液量，以确保电驱压裂经济效益最大化。该研究对于推动国内电驱压裂装备规模化应用具有现实指导意义。
关键词： 长庆区域; 页岩油; 致密气; 电驱压裂装备; 电网供电; 燃气发电; 电网容量
近年来，随着国内大量低渗透、低丰度页岩油气和深层油气资源投入的开发，油田公司生产用能需求快速上涨。随着新增钻井数量和压裂规模不断提升，传统柴驱压裂在燃油经济性、环保性进口部件供应受限等方面的缺点日益凸显。油气田开发推广电驱钻井和压裂，已经成为节能减排、降本增效、清洁生产的主要发展方向 。 电驱压裂装备具有零排放、低噪声、低维护成本的特点，广泛应用于美国大型压裂项目。近年来，北美电驱压裂发展迅猛，电驱压裂队伍约40支，总功率达200万水马力。哈里伯顿等油服公司主要采用拖挂车结构、功率5000马力电驱泵，以燃气发电压裂模式为主，大量使用低成本井口气，大幅降低页岩气开发成本，原则上不再制造和采购柴驱压裂设备 [2] 。 2021年，中石化在涪陵、南川、永川、威荣区块配备11套电驱压裂机组，总功率55万水马力，完成压裂121口，共3024段，施工成本较柴驱压裂降低30%，涪陵页岩气平台压裂每日生产时效由3.5段提升至4.3段。中石油所属钻探企业电驱压裂设备总功率85万水马力，主要分布在川渝、新疆玛湖、甘肃陇东区域，完成压裂4564层段 [3-4] 。
国内主流压裂装备制造商陆续开发了电驱压裂装备及配套产品，其产品规格覆盖 2500~7000马力，电机和变频技术水平与国外相比基本相当，而且国内产品在购置和维保方面竞争力更强。
成套电驱压裂装备包括电驱压裂撬、电驱混砂撬、电驱混配撬、电驱输砂撬、电驱仪表撬，并配套配电设备、变频设备、储能单元、大功率燃气发电机组等。电驱压裂橇采用网电或燃气发电机组提供动力，集成自动化集控、电机直驱、线性连续控制、数据实时采集传输等多种技术，可平滑、精确地调整压裂泵排出流量 [5] 。目前国内电驱压裂撬主要型号见表1，适用于多种类型液体的泵送作业，能适应潮湿、雨水及风沙等气候条件，作业环境温度-29~45 ℃，同时配备夜间照明系统，能满足全天候工厂化压裂需求 [6-7] 。
（１）采用电机无极变频调速，可实现95 MPa工况下0.3~2.5 m 3 /min排量全覆盖。 （２）功率密度是常规压裂的2~3倍，更有利于小尺寸井场的安全布局。 （３）作业时效高，无需等停加油； 无变速箱大件，仅有较少易损件，操作简单，维保方便，更适用于页岩油气井高压力、大排量、长时间连续压裂的工况。 （４）节能环保，能耗降低20%以上；CO 2 排放趋于零；噪声低至85 dB以下。 （５）经济性好，采购价格更低，维保费用降低10%；作业人员减少20% [8] 。
为加快推进成套电驱压裂装备的规模化应用，实现降本增效、绿色清洁生产，从两方面开展电驱压裂装备配套技术优化研究： 一是供电技术方案优化，按照井场作业条件和施工需求统筹规划，选择最优供电方式，保障成套电驱压裂机组实现规模化、效益化的经营； 二是设备配套技术优化，规范井场布局，提高设备利用率，保证电驱压裂机组安全高效地运行。
电驱压裂项目的亏盈关键是国家电网电费系统计价的高低，电费系统计价受电网架设成本、变电站部署、电路容量规划等因素影响 [9] 。页岩油气平台实施电驱压裂，首先考察离井场最近的35 kV输电线位置，遵循最小距离原则，确定好主线路上的分支节点位置，向国家电网申请从35 kV输电线划拨10000~25000 kVA容量，预算输电线路投资。规划电网时尽可能缩短配电站与井场之间的距离，增加输电线路线径，以减少在输电线路上的电能损耗及电压压降。同时增加无功补偿设备，提高电网供电效率。根据电网申请容量和峰值功率，合理设置变压器保护定值参数，确保供电系统安全稳定运行。
表 1 国内主要电驱压裂撬参数一览表
井场周边无任何电网分布，平台短时间内负载大、耗电量大、施工周期短、气源供应充足，则可采用管道气、井口气、CNG、LNG 等供气方式，利用燃气发电为电驱压裂设备提供电力。 与传统的柴油发电机组相比，燃气轮机发电机组具有体积小、重量轻、单机功率大、污染小、智能化程度高等优点，让电驱设备彻底摆脱井场电网的局限性。 平台燃气发电区由气化撬、缓冲罐撬、燃气轮机发电机组(含启动单元、并机 柜撬)、配电撬、变电撬构成，见图1。
表 2 气代油燃料成本测算
根据长庆区域大型油气井平台压裂规模、作业周期、 网电资源、天然气资源、装备能力等实际情况，分不同施工区域对供电技术方案进行优化 [10-12] ，参数见表3。 表3 长庆区域页岩油气全电驱压裂供电方案
电驱在设备性能、环保性、动力经济性方面均优于传统柴驱，同时省去了进口柴油发动机、变速箱等高成本配件维保费用，购置成本大幅降低20%，降本增效明显 [13-14] 。 以陇东页岩油和致密气区域为例，对动力费用经济性进行对比，见表4~表6。 表 4 传统柴油机驱动动力费用
动力费用经济性对比
动力费用经济性对比
长 庆区域因黄土高原特性，沟壑纵横，井场狭小，大型油气井平台施工规模较大，传统柴驱压裂模式存在设备摆放困难、管线连接复杂、无法预留安全通道等难点。 在压裂前期或压力异常时所需压裂功率高，而正常泵注阶段所需功率仅为其总功率的50%左右，大量功率富余浪费，柴驱设备配置数量过多，多机低负载燃油消耗使得经济性较差。 因此根据长庆区域施工特点，经科学统筹，合理优化，形成两种大型油气井平台电驱压裂设备配套技术方案，并对部分电驱设备进行了升级改造，以保障电驱压裂作业高效、经济运行。
在接立柱、起钻过程中，时常出现卸扣时钻井液散落钻台面的情况，为在施工井场周边有成熟电网分布，且电网容量富余，线路架设成本在预算内。 气源供应充足，燃气发电经济效益较好，即可组织实施全电驱压裂。 式中： N—压裂撬数量，台，取整值； Q—设计排量，m 3 /min； q—单机配置排量，m 3 / min。 电 驱压裂撬单机配置排量需充分考虑突发异常情况下提档时补充排量的承载能力，且柱塞运行冲次在合理范围内，兼顾功率输出与设备稳定性。 陇东页岩油区域在最高限压55 MPa、设计排量14 m 3 /min的工况下，3000型可平稳输出排量1.5 m 3 /min，需配置10台； 5000 型可平稳输出排量2.2 m 3 /min，需配置7台。 致密气区域在最高限压70 MPa、设计排量10 m 3 /min的工况条件下，5000型/ 6000型可平稳输出排量1.8 m 3 /min，需配置6台，其中包括，1~2台用于泵送桥塞，完成泵送后，低排量下作为备用，高排量下可参与泵注。 电驱压裂撬及相关设备设施最优配置方案见表7。
长庆部分地区电网容量有限，不能满足全电驱压裂用电需求，则可选用柴电混驱作业模式。该模式首先考虑停电状态下柴驱能快速及时将井筒内携砂液安全顶替，有效避免井筒质量问题。根据实际申请电网容量，通过柴电搭配（电驱优先、柴驱补充），充分发挥柴驱高负载时的功率补充削峰作用，电驱低负载时效率高的优势，削峰填谷，优势互补，以提高电网负荷率，降低综合能耗。
2.2.3 主要设备升级改造
为适应长庆页岩油、致密气施工区域作业模式，提高设备综合利用率，对电驱压裂撬、电驱混砂撬、电驱仪表撬等设备进行了升级改造。
对电驱压裂撬吸入环形上水室和排出系统进行了改造，使用双吸入抗干扰流板和双排出系统，在满足大排量需求的同时，可有效增加柱塞泵液力端和易损件的使用寿命，防止液力端上水室沉砂。 现场电驱混砂撬输砂绞龙与立式连续输砂装置不匹配，加装Ø203.2 mm上水和排出管汇，并改造上水蝶阀，使之符合长庆区域管线连接特点； 同时加装吹扫系统，以满足冬季施工检修泵、管线吹扫需求。 将电驱和柴驱设备控制单元集中整合到一个泵控系统上，方便设备操作与监控； 同时加装操作室监控摄像头，以提高作业安全。
2022年，长庆区域共配备5套电驱压裂机组，总功率21.4万水马力，完成压裂81口，共1582段，其中全电驱压裂1044段，混驱压裂538段，平均单位泵注用电量13.6 (kW·h)/m 3 ，平均日作业效率7.8段，燃料成本大幅降低，施工时效显著提升，取得了良好的应用效果。 页岩油华HXX平台供电方： 采用国家电网35 kV专线供电，容量12 500 kVA，全长3.3 km LGJ 120/25型钢芯铝绞线路架空输电，场内35 kV/10 kV简易变电站连接4台变频器供电。 设备配套：桥射联作体积压裂，排量8~14 m 3 /min，工作压力25~45 MPa。采用130桶电驱混砂撬和100桶柴驱混砂车同时供液，5台5000型电驱撬提供10 m 3 /min排量，3台2500型柴驱撬提供2~4 m 3 /min排量，高负载时起到削峰作用，停电时保障井筒安全，1台5000 型电驱撬泵送桥塞，在设计排量为14 m 3 /min时参与泵注。 应用效果：现场3台2500型柴驱撬补充高压力时所需的功率，正常泵注阶段设计排量低于12 m 3 /min时，单台电驱撬排量提至2.0~2.5 m 3 /min之间运行实现全电驱施工。该模式完成压裂7口井共计156段，耗电170×10 4 kW·h，泵注液量14. 8×10 4 m3 ，每日施工时效5~6段。
致密气靖XX平台供电方案:采用LNG气源直达现场，4台5800 kW燃气轮机发电机组并网发电,总输出功率23200 kW，功率因数0.97，相当于一座中小型发电站的发电量。设备配套:桥射联作体积压裂，排量8~10 m 3 /min,工作压力45~65 MPa。采用130桶电驱混砂撬供液，6台5000型电驱压裂撬提供10 m 3 /min排量。 应用效果:目前国内最大的规模燃气轮机发电全电驱压裂平台，完成压裂12口井，共计141段，耗电95.89×10 4 kW·h ，泵注液量5.11×10 4 m 3 ,每日施工时效8段。
（1）“电代油、气代油”电驱压裂较柴驱压裂在施工时效、泵液效率、加砂效率等指标上有较大提升，节能减排效果明显，综合成本大幅下降，经济社会效益显著。 （2）对于施工压力较低的油气储层，电驱压裂设备选型时可通过加大压裂撬柱塞直径或降低单机功率的方式，进一步提高设备单机负载率，充分发挥设备效能。 （3）在网电资源丰富的地区，根据产建总体部署提前规划电网架设，中心区域建设大容量变电站，向周围4~5个平台输电，实施全电驱钻井和压裂作业，供电半径5~10 km，可实现网电资源利用最大化。 （4）在产气区域，适时开展井口气燃气发电电驱压裂或天然气直驱燃气涡轮机组压裂，可减少燃气储运环节，提升“气代油”占比，燃料成本优势将更加明显。
川庆钻探四川越盛能源集团有限公司重大工程技术现场试验项目“长庆区域页岩油电驱压裂装备技术配套与现场应用研究”(编号: YSKY202106003)。
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