閆育東,杜焰,孫建平. 長慶區域電驅壓裂裝備配套技術研究及應用[J]. 鉆采工藝, 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
閆育東(1981- ),碩士,工程師,2016 年畢業于西安石油大學石油工程專業,從事油氣田開發工程技術的研究和管理工作。
地址:(710075)陜西省西咸新區秦漢新城蘭池三路16592號
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1 中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司
2 中國石油川慶鉆探工程有限公司四川越盛能源集團有限公司
摘要 ： 在國家大力提升深層頁巖油氣資源勘探開發力度的背景下，電驅壓裂成為儲層改造業務板塊實現降本增效、節能減排的有效手段。目前電驅壓裂技術在長慶油氣產區的應用正處于起步階段，存在現場供電基礎薄弱、電網負荷率低、設備單機負載率低等問題，亟需加強裝備配套技術方面的研究。結合隴東頁巖油、致密氣壓裂現場應用情況，對比分析了電驅和柴驅設備相關經濟技術指標，提出一套適合長慶區域的電驅壓裂裝備配套技術方案。研究結果表明，需提前統籌規劃頁巖油氣平臺電網布局，建立“電網供電為主，燃氣發電為補充”的供電模式，同時優化壓裂機組配置，充分發揮電驅壓裂裝備單機功率密度大、作業效率高、購置維保成本低、節能環保等優勢，在最短的時間內泵注最多的液量，以確保電驅壓裂經濟效益最大化。該研究對于推動國內電驅壓裂裝備規?；瘧镁哂鞋F實指導意義。
關鍵詞： 長慶區域; 頁巖油; 致密氣; 電驅壓裂裝備; 電網供電; 燃氣發電; 電網容量
近年來，隨著國內大量低滲透、低豐度頁巖油氣和深層油氣資源投入的開發，油田公司生產用能需求快速上漲。隨著新增鉆井數量和壓裂規模不斷提升，傳統柴驅壓裂在燃油經濟性、環保性進口部件供應受限等方面的缺點日益凸顯。油氣田開發推廣電驅鉆井和壓裂，已經成為節能減排、降本增效、清潔生產的主要發展方向 。 電驅壓裂裝備具有零排放、低噪聲、低維護成本的特點，廣泛應用于美國大型壓裂項目。近年來，北美電驅壓裂發展迅猛，電驅壓裂隊伍約40支，總功率達200萬水馬力。哈里伯頓等油服公司主要采用拖掛車結構、功率5000馬力電驅泵，以燃氣發電壓裂模式為主，大量使用低成本井口氣，大幅降低頁巖氣開發成本，原則上不再制造和采購柴驅壓裂設備 [2] 。 2021年，中石化在涪陵、南川、永川、威榮區塊配備11套電驅壓裂機組，總功率55萬水馬力，完成壓裂121口，共3024段，施工成本較柴驅壓裂降低30%，涪陵頁巖氣平臺壓裂每日生產時效由3.5段提升至4.3段。中石油所屬鉆探企業電驅壓裂設備總功率85萬水馬力，主要分布在川渝、新疆瑪湖、甘肅隴東區域，完成壓裂4564層段 [3-4] 。
國內主流壓裂裝備制造商陸續開發了電驅壓裂裝備及配套產品，其產品規格覆蓋 2500~7000馬力，電機和變頻技術水平與國外相比基本相當，而且國內產品在購置和維保方面競爭力更強。
成套電驅壓裂裝備包括電驅壓裂撬、電驅混砂撬、電驅混配撬、電驅輸砂撬、電驅儀表撬，并配套配電設備、變頻設備、儲能單元、大功率燃氣發電機組等。電驅壓裂橇采用網電或燃氣發電機組提供動力，集成自動化集控、電機直驅、線性連續控制、數據實時采集傳輸等多種技術，可平滑、精確地調整壓裂泵排出流量 [5] 。目前國內電驅壓裂撬主要型號見表1，適用于多種類型液體的泵送作業，能適應潮濕、雨水及風沙等氣候條件，作業環境溫度-29~45 ℃，同時配備夜間照明系統，能滿足全天候工廠化壓裂需求 [6-7] 。
（１）采用電機無極變頻調速，可實現95 MPa工況下0.3~2.5 m 3 /min排量全覆蓋?！?/span> （２）功率密度是常規壓裂的2~3倍，更有利于小尺寸井場的安全布局。 （３）作業時效高，無需等停加油； 無變速箱大件，僅有較少易損件，操作簡單，維保方便，更適用于頁巖油氣井高壓力、大排量、長時間連續壓裂的工況。 （４）節能環保，能耗降低20%以上；CO 2 排放趨于零；噪聲低至85 dB以下?！?/span> （５）經濟性好，采購價格更低，維保費用降低10%；作業人員減少20% [8] 。
為加快推進成套電驅壓裂裝備的規?；瘧?，實現降本增效、綠色清潔生產，從兩方面開展電驅壓裂裝備配套技術優化研究： 一是供電技術方案優化，按照井場作業條件和施工需求統籌規劃，選擇最優供電方式，保障成套電驅壓裂機組實現規?；?、效益化的經營； 二是設備配套技術優化，規范井場布局，提高設備利用率，保證電驅壓裂機組安全高效地運行。
電驅壓裂項目的虧盈關鍵是國家電網電費系統計價的高低，電費系統計價受電網架設成本、變電站部署、電路容量規劃等因素影響 [9] 。頁巖油氣平臺實施電驅壓裂，首先考察離井場最近的35 kV輸電線位置，遵循最小距離原則，確定好主線路上的分支節點位置，向國家電網申請從35 kV輸電線劃撥10000~25000 kVA容量，預算輸電線路投資。規劃電網時盡可能縮短配電站與井場之間的距離，增加輸電線路線徑，以減少在輸電線路上的電能損耗及電壓壓降。同時增加無功補償設備，提高電網供電效率。根據電網申請容量和峰值功率，合理設置變壓器保護定值參數，確保供電系統安全穩定運行。
表 1 國內主要電驅壓裂撬參數一覽表
井場周邊無任何電網分布，平臺短時間內負載大、耗電量大、施工周期短、氣源供應充足，則可采用管道氣、井口氣、CNG、LNG 等供氣方式，利用燃氣發電為電驅壓裂設備提供電力。 與傳統的柴油發電機組相比，燃氣輪機發電機組具有體積小、重量輕、單機功率大、污染小、智能化程度高等優點，讓電驅設備徹底擺脫井場電網的局限性。 平臺燃氣發電區由氣化撬、緩沖罐撬、燃氣輪機發電機組(含啟動單元、并機 柜撬)、配電撬、變電撬構成，見圖1。
表 2 氣代油燃料成本測算
根據長慶區域大型油氣井平臺壓裂規模、作業周期、 網電資源、天然氣資源、裝備能力等實際情況，分不同施工區域對供電技術方案進行優化 [10-12] ，參數見表3。 表3 長慶區域頁巖油氣全電驅壓裂供電方案
電驅在設備性能、環保性、動力經濟性方面均優于傳統柴驅，同時省去了進口柴油發動機、變速箱等高成本配件維保費用，購置成本大幅降低20%，降本增效明顯 [13-14] 。 以隴東頁巖油和致密氣區域為例，對動力費用經濟性進行對比，見表4~表6。 表 4 傳統柴油機驅動動力費用
動力費用經濟性對比
動力費用經濟性對比
長 慶區域因黃土高原特性，溝壑縱橫，井場狹小，大型油氣井平臺施工規模較大，傳統柴驅壓裂模式存在設備擺放困難、管線連接復雜、無法預留安全通道等難點。 在壓裂前期或壓力異常時所需壓裂功率高，而正常泵注階段所需功率僅為其總功率的50%左右，大量功率富余浪費，柴驅設備配置數量過多，多機低負載燃油消耗使得經濟性較差。 因此根據長慶區域施工特點，經科學統籌，合理優化，形成兩種大型油氣井平臺電驅壓裂設備配套技術方案，并對部分電驅設備進行了升級改造，以保障電驅壓裂作業高效、經濟運行。
在接立柱、起鉆過程中，時常出現卸扣時鉆井液散落鉆臺面的情況，為在施工井場周邊有成熟電網分布，且電網容量富余，線路架設成本在預算內。 氣源供應充足，燃氣發電經濟效益較好，即可組織實施全電驅壓裂。 式中： N—壓裂撬數量，臺，取整值； Q—設計排量，m 3 /min； q—單機配置排量，m 3 / min。 電 驅壓裂撬單機配置排量需充分考慮突發異常情況下提檔時補充排量的承載能力，且柱塞運行沖次在合理范圍內，兼顧功率輸出與設備穩定性。 隴東頁巖油區域在最高限壓55 MPa、設計排量14 m 3 /min的工況下，3000型可平穩輸出排量1.5 m 3 /min，需配置10臺； 5000 型可平穩輸出排量2.2 m 3 /min，需配置7臺。 致密氣區域在最高限壓70 MPa、設計排量10 m 3 /min的工況條件下，5000型/ 6000型可平穩輸出排量1.8 m 3 /min，需配置6臺，其中包括，1~2臺用于泵送橋塞，完成泵送后，低排量下作為備用，高排量下可參與泵注。 電驅壓裂撬及相關設備設施最優配置方案見表7。
長慶部分地區電網容量有限，不能滿足全電驅壓裂用電需求，則可選用柴電混驅作業模式。該模式首先考慮停電狀態下柴驅能快速及時將井筒內攜砂液安全頂替，有效避免井筒質量問題。根據實際申請電網容量，通過柴電搭配（電驅優先、柴驅補充），充分發揮柴驅高負載時的功率補充削峰作用，電驅低負載時效率高的優勢，削峰填谷，優勢互補，以提高電網負荷率，降低綜合能耗。
2.2.3 主要設備升級改造
為適應長慶頁巖油、致密氣施工區域作業模式，提高設備綜合利用率，對電驅壓裂撬、電驅混砂撬、電驅儀表撬等設備進行了升級改造。
對電驅壓裂撬吸入環形上水室和排出系統進行了改造，使用雙吸入抗干擾流板和雙排出系統，在滿足大排量需求的同時，可有效增加柱塞泵液力端和易損件的使用壽命，防止液力端上水室沉砂。 現場電驅混砂撬輸砂絞龍與立式連續輸砂裝置不匹配，加裝?203.2 mm上水和排出管匯，并改造上水蝶閥，使之符合長慶區域管線連接特點； 同時加裝吹掃系統，以滿足冬季施工檢修泵、管線吹掃需求。 將電驅和柴驅設備控制單元集中整合到一個泵控系統上，方便設備操作與監控； 同時加裝操作室監控攝像頭，以提高作業安全。
2022年，長慶區域共配備5套電驅壓裂機組，總功率21.4萬水馬力，完成壓裂81口，共1582段，其中全電驅壓裂1044段，混驅壓裂538段，平均單位泵注用電量13.6 (kW·h)/m 3 ，平均日作業效率7.8段，燃料成本大幅降低，施工時效顯著提升，取得了良好的應用效果。 頁巖油華HXX平臺供電方： 采用國家電網35 kV專線供電，容量12 500 kVA，全長3.3 km LGJ 120/25型鋼芯鋁絞線路架空輸電，場內35 kV/10 kV簡易變電站連接4臺變頻器供電。 設備配套：橋射聯作體積壓裂，排量8~14 m 3 /min，工作壓力25~45 MPa。采用130桶電驅混砂撬和100桶柴驅混砂車同時供液，5臺5000型電驅撬提供10 m 3 /min排量，3臺2500型柴驅撬提供2~4 m 3 /min排量，高負載時起到削峰作用，停電時保障井筒安全，1臺5000 型電驅撬泵送橋塞，在設計排量為14 m 3 /min時參與泵注。 應用效果：現場3臺2500型柴驅撬補充高壓力時所需的功率，正常泵注階段設計排量低于12 m 3 /min時，單臺電驅撬排量提至2.0~2.5 m 3 /min之間運行實現全電驅施工。該模式完成壓裂7口井共計156段，耗電170×10 4 kW·h，泵注液量14. 8×10 4 m3 ，每日施工時效5~6段。
致密氣靖XX平臺供電方案:采用LNG氣源直達現場，4臺5800 kW燃氣輪機發電機組并網發電,總輸出功率23200 kW，功率因數0.97，相當于一座中小型發電站的發電量。設備配套:橋射聯作體積壓裂，排量8~10 m 3 /min,工作壓力45~65 MPa。采用130桶電驅混砂撬供液，6臺5000型電驅壓裂撬提供10 m 3 /min排量。 應用效果:目前國內最大的規模燃氣輪機發電全電驅壓裂平臺，完成壓裂12口井，共計141段，耗電95.89×10 4 kW·h ，泵注液量5.11×10 4 m 3 ,每日施工時效8段。
（1）“電代油、氣代油”電驅壓裂較柴驅壓裂在施工時效、泵液效率、加砂效率等指標上有較大提升，節能減排效果明顯，綜合成本大幅下降，經濟社會效益顯著。 （2）對于施工壓力較低的油氣儲層，電驅壓裂設備選型時可通過加大壓裂撬柱塞直徑或降低單機功率的方式，進一步提高設備單機負載率，充分發揮設備效能。 （3）在網電資源豐富的地區，根據產建總體部署提前規劃電網架設，中心區域建設大容量變電站，向周圍4~5個平臺輸電，實施全電驅鉆井和壓裂作業，供電半徑5~10 km，可實現網電資源利用最大化。 （4）在產氣區域，適時開展井口氣燃氣發電電驅壓裂或天然氣直驅燃氣渦輪機組壓裂，可減少燃氣儲運環節，提升“氣代油”占比，燃料成本優勢將更加明顯。
川慶鉆探四川越盛能源集團有限公司重大工程技術現場試驗項目“長慶區域頁巖油電驅壓裂裝備技術配套與現場應用研究”(編號: YSKY202106003)。
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