电驱压裂泵在页岩气开发中的优势分析

林 蕾

（中国石油集团长城钻探工程有限公司压裂公司，辽宁盘锦 124000）

0 引言

压裂、酸化作业是国内油气田增储稳产的一项重要措施。近年来，随着我国页岩气开发的不断加快，压裂工艺正向着高水平、大排量、大砂量、高砂比和深井方向发展，国内压裂装备制造企业正在积极研发新的工艺技术以适应页岩气勘探开发的实际需求，也促进了压裂装备向高压力、大排量、高可靠性、节能环保方向不断迈进。同时，各装备制造企业也在努力提高装备的国产化程度，逐渐摆脱对国外进口部件的依赖，实现压裂装备的纯国产化。

1 压裂装备简述

1.1 传统压裂装备

目前传统压裂装备主要是燃油型，常见的有车载机械式压裂装备、涡轮驱动压裂装备、液压驱动压裂装备、撬装压裂装备等类型。

（1）车载机械式压裂装备。采用传统的车载结构，在重型底盘上安装台上设备，如发动机、传动箱和压裂泵等。车载式压裂装备具有运移方便、机动性强、调配响应迅速、施工过程中减振效果好、现场适用性强等优点。缺点是油耗高、噪声大，长时间作业期间，汽车底盘利用率不高；超限车辆存在上户难、上路难问题；整车需要年审，底盘需要定期保养。

（2）涡轮驱动压裂装备。工作原理是涡轮发动机带一个减速箱，通过传动轴驱动压裂泵工作。涡轮驱动压裂设备具有体积小、质量轻、单位质量输出功率大的优点，但涡轮发动机热效率低、调速范围小、噪声大，而且购置成本、运行成本、维护成本较高。

（3）液压驱动压裂装备。通过多台小型通用化发动机提供动力，多级液压泵、液马达驱动压裂柱塞泵做往复运动，从而实现液体的吸入和排出。液压传动可以实现无极调速，消除换挡冲击，而且整机大部分元部件已实现国产化。但液压系统装配过程复杂，检维修较为困难，液压控制元件的响应速度不及电气控制的响应速度，而且整车属于超限运输车，存在上户难、上路难等问题。

（4）撬装压裂装备。与传统的车载式压裂装备相比，撬装结构方便运输，节省了底盘车的采购成本，不存在上公告、上户等问题。但是，现用的传统撬装压裂装备仍采用发动机、传动箱与柱塞泵的组合模式，体积较大，现场组装过程繁琐，而且对井场地面要求较高，同时也存在油耗高、噪声大的缺点。

1.2 电驱压裂装备

1.2.1 电驱压裂工作原理

电驱压裂泵是将传统的柴油发动机驱动变成电机直接驱动，由变频器控制异步电机驱动压裂柱塞泵（图1）。电驱压裂主要由供电系统、变配电系统、变频压裂系统、智能控制系统、压裂配套系统等构成。根据页岩气片区的特点，供电方式一般采用“10 kV 或者35 kV 工业电网+燃气轮机发电”结合方式，当电网不足时，使用燃气电站发电作为能源补充；变配电系统为压裂前端电源配电装置，提供系统所需的10 kV（高电压、低电流）和400 V（低电压、高电流）电源；变频驱动系统是变频房（VFD）从变配电房（PCR）接入10 kV 电源，中压变频器通过直接转矩控制（DTC）驱动电机实现对压裂柱塞泵的控制。

图1 电驱压裂泵在页岩气开发中的现场应用

1.2.2 电驱压裂泵的研发应用

2018 年年初江汉四机厂研发的4500HP 电驱动压裂泵在涪陵页岩气田成功完成开采压裂施工；同年7 月，其5500HP、国内首套完全国产化的六相变频电驱动压裂泵系统成功下线；2019年宏华集团公司研发的6000HP 电动压裂系统最大单机功率为6000 马力，是首个应用变频电机驱动的压裂泵，并实现了中压变频技术在油气压裂行业的首次应用；2019 年烟台杰瑞公司自主研发制造的7000HP 电驱压裂泵撬系统成功下线，并顺利通过测试。

2 电驱型与燃油型压裂泵对比分析

2.1 性能对比

如图2 所示，燃油型压裂泵发动机有怠速，变速箱换档有跳变，柱塞泵输出排量不连续；电驱型压裂泵由于采用变频控制技术，调速范围更宽，而且可以实现平滑无极调速，整机运行更平稳。

2.2 功率对比

燃油型压裂泵单机功率小，一般不超过3000 马力，电驱型压裂泵单机功率大，可以配备5000 马力或者6000 马力的柱塞泵。同样水功率储备的压裂井场，电驱型压裂泵在设备数量、操作人员、工作量、占地面积上比燃油型压裂泵要减少1/2。

2.3 噪声对比

燃油型压裂泵柴油机有废气排放，噪声约为115 dB，影响周围居民的生活起居，也制约了页岩气开采的夜间施工；电驱型压裂泵无废气排放，通过静音风扇加变频控制，噪声不到85 dB，压裂施工现场变得静悄悄，延长日均泵注时间，也能实现夜间施工，大大提高生产效率。

2.4 经济对比

传统燃油型发动机、变速箱均采用进口，采购成本较高；发动机、变速箱维护周期短，维保费用高；燃油管理、运输等各种附加的成本导致使用成本较高。

电驱型压裂泵所用的电机、变频器均来自国产，采购成本较低；电机检修周期4 万小时以上，轴承每半年检查润滑脂，变频器只需要定期检查通风网滤，整机维保费用低；能源消耗上，同样的功率，电费便宜，电费成本是燃油的1/2。此外，由于单机功率的提升，按照同样的输出水马力计算，井场可使用更少的设备实现更好的作业效果，装备购置费用大幅降低。同时，电驱型压裂装备配有更智能的集成控制系统，作业人数的减少也使人员成本大幅降低。

综合以上分析，电驱型压裂泵功率密度高、体积小、模块化、成本低、占地面积小、就地供电、可减少环境污染，是对目前传统页岩气压裂方案的一次装备技术突破。

图2 传统压裂与电驱动压裂的对比

3 小结

通过对比分析，电驱型压裂泵相比传统燃油型压裂泵具有如下优势：①单机功率大、排量大，1 台5000 马力电动压裂泵可替代2 台常规2500 马力压裂车；②占地面积减少50%～65%，能耗费用比常规压裂泵节约40%～50%，综合开发成本降低20%以上；③电机直驱传动，噪声小、清洁无污染，而且省去了常规压裂车的柴油机、变速箱和底盘车的维护保养工作，操作人员减少一半；④交流变频控制，控制精准、响应快、调速范围宽，流量压力无级调节；⑤采用撬装式结构，整机振动小，管汇结构简化，安装拆卸工作量少；⑥电动压裂泵组主要部件全部国产化，制造成本低，固定资产投资降低近30%。

与传统柴油发动机驱动压裂装备相比，电驱动压裂装备对配套电网布局和电网容量要求较高，但同时具有设备投资低、运行成本减小、节能环保降噪等明显优势。