0 引言

我国页岩气规模开发经过5年的发展，已形成涪陵、长宁和威远等多个示范区。大型压裂采用多井口平台作业模式，工艺流程和装备配置已经形成相对固定的作业模式。自主研发的2500型和3000型成套压裂装备在页岩气开发中发挥了重要作用^[1-4]，随着深层页岩气的开发，对压裂装备的使用维护成本以及节能环保提出了更高的要求。电动压裂设备具备节能、高效率和安全的特点，成为压裂装备的重要发展方向。

1 利用电力开展压裂工程的需求分析 1.1 开发背景及需求

西南地区是我国页岩气开发的主战场，电力资源相对发达，为电动压裂装备的规模应用提供了电力基础。大功率电网的建设需要统一规划和管理，施工前新建35 kV油田专线，覆盖所有平台，能够同时满足多个压裂平台和钻井平台施工作业。

以西南某页岩气田开发为例，该区块的井深≥3 500 m，单井产量低，规划2020年完成20亿m³页岩气产能建设，若采用常规柴油机组进行钻井和压裂施工，将无法实现气田的效益开发。该气田为保障经济开发，要求涉及的钻井、压裂试气、地面集输和公用工程全部电动化，以进一步降低页岩气开发成本。

1.2 电动压裂技术进展 1.2.1 国外技术发展及装备应用现状

利用电力开展页岩气水力压裂的关键技术是电动压裂装备。近年来，国外公司相继开始电动压裂装备的研发。2015年至今，美国S.S、USWS及EWS等公司先后推出3500型双机双泵或单机双泵电动拖车，并开始在北美地区投入小范围工业应用。国外公司研制的电动压裂装备全部采用经市场考验的成熟压裂泵，如GD2500、SPM2500等，而没有采用更大功率的单泵模式。图 1为国外电动压裂泵拖车。

美国USWS公司在科罗拉多州Wattenberg油田进行了世界首套全电驱动压裂装置的推广应用，全套机组现场采用4台5.67 MW涡轮发电机发电，电动机组配置8台电动压裂拖车并配置混砂和配液等辅助装备，总水功率20 580~29 400 kW。EWS公司2017年推出5000型全电动压裂机组，截至目前，累计运行3 250 h，节省燃油2.18万t，减少人员50%，噪声下降26%。鉴于国外电力容量受限，目前在北美地区电动压裂装备并没有得到大规模应用。

1.2.2 国内技术研发及装备应用现状

国内电动压裂装备的代表厂商以中国石化机械公司和宏华公司为代表。宏华公司针对页岩气开发施工压力70 MPa以下的作业工况，2012年研制出首台6000型电动压裂泵橇，将压裂泵常用冲次由110 min^-1提升至220 min^-1，以实现4 410 kW最大功率输出。2015年投入工业应用，先后在广安、宜宾和平桥等地区进行试验性作业，由于压裂泵冲次太高，造成易损件寿命短以及吸入管汇上水困难等问题。随后推出新一代6000型电动压裂泵橇，压裂泵冲程长度由254.0 mm增加至304.8 mm，满功率冲次下降至178 min^-1，并在武隆隆页2井进行了推广应用，在武隆隆页2井采用8台电动压裂橇(6用2备)配合12台2500型混合作业，完成压裂施工，油电混合作业的压裂施工模式取得初步验证与认可^[5-9]。

中国石化机械公司从2014年开始自主研发电动压裂装备，目前已经形成了3 307.5、3 675.0和4 410.0 kW，单泵和双泵多种结构形式的系列化电动压裂泵装备，与其配套的电动混砂、配液、泵注以及油电混合控制实现了电动成套装备的集成配套。2017年4500型电动压裂橇在焦页193平台完成3口井中23层段施工作业。作业压力56~83 MPa，单橇施工排量2 m³/min，单段作业时间1.5~2.0 h，累计时间36 h，泵注液体4 320 m³，施工整个过程设备运行正常(见图 2)。

2 电动压裂装备配置研究 2.1 压裂工程对装备的要求

西南页岩气区块地质条件复杂，为典型超高压连续长时间作业工况。根据前期探井预测，施工压力85 MPa，排量16.5 m³/min，采用拉链式压裂模式。预测该区块开发难度将大于目前的涪陵和平桥地区，尤其是施工压力会上升到90 MPa以上，工艺设计也要求排量达到18 m³/min。为降低施工风险，保障施工作业安全，建议适当增加压裂装备数量和储备能力。按照SY/T 5211—2016《石油天然气钻采设备压裂成套设备》标准的要求，功率储备系数不应低于1.5，计算压裂机组配置水功率应大于41 454 kW，压裂装备的压力等级需要提高到138 MPa。目前页岩气施工中配置的压裂车考虑到设备新旧系数和安全等因素，实际配置数量会根据压力升高增加4~6台备用。

压裂工程需要成套压裂装备，除主压装备外，还包含混砂、配液、泵注、地面管汇、供砂供液和仪表控制等辅助装备^[10-14]。成套电动装备的应用将会带来更大收益，尤其是整套机组的集中控制能够更好地保证作业安全。电动装备包括压力保护、压裂装备自动控制、混砂车供液保障以及高压管汇安全阀的紧急关断等。以涪陵地区近期页岩气开发情况为例，在施工排量18 m³/min，不同工况下常规压裂机组配置见表 1。

2.2 电动压裂装备系统配置研究

结合西南某页岩气田开发规划要求，笔者提出全电动压裂机组和油电混合压裂装备2种系统配置方案。方案一：配置10台压裂泵橇(其中1台用于泵送桥塞)。方案二：采用油电混合配置模式，配置4~6台2500型压裂车针对施工作业时工作压力的升高或者装备故障的出现进行应急补充。其装备配置见表 2。

2.3 电动压裂主要装备

成套电动压裂机组采用电网进行供电。主要装备包括移动式变电站、多台电动压裂橇及VFD变频控制房、电动混砂橇以及油电混控仪表车。

2.3.1 35 kV移动式变电站

电动压裂装备全部采用10 kV输入电压，当井场规划电压为35 kV时，需要配置35 kV移动式变电站，用于将井场35 kV降压至电动压裂橇所需的10 kV电压，主变设计容量能够满足整个压裂施工主辅装备的供配电。

2.3.2 电动压裂泵橇

电动压裂泵橇是电动压裂施工核心装备，用于高压泵送，最大输出水功率4 410 kW，采用单机双泵结构。配置2台SQP3300型五缸压裂泵、1台多相异步变频调速电机及2套液压离合器，设计有效冲次87~126 min^-1(相当于压裂车Ⅱ~Ⅳ挡)。

2.3.3 VFD变频控制房

VFD变频控制房用于压裂泵或辅助装备电机的变频调速及控制，实现不同排量输出，1台VFD变频控制房能够控制2台压裂泵橇，采用多脉波整流技术，保障装备的谐波满足电网接入要求。

2.3.4 电动混砂装备

电动混砂装备用于混砂作业，利用电机替代柴油机，采用双混双排的模式，配置2套相互独立的混排系统，可互为备用，设计整机最大排量40 m³/min，能替代现有的2台混砂车作业。

2.3.5 油电混控仪表车

油电混控仪表车将电动压裂装备、常规压裂车、混砂、配液、泵注、远程高压管汇关断的操作和显示进行集成，可兼容常规压裂装备和电动压裂装备。

3 技术经济性分析与推广建议 3.1 技术参数对比

电动压裂装备有双泵模式和单泵结构模式，其性能参数对比如表 3所示。双泵结构由于采用了2台压裂泵，相同功率下压裂泵冲次更低。以满功率最小冲次为例，双泵结构满功率冲次为87 min^-1，是单泵结构冲次的48.9%，能够有效延长泵头体、阀及阀座等易损件寿命，减少现场检泵频率。2种结构的电动压裂泵冲程相差不大，但单泵结构集成化程度高，尺寸更小。

从工程适应性角度出发，在工程需求冲次下需要更大的有效功率。目前国际主流电动压裂泵结构为双泵结构，可以减少设备失效对系统的影响，单泵结构需要解决易损件寿命和检泵周期短的问题。

3.2 经济性对比 3.2.1 施工井场面积

由于单机功率的提升，减少了压裂工程作业装备的数量。在不考虑辅助装备的情况下，以配置44 100 kW常规压裂机组和电动压裂机组对比，24台2500型压裂车布置井场占地1 365 m²，10台YL6000型电动压裂泵橇组和控制房占地945 m²，井场占地减少30%(未考虑电动设备安全防护距离的特殊性)。

3.2.2 装备购置成本

以配置44 100 kW机组为例，电动橇装压裂机组(含压裂装置、混砂装置、配液装置以及泵注装置)购置费较常规2500型压裂车组的购置费成本下降50%左右，购置费用的降低主要在于压裂泵功率的提升，所需装备配置数量的减少。

3.2.3 施工使用成本

全电动比常规压裂机组使用成本可下降率33%，采用混动压裂机组比常规压裂机组使用成本下降率28.5%。以西南某页岩气田160口井为例，采用全电动压裂机组施工预期累计节约4.48亿元。

3.2.4 节能减排

电动压裂装备的应用实现了页岩气的绿色开发。常规柴油压裂机组单井CO₂、NOx排放760 t，电动压裂机组实现零排放。现场施工噪声由115 dB下降至95 dB，下降率17.4%。

3.3 电动装备的推广建议

常规柴油压裂车组是目前页岩气压裂工程的主要装备，已得到广泛应用。电动压裂机组国内外均处于起步阶段，在推广应用电动压裂机组中建议关注以下几个问题。

3.3.1 超高压异常工况施工

电动压裂机组多应用在90 MPa以下作业，工程使用中出现过高压带压启动困难以及单泵在大排量下供液能力不足等问题。采用全套电动装备如果装备储备能力不足，在超高压等异常工况或多台单机失效情况下存在一定风险，建议配置一定数量的柴油压裂车处理异常工况或备用，而正常施工作业采用全套电动装备。

3.3.2 数量减少引起的储备风险

电动压裂装备由于单机功率的提升，可以大幅减少现场施工装备的数量，同时增加了单台装备失效带来的施工隐患。以10台电动装备进行主压施工为例，单台装备失效将减少10%的总排量。如果电动装备采用双泵模式，单泵出现事故可以通过离合器快速脱离成单泵作业，使单台的失效损失降低到5%。这也是国外电动装备采用双泵保障施工安全的原因之一。

3.3.3 多装备的系统兼容

目前应用的电动压裂泵装置仅用于泵送施工，没有与现有的施工装备进行有效兼容和功能组合。仪表车控制系统不能集中控制电动压裂泵装置，缺乏对所有参与施工设备的有效控制与监测，施工中安全隐患大。建议针对电动压裂装备的应用配置油电混控仪表车，将电动压裂装备与常规压裂装备的控制系统整合，实现混动装备作业的集中自动化控制。

3.3.4 操作维护模式的差异

电动压裂装备在控制模式、操作方法、安全防护和维护保养方面与常规压裂装备存在诸多差异，工程服务队伍在人员配置、备件储备和操作规程方面需要针对电动装备的特点进行重新规划。

4 结论

(1) 针对深层页岩气的高效开发，在具备大功率电网的区块，利用电力开展页岩气压裂规模化应用具备可行性。该应用方案具有零排放、噪声小的特点且成本下降30%左右，同时实现了页岩气的绿色开发。

(2) 基于不同压裂工况下提出了不同电动压裂装备配置方案，为降低电动压裂装备的投资和施工风险，推荐采用“油电混合成套压裂机组”作为利用电力开展页岩气水力压裂装备配置方案。

(3) 开展电动压裂装备规模化推广应用，应综合考虑技术先进性、经济性以及施工的复杂性，既满足低成本开发需求，又能适应异常高压工况，同时应加强电动压裂装备施工安全规范及相关标准的建立，从而为我国页岩气低成本开发示范推广提供技术保障。