2500型电驱压裂车研制及试验研究

李双鹏, 杜海波, 刘傲, 朱孟伟, 彭俊威, 王清

（1.宝鸡石油机械有限责任公司,陕西 宝鸡721002；2. 四川宝石机械专用车有限公司，四川 广汉618300；3.川庆钻探井下作业公司，成都610000；4.四川宝石机械石油钻头有限责任公司，成都610000）

0 引 言

近年来，水平井和水平井分段压裂技术已经成为改造低渗透油气藏和开发深部油气藏的主要手段，《页岩气发展规划(2016-2020年)》指出，我国力争2020年页岩气产量实现300×108m3，2030 年实现页岩气产量(800～1000)×108m3，2020-2030年我国页岩气将进入快速发展阶段[1]，随着页岩气勘探和开发不断深入，页岩气开发对压裂装备采购使用成本和维护性能提出了更高要求，各大压裂装备厂家加大对电驱压裂装备研制，伴随着国家电网大力建设和燃气轮机大规模应用，为压裂平台大容量供电提供了保障，压裂装备电驱成套化成为可能。

目前，北美电驱压裂装备厂家以USWS为代表，由于北美地区道路平坦，通过性良好，电驱压裂装备以拖车结构形式为主，通过涡轮发电机发电供给电驱压裂车组。鉴于国外电力容量受限，电驱压裂装备并没有得到大规模应用[2-5]。国内电驱压裂装备厂家以四川宏华和中石化四机石油机械为代表，其生产的电驱动压裂装备包括电动压裂泵橇和VFD变频橇，两部分组合形成一个完整的电驱压裂单元，先后在四川与重庆页岩气平台开展了现场压裂作业，其中四川宏华采用6000型电动压裂泵橇，中石化四机石油机械有限公司开发的4500型电动压裂橇采用单电动机和双泵结构形式，两家产品均是将变频器与电动机分开放置，若电动机与变频器之间距离过长，电缆与地之间的分布电容引起的谐波将影响变频器的电压输出波形，造成电动机发热，伴有振动和噪声，甚至有可能损坏电动机。同时会在变频器侧形成较强的电磁干扰，且将变频装置与压裂泵采用橇装形式，存在移运性差的缺点，容易增加井场安全风险。宝石机械根据目前页岩气开发需求，开发新型2500型电驱压裂车，底盘上装供配电/变频驱动系统、电动机和压裂泵，因变频驱动单元与电动机安装在一起，谐波风险大大降低，对变频器与电动机均增大了电气可靠性，集成度更高，移动性也好，可有效替代目前使用柴油机驱动的压裂作业模式，不仅节省作业成本，还能降低安全事故风险。

1 结构及工作原理

1.1 总体设计介绍

2500型电驱压裂车采用车载结构，通过优选供配电/变频驱动系统、电动机和压裂泵，提高整车集成度，同时尽可能降低整车质量，满足通用性底盘承载要求。目前较为成熟稳定的传统2500型柴油机压裂车满载总质量达到45 t，对承载底盘行驶性、越野性及安全性要求高。2500型电驱压裂车整车满载质量为43.5 t，同时减小了整车外形尺寸，底盘只提供行走功能，不需为上装部件提供动力，降低了承载底盘要求，可选底盘厂家较多，能大幅降低设备购置成本。

1.2 结构及工作原理

2500型电驱压裂车相比传统压裂车，是一种全新设计，由装载底盘车、供配电/变频驱动系统、电动机、传动轴和压裂泵等组成，整体布局如图1 所示，整车电力由电网经高压开关柜接入供配电/变频驱动系统，经变压变频后驱动电动机工作。压裂泵由电动机直接驱动，将压裂液经高压管汇注入井口，实现压裂作业。整车通过高压网电或者燃气发电机组输入10 kV电源至高压开关柜，高压开关柜输出10 kV电源供车台供配电/变频驱动系统，经变压、变频后输出动力电到变频电动机，电动机驱动压裂泵实现压裂液吸入和排出功能。

图1 2500电驱压裂车

1.3 主要技术参数

最高工作压力为137.9 MPa(20 000 psi)；最大排量为1.47 m3/min；最大输出水功率为1860 kW（2500 hp）；整车总质量为43 500 kg；整车供电电源为10 kV；电动机额定电压为690 V；整车外形尺寸为11 000 mm×2500 mm×3900 mm。

2 技术特点

2.1 智能化及集成化技术

整车配置供配电控制系统和电动机控制系统智能平台，可实现对供配电功率组件和电动机设备性能参数整体监控及自动化控制，通过对电动机、压裂泵输出参数进行实时检测和智能分析，及时对整车在工作中出现的故障进行分析并预警。同时整车集成供配电系统（集成变压器和变频器）、大功率电动机和压裂泵于重载底盘上，结构更紧凑，大幅提高了整车集成化水平。同时整车质量较常规柴油驱动2500型压裂车更轻，整车重心更低，极大提升了底盘车移运能力。

2.2 变频驱动控制技术

2500 hp电驱压裂车电控系统由本地控制和远程控制两部分组成，系统结构框图如图2所示。采用工业以太网与无线通讯相结合，通过变频器速度控制环与转矩控制环实现电动机无级调速。通过采集各设备传感器、编码器等传输的信号对系统设备运行状态进行精准控制。电气传动采用基于直接转矩控制技术（DTC），实现排量精确控制。采用转矩控制与转速控制相组合的算法，实现了压裂车重载并车启动，同时能抑制井下压力大幅波动，克服泵与高压管汇之间的“水锤”效应。

图2 系统结构框图

2.3 轻型定制化电动机技术

传统大功率电动机外形尺寸大、质量大，为适应页岩气压裂工艺开发了一种适用于压裂工况的大功率变频电动机。在电动机布局上，采用结构优化设计以减小外形尺寸；针对页岩气压裂工况，对电动机功率储备系数进行校核验证以匹配压裂作业要求。同时对电动机主要部件进行材料优选、加工工艺和装配工艺研究，在满足散热要求前提下，严格控制整机重量。该电动机设计防护等级为IP44，最大输出功率为2100 kW，最高输出转速为1000 r/min，最大输出转矩为34 380 N·m，质量为7500 kg。

2.4 产品优势

2500型电驱压裂车配套底盘、供配电系统、电动机和压裂泵实现全国产化，改变了传统压裂车对进口部件的依赖，降低了设备采购生产成本，同时整车质量轻，转弯半径为12.8 m，具有更好的灵活性，适合于道路崎岖山区路况。使用网电能实现零排放，同时将噪声由115 dB降为105 dB，改善作业环境。采用电代油的作业模式，减少了作业燃料成本，以网电价格1元/（kW·h），柴油价格6元/L计算，根据目前四川某页岩气平台一段3 h作业量估算，2000 m3压裂液，耗电43 000 kW·h，耗油10 000 L，一个50 000 hp的压裂机组，采用电驱压裂作业，作业1000 h能节省成本940万元。

3 关键技术

1）一体式供配电、变频控制驱动装置。采用IGCT功率器件，集成降谐波装置与整流变压器，在确保高可靠性的同时减轻了质量，变频驱动系统与自动控制系统集于一体，优化整车供配电系统空间布局，简化高压电输入端系统结构设计，最终使整个驱动装置集成在车载底盘。

2）视频网络监控技术。基于以太网供电（POE）技术，设计一种适用于压裂设备井场作业工况的新型视频监控系统。当监测部位发生机械损坏或火灾等险情时，系统可根据监测部位画面动态变化，对图像进行连续视频拍照并发出报警信号，可避免造成更大破坏。

3）自动盘泵技术。利用变频器低速调整特性，控制系统增加压裂泵“自动盘泵”功能：分为“点动”与“连续”两种模式，电动机按预置点动速度运行，松开电动机停止；按下连续键时，电动机按预置盘泵距离连续运行，直至压裂泵柱塞移动到所设定位置。盘泵过程省时省力，便于用户维修检泵作业。

4 厂内试验

2500电驱压裂车在四川广汉试验基地依据SY/T5211《压裂成套设备》进行了试压试验、连续负荷试验、带载并车试验和自动盘泵试验等多项试验。实验现场如图3所示，试验数据截屏如图4所示，试验测试数据表明设备均满足设计要求。

1）连续负荷试验，试验最大排量为1.44 m3/min，运行时间60 min；试验最大压力101 MPa， 持 续30 min；最大功率2051 kW，运行30 min；在常用功率1500 kW、压力60～90 MPa下持续运转120 min，整车各设备数据运行正常，传动平稳，参数符合设计要求，其中在60～90 MPa负荷下，转速为700 r/min, 排量在1.04 m3/min左右时，电气传动与润滑散热系统参数最优。

图3 现场试验场地

图4 试验数据截屏

2）自动盘泵试验，选“点动盘泵”时，按下点动键后变频器驱动电动机以30 r/min自动运行，柱塞缓缓到位后松开点动键，电动机立即停止旋转，点动盘泵结束。当选“连续盘泵”时，设定盘泵距离为泵冲程长度，电动机以30 r/min运行，自动计算柱塞移动距离，当移动距离累计到设定距离后，电动机自动停止旋转，“连续盘泵”结束。两种模式均符合现场精确盘泵要求，控制响应迅速且稳定。

3) 试压试验，试压值设定5～60 MPa，变频器工作在“转矩控制”而非“转速控制”模式下时，电动机响应更快更稳定，压裂泵排出压力平稳上升至设定压力值，试压过程时间更短且一键完成。

5 结 论

1）随着国家加大对页岩气开发力度，压裂装备缺口巨大，电驱动压裂装备生产周期短，零排放低噪声，非常适合现阶段页岩气平台长时间连续作业工况。考虑井场电网供电有限，需增加额外发电机组供给，现阶段已有成熟的燃气发电机组，采用井口气作为发电机组燃料，就地取材，可节省燃料费用。

2）电驱动压裂车采用低压变频调速电动机，降低了常规压裂车换挡冲击，流量调节平稳，能降低对压裂泵传动部件的冲击，延长压裂泵使用寿命。电驱压裂车同时与自动盘泵、动态视频监控等多项技术结合应用，具备较高的智能化作业水平。

3）电驱压裂车相对于常规2500型柴油驱动压裂车，外形尺寸小、质量轻，移运性能好，压裂机组井场布置灵活方便，具有良好的市场推广前景。