电动压裂供电技术研究.pdf

.129-第8 期电动压裂供电技术研究李方淼（中石化石油机械股份有限公司湖北荆州4340 0 0）摘要】随着电动压裂装备在页岩油气开发中的大规模应用，供电技术逐渐成为限制电动压裂发展的技术瓶颈。本文以当前页岩油气大规模开发为背景，结合电动压裂用电需求，重点论述了电网供电、井场燃气轮机发电和电池储能供电三种供电技术，并提出了相应的应用建议：在电力资源充足架线距离短的条件下，采用网电可实现最高经济效益，但在电力资源短缺的偏远地区，架线距离变远，网电成本升高；现场燃气发电是电动压裂供电技术的重要发展方向，可替代现有的电网供电模式，解决偏远地区电动压裂供电难问题，并可实现快速搬家功能；电池储能供电可用作电网供电和燃气轮机发电的重要技术补充，在电力系统中作为备用电源保障电动压裂稳定施工，保障施工安全。供电技术的研究对电动压裂装备的应用推广具有重要意义。【关键词】电动压裂；供电方案；发展方向；应用建议1引言随着我国能源消费需求的持续增长，页岩油气开发成为增储上产、保障能源安全的主战场。与常规油气开发相比，页岩油气开发具有施工规模大、作业压力高、排量大、砂比高、作业时间长等特点，常规压裂装备在应用过程中逐渐暴露出设备功率不足、超高压施工风险大、使用寿命短等问题，同时还伴随着环境污染和作业噪声大的困扰，为满足页岩油气绿色开发需求，电动压裂装备在页岩油气开发中逐步应用推广。电动压裂装备全部以电力驱动，现场施工需要消耗大量的电能。持续稳定的供电技术对保障现场施工、维持电动压裂装备安全稳定运行具有重要意义。2电动压裂用电需求2.1电动压裂用电现状电动压裂作业在页岩油气开发上已经得到了非常广泛应用，目前国内全电动压裂机组的保有量为2 8 套（单套6 0 0 0 0 水马力），合计约16 8 万水马力。2 0 2 2 年电动压裂在川渝地区工作量占比近70%，电动压裂工作量增长迅速，其电力需求也快速增长，据不完全统计，2 0 2 2 年川渝地区的6 3个平台2 0 2 口井，已累计压裂4313段，用电1.5 48 亿度。预计到2 0 2 5 年，电动压裂作业将达到川渝地区压裂作业量的7 5%左右，届时供电系统将面临更大的用电需求。表1川渝地区电动压裂用电统计区块平台数井数/口压裂段数/段用电量/千万KW自贡区块9143321199泸州区块3110319767315长宁区块13458793047渝西区块5123291819吉庆区块5287972100合计632024313154802.2单平台用电需求在进行压裂装备配置设计时需结合平台井数、施工时效、施工压力、排量和装备特性来考虑。以平均施工压力6 0 MPa、施工排量16 m、12口井的焦页12 号平台为例，现场采用全电动压裂方案，主压设备配置12 台5 0 0 0 型电动压裂撬和1作者简介：李方淼，湖北宜昌人，男，（1994-），机械工程硕士研究生学历，助理工程师，现从事油气装备研发领域。130-2023年第2 6 卷维修改造石油和化工设备台SHS20电动混砂撬，单台电动压裂撬额定功率3750KW，现场使用时电动压裂撬负载率一般不超过6 0%，电动混砂撬额定功率7 5 0 KW，加上其他辅助装备电力需求约为40 0 KW，该平台总共所需输入功率约为2 8 15 0 KW。3供电技术方案3.1电网供电技术电网供电是当前电动压裂最主要的供电方式，在电动压裂作业前根据工区布井特点，由专业电力公司与国网合作架设专线，电网线路架设有“直线型”和“星型”两种形式，“直线型”采用35 KV高压输电，直接将国网变电站的35 KV高压电输送至各个井场，现场需同时配置35 KV和10KV变压器，先将35 KV变压至10 KV，再将10 KV变压至装备输入电压；“星型”则在电网上配置35KV变电站，先将国网输送来的35 KV高压电变压为10 KV高压电，再通过10 KV高压线输送至各个井场，现场仅需配置10 KV变压器，装备成本低。由于电压等级不同，“星型”架线方式往往具有更低的架线成本，同时也提升了现场用电安全；但在电网容量上“直线型”架设方式通常高于“星型”架设方式。35kV线路国网变电站35kV线路35kV线路平台平价台井场配置变压器和开闭所(a)“直线型”架线10KV双线10KV双线35KV线路井场配置35KV变电站10KV开闭所10KV双线10KV双线国网变电站(b)“星型”架线图1电网架线方式截至2 0 2 2 年，川渝地区压裂供电35 KV电网已累计建设549KM，电网容量6 8 8 MW；10KV电网已累计建设32 7 KM,电网容量18 6 MW。川渝地区压裂供电电网理论最大可保障压裂142水马力需求，2 0 条35 KV线路，可满足2 0 个全电动压裂作业面用电需求。表2 川渝地区压裂供电电网架设规模35KV电网长度/35 KV电网容量/10 KV电网长度/10 KV电网容量/区域KMKWKMKW泸县区域20824625010547330宜宾区域1341401507644000自贡区域119970505523210重庆区域791695006248550威远区域63500000内江区域301413010达州区域001510000合计549687950327186100131李方淼电动压裂供电技术研究第8 期3.2燃气轮机发电技术如图2 所示为燃气轮机发电机组结构简图，燃气轮机发电机组主要由燃气轮机、减速齿轮箱、发电机和所需辅助设备组成。燃气轮机产生动力，经过减速箱减速带动发电机发电。根据燃气轮机结构特点、整备质量和输出功率，可将燃气轮机分为重型燃气轮机、轻型燃气轮机和微型燃气轮机。我国众多油气资源位于道路崎岖、地形狭窄的山地，为适应井场地形条件，在进行井场燃气轮机发电机组设计时优先选用轻型燃气轮机，采用车装或撬装设计方案，同时对功能单元进行模块化设计，从而在井场转场作业时拆分运输、快速组装，实现井场快速“搬家”的目的。目前美国USWS公司、加拿大EWS公司已使用航改燃气轮机发电机组为电驱压裂作业装备进行供电，单套机组可提供5.7 MW的电力供应。我国轻型燃气轮机以中国航发研制的AGT-7系列燃气轮机发电机组为代表。AGT图3AGT-7燃气轮机发电机组在环境温度15、大气压力10 1.3KPa、相对湿度6 0%、进气总压损失1kPa、排气总压损失2.5kPa、天然气低热值32.97 MJ/m3条件下测定的321.燃气轮机2.减速齿轮箱3.发电机图2 燃气轮机发电机组结构简图AGT-7系列燃气轮机主要性能参数如表3所示。表3AGT-7系列燃气轮机性能参数性能指标技术参数燃机输出功率/KW72007650热效率/%31.5排气流量/（kg/s）27.628.3排气温度/555570输出转速/（r/min)770083003.3电池储能供电技术电动压裂过程中时常因设备故障、井底异常压力、人员误操作等突发状况导致电网功率不足，设备欠功率运行，影响设备使用寿命；或在施工过程中电网意外断电，设备停转导致井底砂堵，造成安全隐患、影响施工进度。为保障井场电力系统的稳定，采用电池储能供电技术在功率波动或突然断电时作为备用电源成为解决上述问题的重要方法。电池储能技术利用电池化学能和电能之间相互转化，实现电能的储存和输出，具有响应速度快、供电时间长的特性。电池储能设备作为备用电源在电网稳定时处于充电状态，在电网欠功率或断电后立即做出反应，给设备供电，继续维持设备稳定运行一段时间，保障施工安全。根据储能介质的不同，储能电池可分为铅酸电池、锂离子电池、液流电池和钠硫电池等，表4所示为各种储能电池的技术参数。表4电池储能主要技术参数功率密度/（W/能量密度/（W/能量转换效率功率成本（元能量成本（元/技术类型循环寿命/次响应速度kg)kg)（%）/kW)kWh)铅酸电池15025503500500010ms759050010005001000锂电池50015001201506000900010ms90953200580020002500液流电池10507151000015000ms级75851100040004500钠硫电池1520801004500ms级8090132001380022002300收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 7 修回日期：2 0 2 3-0 7-13-1322023年第2 6 卷维修改造石油和化工设备由上表可知，锂离子电池储能具有更大的功率密度、能量密度和更长的循环寿命，能量转换效率更高，这在井场有限作业空间、大功率设备运行条件下具有更大的技术优势，在进行井场电池储能设计时可优先考虑采用锂电池作为备用电源。4工程应用建议通过对网电、燃气轮机发电、电池储能技术的分析可知，网电与井场燃气轮机发电可作为井场主力电源使用，电池储能技术可作为备用电源在电力系统中发挥维持供电稳定和断电后继续供电的应急功能。在井场进行供电设计时，应从施工成本、供电稳定性、经济效益等方面综合考量，选择最佳供电方案。网电成本主要包括架线成本和用电成本两个部分，其中架线成本与当地电力配置、架线距离相关，在电力资源充足、架线距离短的情况下，网电成本最低，可实现较高的经济效益，但当施工地区位于电力资源匮乏的偏远地区，架线距离远，网电成本会迅速增长，此时采用燃气轮机发电可实现更高的经济效益。燃气轮机发电机组供电成本包括设备成本、燃料成本和运维成本，井场燃气轮机可就近利用能源，采用井口气作为发电燃料可大大降低发电成本。此外，井场采用网电前期往往需要7 15 天的供电等待时间，时间成本较大，采用燃气轮机供电等待时间可缩短至2 3天，并可实现快速搬家功能。电池储能供电技术作为备用电源与网电或燃气轮机发电配合使用，可有效保障设备稳定运行，保障施工安全，接入电网后基本不需要人员维护和其他操作，其成本主要为设备成本。5结论（1）网电是当前电动压裂主要的供电方式，但随着电动压裂规模的不断扩大和电动压裂技术的推广，电网供电逐渐暴露出供电紧张以及在电力资源短缺、偏远地区经济适用性差的问题，井场供电成为了限制电动压裂技术发展的关键因素，发展新的供电技术成为必然。（2）电网供电在电力资源丰富、架线距离短的情况下可实现最高经济效益，但在电力资源短缺的偏远地区，电网架线距离变长，网电成本增长迅速。（3）井场燃气轮机发电是电动压裂供电技术的重要发展方向，可打破当前电动压裂对网电的严重依赖，在电力资源短缺或偏远地区对电动压裂作业供电，且供电等待时间短，可实现快速搬家能力，对电动压裂的推广具有重要意义。（4）采用电池储能技术接入井场电力系统作为备用电源，在电力系统功率不足或突然断电的情况下迅速反应，给压裂装备供电，发挥应急作用，可有效保障现场供电稳定和施工安全。参考文献1刘红磊,周林波,陈作,薄启炜,马玉生.中国石化页岩气电动压裂技术现状及发展建议 J.石油钻探技术：1-12.2韩啸.电网侧电池储能系统调频控制策略研究 D.华北电力大学,2 0 2 1.3王怀.磷酸铁锂储能电池过充热失控特性研究 D.郑州大学,2 0 2 1.4张慧奇电力市场环境下的燃气轮机综合供能模式研究D.浙江大学,2 0 2 0.5刘文宝,姚孔,王元忠.电驱压裂装备整体供电技术方案分析及应用 .机械研究与应用,2 0 2 0,33(0 3):2 10-2 13+2 16.6叶嘉雯.典型应用场景下储能系统技术适用性及效益评估研究 D.华北电力大学(北京),2 0 2 0.7潘春霖.某航改燃气轮机前支承结构设计 D.大连理工大学,2 0 18.8王庆群.利用电力开展页岩气压裂规模应用的分析及建议 .石油机械,2 0 18,46(0 7):8 9-93.9吴汉川.大型压裂装备应用问题解析及发展方向 .石油机械,2 0 17,45(12):5 3-5 7.*国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目“海相深层油气富集机理与关键工程技术基础研究”的研究任务“超大功率电驱动智能压裂装备建制方法”（编号：U19B6003-05-06-03)