美国的非常规油气田面临维持或提高产量，同时降低钻井成本的巨大压力。在压裂领域，高压泵与发动机的制造商意识到，他们必须设计出更耐用、更高马力的系统，尽管“高马力”的定义在不断变化。2500和3000马力的压裂泵与发动机已经是昨日黄花，5000马力的高压泵正成为常态。这些新系统可提高功率密度，这意味着它们可在更小的占地面积内维持相同的功率水平，或根据需要提高功率。高马力系统可支持作业者与定向钻机进行更长时间的连续压裂作业，且不会使其能力达到极限，也不会损坏设备。GD能源产品公司负责新产品研发的工程经理Turner Hall说：“各家公司都渴望拥有业内最可靠的压裂队伍。即使他们希望进行更低马力的作业，但仍然想要5000马力的系统，主要是为了延长系统的寿命，且远超常规2500或3000马力系统的能力。”制造商还宣传他们的大马力系统可以减少燃料消耗、降低维护成本并实现更长的连续运行时间。这些优势是关键，因为作业者一直关注资本约束。劳斯莱斯动力系统公司油气/采矿业务副总裁Scott Woodruff表示：“过去，当油气行业的利润率较高时，我们并没有被迫提高效率。客户也并非致力于以最高效的方式运行我们的发动机。但是，特别是自从上次经济衰退以来，油气井服务公司与钻井公司已经变得非常注重效率。我们希望在每个压裂段都能获得尽可能多的成果。”

01. 设计5000马力的泵

  2019年GD能源产品公司迈入大马力领域，推出了其第一台5000马力的泵，Thunder 5000 HP Quintuplex压裂泵。据该公司介绍，与3000马力的泵相比，它可将压裂作业的规模减少30%。由于需要维护的泵、变速箱与发动机更少，该系统还减少了压裂现场的潜在故障点，将维护需求降至最低。Hall：“当你运行一台5000马力的泵时，你的功率密度实际上要比两台2500马力的泵大。你只需要6台泵，而不是需要12台。从人力与安全的角度来看，这会提高效率。在更小的区域内运行更少的泵，所以出现问题的可能性更小。”在相同泵压下，与低马力泵相比，5000马力泵可实现更高泵速，帮助油气公司在不增加运行时间的情况下提高产量。Hall解释说，3000马力泵在12000psi泵压下，可获得9.2桶/分钟的排量，而5000马力泵在相同泵压下，则可获得15.3桶/分钟的排量。运行5000马力泵的挑战在于该泵的部件会承受更高压力。Hall估计，通常一台5000马力泵在以最大能力连续运行时，其部件的寿命基本上减半。考虑到这点，GD能源产品公司在Thunder 5000的设计中优先考虑了耐用性，以确保它可以拥有与低马力泵相同的正常运行时间。为了减少划伤、摩擦与粘着磨损，该公司开发出一种独有的干膜润滑剂。这种抗腐蚀涂层比制造泵框架的基础钢更硬、更致密，因此它提高了轴承的承载能力。当该泵以更高马力运行时，这种润滑剂还有助于防止泵过热。Hall说：“当提高马力时，你要处理的不仅是部件承受的压力，还有泵的转速。在5000马力的情况下，泵的转速比以往更快，所以有可能产生大量的热量。这对泵的性能有很大影响。对我们来说，重新设计润滑系统非常重要，这样就可以将更快转速产生的额外热量从泵中抽离出来。”该泵还拥有11英寸的冲程长度，即每个活塞在一个泵循环中移动的距离，比常规压裂泵的冲程长度长了3英寸。更长的冲程长度使压裂泵组在提供相同马力、压力与排量的情况下，转速更慢，从而能够延长消耗品的使用寿命。虽然冲程越短，泵加速至全功率的速度越快，但也缩短了活塞的寿命，增加了维护需求。此外，与常规8英寸冲程泵相比，这种新型泵的排量增加了37%，从而降低了泵速与转速。GD能源产品公司表示，这反过来会减缓疲劳与消耗性循环的累积，从而延长压裂泵与消耗部件的使用寿命，同时每转输出更多体积。Hall：“从本质上讲，这又回到了总拥有成本。真正节省下来的是液力端的耗材。这种11英寸冲程比8英寸冲程增加了37%的排量。”在2019年的验证测试中，该泵在杆载荷为25万磅的情况下，进行了200万次循环耐久性测试。经过450小时的测试，该泵的框架没有出现裂缝，轴承没有发生故障，十字头与通用轴承的损坏也很小。目前，该泵已在北美的几个盆地进行了商业应用。

02. 混合电动压裂系统

  劳斯莱斯动力技术公司通过其MTU品牌的动力系统，于2021年推出了混合电动压裂（e-frac）动力方案。它集成了天然气往复式发动机与电池储能系统。与传统的涡轮压裂装置相比，该混动系统可以根据特定作业的负载要求，定制作业需求，从而更有效地利用电力。该系统采用了模块化设计。用户可根据自己的需求，定制该系统，以产生他们所需的或多或少的电力。MTU的EnergyPack电池储能系统（容量从70千瓦时到2200千瓦时）和天然气发电机组可任意组合。去年，劳斯莱斯利用模拟软件对比了其混合电动压裂装置与一台涡轮电动压裂装置的潜在能源效率。该公司使用涡轮机装置模拟了压裂作业，基线负荷为18-20兆瓦电力（MWe），峰值需求为20-21MWe。然后，它使用由10台2.5兆瓦的燃气发电机组与两套2兆瓦的电池储能系统组成的混动系统模拟了同样作业。在模拟作业期间，使用一台燃气涡轮发电机的传统电动压裂装置，只能在50%至65% 的负载能力之间运行。另一方面，混合电动压裂系统则能够以80%的负载运行，不需要使用所有10台发电机组，只有8台发电机组在整个模拟作业期间运行，而2台是作为备用。增加负载能力的关键之一是该公司独有的微电网控制器，它安装在电池储能系统中。微电网是小规模的本地电力网络，通过主控制器可自动控制该微电网中的各种发电与储能系统。MTU微电网可自动协调混合电动压裂系统中电池系统与发电机之间的储能和需求，根据需要打开或关闭发电机，以优化燃料效率与排放。

Woodruff说：“有了储能装置，让发电机达到最佳作业状态将非常简单。我们能够将发电机提高到更有效的负载管理状态，当负载从50%提高至80%时，发电机的每加仑燃料将产生更多电力。”他将微电网与EnergyPack的组合称为电动压裂领域的全新技术平台。除了电池，EnergyPack还配有电子控制装置、变压器以及冷却设备，使其成为独立的储能装置。通过将其控制系统连接到MTU微电网，用户可确保在压裂作业期间能够持续有效地分配电力。Woodruff表示：“自动化功能可帮助我们优化燃料消耗，在减排与资产利用方面，还有其他好处。我们正研发一套系统，使我们有更多的可见性，来进一步提高这些效率。”

  今年晚些时候，Liberty公司预计将推出一款新型电动泵系统，并采用多电机设计。该公司表示，该digiFrac系统每台设备的功率将是传统高压泵的两倍。该系统的动力框架两侧是能够容纳五台独立电动机的吊舱，每台电动机可连续产生400马力或峰值550马力。这种设计消除了传统柴油压裂系统中的变速器、驱动轴和小齿轮，并用行星齿轮系统取而代之。该行星齿轮系统利用一个中心齿轮（被称为太阳齿轮）作为系统的驱动。三个外部齿轮（被称为行星齿轮）围绕太阳齿轮旋转。由于行星齿轮均匀地分布在太阳齿轮周围，与柴油压裂系统中使用的标准变速器相比，该系统可提供更高的扭矩。Liberty公司总裁Ron Gusek表示，将变速器从digiFrac中移除，是提高边际效率的案例。使用标准变速器在负载下换档，会在常规压裂泵的潜在故障点产生应力，增加维修需求，减少运行时间。Gusek说：“如果你曾经驾驶过手动挡的汽车，换档可能有点笨重。每次你必须换挡时，系统就会受到一点冲击，而这种振动会对部件产生影响。有了电动泵，我们就有了更平稳的系统，它可以通过转动表盘来提高泵速。”10台电动机协同工作，每台泵可连续产生高达4000马力的功率，或间歇产生高达5500马力的功率。这使得作业者每次作业最多可以减少50%的泵车。将这种功率输出水平与移除传动装置、实现紧凑封装结合起来，可在井场上提供可观的功率密度。在更小的占地面积内实现了更大的功率。Gusek解释道：“如果你观察传统的压裂泵，你会看到拖车前面的散热器系统，然后是12缸柴油发动机，然后是变速器，最后是泵组。整套装置大约有45英尺长。但digiFrac装置则仅是一台泵以及连接在泵侧面的电动机。这台5500马力的泵占用了8×13英尺的空间。与传统压裂泵相比，提供了双倍功率，占地面积实际上却减少了一半。”此外，由于10台电动机以更低的功率单独运行，即使在设备发生故障的情况下，digiFrac系统也更适合在整个运行过程中保持持续的高马力。Gusek说：“如果你有一台大型电动机在运行，而这个电机发生了故障，你就会失去整台设备。但如果我们有10台小电动机，其中一个发生了故障，我们还有九台电动机。这就是我们整个设计理念的一部分：我们可以做些什么，尽可能减少维护次数，尽可能地延长设备正常运行时间。”为了提高系统的耐用性，动力框架设计有内部几何形状，以提高其抗弯曲性与耐磨性。Liberty公司没有创造一个充满直线的内腔，而是设计了从上到下、从前到后的曲线，使流动形成层流，减少空化的机会。当在低压区域的液体中形成小的、无液体的气泡时，就会发生空化现象。当压力增加时，气泡破裂会产生冲击波，逐渐磨损泵体。这套digiFrac系统利用劳斯莱斯公司的MTU 2.6兆瓦燃气发电机组作为其主要动力源，有效创建出一套混动系统。因为发电机组的高热效率有助于减少燃料的使用，这将实现减排。与其它离网电源相比，预估将减少25%的二氧化碳排放。Gusek说：“劳斯莱斯与我们一起开展了大量工作，了解我们将消耗多少燃料，以及这将如何影响发动机的性能。如果我们要为客户提供电动压裂车队，我们必须有信心，与现有的最佳技术相比，我们将大幅减少碳足迹。燃气涡轮机非常擅长将大量电力传输至一个小装置中，天然气发动机提供了机会，与现有最佳技术相比，可实现更少的碳足迹。”通过全面的测试计划，包括耐久性测试以及2021年第二季度至第三季度完成的四次现场试验，该系统在厂内与四个井平台中（两个在Permian盆地，两个在Denver-Julesburg盆地）的运行时间约为1500小时。虽然Liberty公司没有公布这些现场测试的细节，但该公司表示，测试结果给商业化生产打了一针“强心剂”。在2021第三季度的财报电话会议中，Liberty公司宣布与两家油田试验合作伙伴达成多年协议，将于2022年将digiFrac技术进行商业化应用。在2月9日的最新财报电话会议上，该公司表示，计划在今年第二季度初开始将digiFrac泵系统部署到其压裂车队。

摘自：石油圈