CN213869837U - 车载电动压裂系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种车载电动压裂系统，该系统包括：柱塞压裂泵设置在第一底盘上；电机设置在第一底盘上，电机驱动柱塞压裂泵；配电及变频装置设置在第二底盘上，为电机供电；电动配液车获取压裂液，将压裂液与化学剂混合后泵送至电动混砂撬；电动混砂撬获取支撑剂，并将支撑剂与电动配液车泵送的压裂液混合得到加砂压裂液，将加砂压裂液泵送至压裂管汇中；压裂管汇设置在第一底盘上，压裂管汇中的低压模块将电动混砂撬泵送的加砂压裂液输送给柱塞压裂泵增压，压裂管汇中的高压模块将柱塞压裂泵增压后的加砂压裂液通过地面管线打入井口。该方案具有单机功率密度大、运输方便、作业效率高、国产化率高、供货维保性好、绿色环保等优点。

Description

车载电动压裂系统

技术领域

本实用新型涉及储层改造技术领域，特别涉及一种车载电动压裂系统。

背景技术

随着国民经济的快速发展，对石油天然气等一次能源的需求不断增加。全球油气资源开发焦点逐渐转向低渗透、难动用的非常规油气藏，包括致密砂岩油气藏、页岩油气藏、煤层气等。以前被认为不具有开采经济价值的非常规资源现在已经得到大规模商业开发，满足了日益增长的能源需求，获得了可观的经济效益，比如北美地区的页岩油气革命。这主要得益于技术的进步，尤其是水平井分段储层改造技术的规模应用，大大降低了开发成本，提高了单井产量，延长了稳产期。今后需要改造的油气井数量越来越多，储层改造的价值与作用更加凸显。在页岩气和致密油区块，普遍开展体积改造施工，单井改造规模越来越大。随着工厂化施工模式逐步推广，提速增效和降本增效受到重视，这对压裂技术提出了更高的要求。

地面压裂装备是增储上产的重要利器，压裂设备的可靠性、性价比、经济性等直接影响现场压裂效果和油气井产量。压裂车是地面压裂系统的核心设备，现有技术中已有多种地面压裂系统，例如，

第一种，一种柴油机驱动的压裂车及压裂设备组，其提供的压裂车包括底盘以及设置于底盘上的压裂泵，该压裂车还包括设置在底盘上的散热箱体。

第二种，一种燃气涡轮动力驱动的地面压裂车，包括底盘车、沿底盘车的长度方向设置于底盘车上的压裂机组。

第三种，一种采用液化天然气(LNG)为动力的压裂机组，包括车体，所述车体上位于驾驶室后的车架大梁上固定安装有平台，所述平台上从前向后依次固定有LNG气瓶装置总成、散热器、气体发动机、液力变矩器、传动轴、压裂泵、高压管汇、操作室和计量罐，所述气体发动机与液力变矩器的输入端连接；所述传动轴的两端分别与液力变矩器输出端和压裂泵输入端连接；所述压裂泵通过管道与计量罐连接，所述压裂泵的输出端连接有高压管汇；所述气体发动机与LNG气瓶装置总成之间安装有隔热保温层。

第四种，一种分布式动力的地面压裂车，该压裂车包括：底盘；至少两台发动机，设置在所述底盘上；传动系统，设置在所述底盘上，与所述至少两台发动机连接，用于汇聚并传送所述发动机输出功率；增压机构，设置在所述底盘上，与所述传动系统连接。

第五种，一种撬装电动压裂系统，其中压裂泵传动系统包括电动机、前传动轴、变速箱、后传动轴、压裂泵，电动机与前传动轴连接，前传动轴与变速箱的输入轴连接，变速箱的主输出轴与后传动轴连接，后传动轴与压裂泵连接。本实用新型还提供了一种电动压裂撬，采用电机直接驱动压裂柱塞泵。

通过以上现有技术可以看出，现有地面压裂装备还存在以下问题和不足：

(1)燃料成本高：前四种技术均采用传统动力装置，即往复式柴油机和燃气涡轮动力，采用柴油和天然气作为燃料，无论在怠速状态下，还是在正常工作状态下，均有较高的燃料消耗，在压裂规模逐年增加的背景下，传统压裂装备暴露出单段改造时耗油或耗气量大、运行成本高等问题；(2)设备体积庞大：传统燃油或燃气动力装置，本身体积就很大，动力设备和压裂柱塞泵之间还需要变速箱进行动力转换与匹配，导致系统整体体积和重量大，对重卡、拖撬等承载底盘提出了苛刻要求；(3)环保性较差：传统压裂车在工作时会排放大量的氮氧化物、二氧化碳、烟尘等污染物，同时制造巨大的噪音，严重污染环境，随着压裂规模的提高，单个压裂机组的年均排放量在不断增加，环保压力很大；(4)运输性差：第五种技术通过“油改电”，推出了电动压裂技术，但由于采用撬装方式，设备的动迁运输需要专用的拖挂车，这就产生了额外的运输成本，影响了在现场的推广应用；(5)维保性不足：现有压裂机组除了压裂柱塞泵外，由于国产技术尚不过关，柴油/燃气动力、变速箱等以进口设备为主，采购、维保、备件等费用昂贵，供货周期较长，一定程度上影响了现场保障；(6)其它成本高：现有压裂机组要配备大量操作人员和维保人员，人工成本较高，另外，由于设备数量多，压裂机组占地面积大，产生了更多的征地费用。综上所述，传统压裂机组存在成本高、燃油经济性差、故障率高、进口关键部件供应受制约、环保性差等缺点。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种车载电动压裂系统，以解决现有技术中压裂装置存在的体积大、运输性差、环保性差、成本高的技术问题。该系统包括：

第一底盘；

柱塞压裂泵，设置在所述第一底盘上，用于进行压裂作业；

电机，设置在所述第一底盘上，所述电机与所述柱塞压裂泵上的减速器连接，所述电机用于驱动所述柱塞压裂泵；

第二底盘；

配电及变频装置，设置在所述第二底盘上，用于为所述电机供电；

电动配液车，用于获取压裂液，并将压裂液与化学剂混合后泵送至电动混砂撬；

所述电动混砂撬，用于获取支撑剂，并将支撑剂与所述电动配液车泵送的压裂液混合得到加砂压裂液，将加砂压裂液泵送至压裂管汇中；

所述压裂管汇，设置在所述第一底盘上，用于所述压裂管汇中的低压模块将所述电动混砂撬泵送的加砂压裂液输送给所述柱塞压裂泵增压，所述压裂管汇中的高压模块将所述柱塞压裂泵增压后的加砂压裂液通过地面管线打入井口。

在本实用新型实施例中，提出了设置第一底盘，柱塞压裂泵、电机和压裂管汇设置在第一底盘上，还设置了第二底盘，配电及变频装置设置在第二底盘上，即电动压裂系统中实现压裂的主要设备均设置在底盘上，实现了可车载的电动压裂系统，与现有技术相比，有利于提高压裂机组的移动性，更利于实现运迁运输，进而有利于提高压裂设备对压裂规模较小、井场分布稀疏的油气开发现场的适应性；此外，上述压裂机组实现的是电动压裂，即采用电机来直接驱动柱塞压裂泵，与现有技术中采用柴油机驱动压裂装备相比，可以省去变速装置，且且相同水马力机组，电机驱动与传统柴油机驱动装备相比所需设备数量少、本身体积相对较小，有利于压裂系统的体积减小、简化结构；此外，电机和配电及变频装置相对传统柴油机驱动压裂装备更易实现控制精确，响应迅速，排量、压力可无级调节，且取消了内燃机、变速箱等易损设备，电机和配电及变频装置技术成熟，相对性价比高，选择范围广，有利于降低压裂机组的购置成本，也有利于降低维护成本；同时，通过电驱动代替现有技术中的柴油机驱动，相对可以降低燃料成本、避免环境污染。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中：

图1是本实用新型实施例提供的一种车载电动压裂系统中电驱动压裂泵车的示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种车载电动压裂系统中配电和变频车的示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种车载电动压裂系统的压裂井场的布局示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种配电及变频装置的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的一种电气设备柜体的示意图。

电驱动压裂泵车1；电动配液车2；电动混砂撬3；电动仪表撬4；压裂管汇5；连续管作业及测井队作业设备6；液罐7；砂罐8；压裂指挥中心9；变频控制房10；高压开关房及配电房11；35/10kV变压器12；第一底盘13；第二底盘14；电气装置15；电机16；柱塞压裂泵17；电气设备柜体18；配电及变频装置19；进线开关20；低压配电单元21；变频器22；系统弱电控制单元23。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本实用新型做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

在本实用新型实施例中，提供了一种车载电动压裂系统，如图1、图2所示，该方法包括：

第一底盘13；

柱塞压裂泵17，设置在所述第一底盘13上，用于进行压裂作业；

电机16，设置在所述第一底盘13上，所述电机16与所述柱塞压裂泵17上的减速器连接，所述电机16用于驱动所述柱塞压裂泵17；

第二底盘14；

配电及变频装置19，设置在所述第二底盘14上，用于为所述电机16供电；

电动配液车2，用于获取压裂液，并将压裂液与化学剂混合后泵送至电动混砂撬3；

所述电动混砂撬3，用于获取支撑剂，并将支撑剂与所述电动配液车2泵送的压裂液混合得到加砂压裂液(如经混合、搅拌，将支撑剂和压裂液制成砂比、粘度、浓度等指标达到压裂工艺设计要求的砂压裂液)，将加砂压裂液泵送至压裂管汇5中；

所述压裂管汇5，设置在所述第一底盘13上，用于所述压裂管汇5中的低压模块将所述电动混砂撬3泵送的加砂压裂液输送给所述柱塞压裂泵17增压，所述压裂管汇中的高压模块将所述柱塞压裂泵17增压后的加砂压裂液通过地面管线打入井口。

由图1、图2所示可知，在本实用新型实施例中，提出了设置第一底盘13，柱塞压裂泵17、电机16和压裂管汇5设置在第一底盘上，还设置了第二底盘，配电及变频装置设置在第二底盘上，即电动压裂系统中实现压裂的主要设备均设置在底盘上，实现了可车载的电动压裂系统，与现有技术相比，有利于提高压裂机组的移动性，更利于实现运迁运输，进而有利于提高压裂设备对压裂规模较小、井场分布稀疏的油气开发现场的适应性；此外，上述压裂机组实现的是电动压裂，即采用电机来直接驱动柱塞压裂泵，与现有技术中采用柴油机驱动压裂装备相比，可以省去变速装置，且相同水马力机组，电机驱动与传统柴油机驱动装备相比所需设备数量少、本身体积相对较小，有利于压裂系统的体积减小、简化结构；此外，电机和配电及变频装置相对传统柴油机驱动压裂装备更易实现控制精确，响应迅速，排量、压力可无级调节，且取消了内燃机、变速箱等易损设备，电机和配电及变频装置技术成熟，相对性价比高，选择范围广，有利于降低压裂机组的购置成本，也有利于降低维护成本；同时，通过电驱动代替现有技术中的柴油机驱动，相对可以降低燃料成本、避免环境污染。

具体实施时，为了满足压裂机组的运输要求，上述第一底盘13、第二底盘14可以采用四轴重卡底盘，重卡底盘符合GB 1589-2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》所规定的技术要求，例如，重卡底盘为8X8形式，轴距1750+5450+1450毫米，配柴油机动力，额定功率为350kW，长度11.7m，宽度2.5m，高度3.9m，达到国6排放标准。

具体实施时，上述电机16可以采用大功率电机，例如，电机16的额定输出功率达到4000-4500HP，上述柱塞压裂泵17也可以采用大功率柱塞压裂泵，例如，柱塞压裂泵17为大功率五缸柱塞泵，额定输出水马力为4000HP，实现单机功率高，是传统2500型柴驱压裂车输出功率的2倍。

具体实施时，一支采用上述车载电动压裂系统的电驱压裂机组可以按需求选用如图1所示的电驱动压裂泵车和如图2所示的配电和变频车的数量，数量可以是一辆或多辆，例如，一支采用上述车载电动压裂系统的电驱压裂机组由10台电驱动压裂泵车和5台配电和变频车组成，总水马力可达到40000HP。

具体实施时，可以参考如图3所示的井场布局图实施上述车载电动压裂系统，如布置有电驱动压裂泵车1；电动配液车2；电动混砂撬3；压裂管汇5；连续管作业及测井队作业设备6；压裂指挥中心9；变频控制房10；高压开关房及配电房11；35/10kV变压器12，具体的，35/10kV变压器12可以单独布置在另一辆车或撬上，以满足相应的电气要求。

具体实施时，如图3所示，上述车载电动压裂系统还可以设置电动仪表撬4，来采集所述车载电动压裂系统的相关运行状态信息，例如，电动仪表撬4可以采集电机16的运行状态信息，还可以采集柱塞压裂泵17的动力端和液力端的相关数据。

具体的，电动仪表撬4可以通过压力传感器、温度传感器以及应变传感器等来采集车载电动压裂系统的相关运行状态信息，可实时采集各部件(泵头、柱塞、盘根、凡尔体和凡尔座等)的工作状态数据，为作业队制定合理的检泵方案与预防性维保措施提供重要依据，电动仪表撬4还可以控制压力传感器、温度传感器以及应变传感器，实现双向数据交换。

具体实施时，如图3所示，上述车载电动压裂系统还可以设置液罐7，来存放压裂液；砂罐8，用于存放支撑剂。

具体实施时，为了满足为电机16的供电需求，在本实施例中，如图4所示，配电及变频装置19包括：进线开关20，与高压母线连接；变频器22，与所述进线开关20和所述电机16连接，所述变频器22用于为所述电机16供电。

具体的，变频器22可以采用中压变频器(如3.3kV等级)、IGBT模块级联和闭环矢量控制技术。可以采用24脉整流技术、三电平逆变和串联H桥技术，并提供有效的谐波抑制和无功补偿功能。

具体实施时，为了满足井场其他电气设备的供电需要，在本实施例中，如图4所示，所述配电及变频装置19，还包括：

低压配电单元21，与所述进线开关20连接，所述低压配电单元21用于为所述车载电动压裂系统中除了所述电机之外的电气设备供电。例如，低压配电单元21可以实现空调、风扇、照明等供电，具体还可以提供220V的插座。

具体实施时，如图4所示，所述配电及变频装置19，还可以包括：系统弱电控制单元23，系统弱电控制单元23可以采用光纤传输介质，支持Profibus-DP、CanOpen、Can、Modubs、以太网、Profinet等现场总线协议。

具体实施时，在上述配电和变频车上，还可以为配电及变频装置19配有冷却、散热和通风单元，保证系统正常运行，各配电和变频车配有连接电缆。

具体实施时，可以设置电气设备柜体18，如图5所示，配电及变频装置19设置在所述电气设备柜体18中。

具体实施时，如图1所示，还包括：电气装置15，设置在所述第一底盘13上，与所述配电及变频装置19连接，所述电气装置用于为所述电机16提供电气保护，具体的，现场作业时电气装置15与配电和变频装置19相连，电气装置15为大功率电机16提供基本的稳压、抗雷击等保护和控制功能。

具体实施时，还可以设置减震装置，该减震装置分别设置在所述电机16和所述柱塞压裂泵17的底座上。

具体实施时，为了实现降噪隔音，还可以设置降噪隔音罩，用于覆盖所述电机16和所述柱塞压裂泵17进行降噪隔音。

具体实施时，如上述车载电动压裂系统输入功率因数大于0.96，输入谐波满足IEEE519的规定，输出频率范围0-90Hz，输出谐波<5％THDv(电压谐波)。系统转速控制精度为±0.1％(采用闭环矢量控制，有速度传感器)。抗过载性能方面，系统允许最高150％时过载10分钟。系统弱电控制采用光纤传输介质，支持Profibus-DP、CanOpen、Can、Modubs、以太网、Profinet等现场总线协议。系统具备多传动控制能力和失电跨越保护功能，可实现分布式多机同步与负荷实时均衡控制，瞬时断电不停机，降低对系统的冲击程度。配电和变频房19采用水冷冷却和换热方式。

上述车载电动压裂系统克服了传统柴油或燃气驱动压裂机组的缺点，可满足现场大规模体积改造的生产需求。该车载电动压裂系统具有如下特点：(1)车载方式：采用重卡底盘取代原有的压裂撬，具有自主运移能力，与现有技术相比，应用场地和领域显著拓展，可前往大型拖挂车无法进入的山地、黄土塬、丘陵等地区；(2)单机功率高：四轴重卡底盘最高可配备5000HP的电机和五缸柱塞泵，是传统2500型柴驱压裂车输出功率的2倍；(3)电气设备性能可靠：电气系统为紧凑的模块化设计，采用中压变频(3.3kV等级)、IGBT模块级联和矢量控制技术，各模块之间电磁兼容性好，车组到达现场后，各泵车、变频车和配电车之间可实现快速电气连接，满足现场大功率供电、变频调速、无功补偿等应用要求；(4)标准化设计：电气单元采用标准化柜体设计，满足散热、电磁兼容等要求。即该方案具有单机功率密度大、运输方便、作业效率高、国产化率高、供货维保性好、绿色环保等显著优点。

该方案可用于各类非常规、难动用油气资源的开发，包括致密油、致密气、页岩油、页岩气、煤层气藏的直井、水平井、斜井压裂、酸压、体积压裂施工，也可用于老油田的挖潜改造、重复压裂等作业。该方案应用于现场，可为油气田储层改造现场作业提供有效的技术支撑和装备保障，有利于提高油气井单井产量，将非常规油气资源储量尽快转变为产量和效益。因此，该方案具有很好的市场前景。

本实用新型实施例实现了如下技术效果：提出了设置第一底盘，柱塞压裂泵、电机和压裂管汇设置在第一底盘上，还设置了第二底盘，配电及变频装置设置在第二底盘上，即电动压裂系统中实现压裂的主要设备均设置在底盘上，实现了可车载的电动压裂系统，与现有技术相比，有利于提高压裂机组的移动性，更利于实现运迁运输，进而有利于提高压裂设备对压裂规模较小、井场分布稀疏的油气开发现场的适应性；此外，上述压裂机组实现的是电动压裂，即采用电机来直接驱动柱塞压裂泵，与现有技术中采用柴油机驱动压裂装备相比，可以省去变速装置，且且相同水马力机组，电机驱动与传统柴油机驱动装备相比所需设备数量少、本身体积相对较小，有利于压裂系统的体积减小、简化结构；此外，电机和配电及变频装置相对传统柴油机驱动压裂装备更易实现控制精确，响应迅速，排量、压力可无级调节，且取消了内燃机、变速箱等易损设备，电机和配电及变频装置技术成熟，相对性价比高，选择范围广，有利于降低压裂机组的购置成本，也有利于降低维护成本；同时，通过电驱动代替现有技术中的柴油机驱动，相对可以降低燃料成本、避免环境污染。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型实施例可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车载电动压裂系统，其特征在于，包括：

第一底盘；

柱塞压裂泵，设置在所述第一底盘上，用于进行压裂作业；

电机，设置在所述第一底盘上，所述电机与所述柱塞压裂泵上的减速器连接，所述电机用于驱动所述柱塞压裂泵；

第二底盘；

配电及变频装置，设置在所述第二底盘上，用于为所述电机供电；

电动配液车，用于获取压裂液，并将压裂液与化学剂混合后泵送至电动混砂撬；

所述电动混砂撬，用于获取支撑剂，并将支撑剂与所述电动配液车泵送的压裂液混合得到加砂压裂液，将加砂压裂液泵送至压裂管汇中；

所述压裂管汇，设置在所述第一底盘上，用于所述压裂管汇中的低压模块将所述电动混砂撬泵送的加砂压裂液输送给所述柱塞压裂泵增压，所述压裂管汇中的高压模块将所述柱塞压裂泵增压后的加砂压裂液通过地面管线打入井口。

2.如权利要求1所述的车载电动压裂系统，其特征在于，所述配电及变频装置，包括：

进线开关，与高压母线连接；

变频器，与所述进线开关和所述电机连接，所述变频器用于为所述电机供电。

3.如权利要求2所述的车载电动压裂系统，其特征在于，所述配电及变频装置，还包括：

低压配电单元，与所述进线开关连接，所述低压配电单元用于为所述车载电动压裂系统中除了所述电机之外的电气设备供电。

4.如权利要求1所述的车载电动压裂系统，其特征在于，还包括：

电气设备柜体，所述配电及变频装置设置在所述电气设备柜体中。

5.如权利要求1所述的车载电动压裂系统，其特征在于，还包括：

电动仪表撬，用于采集所述车载电动压裂系统的运行状态信息。

6.如权利要求5所述的车载电动压裂系统，其特征在于，所述电动仪表撬，包括：

压力传感器、温度传感器以及应变传感器。

7.如权利要求1至6中任一项所述的车载电动压裂系统，其特征在于，还包括：

电气装置，设置在所述第一底盘上，与所述配电及变频装置连接，所述电气装置用于为所述电机提供电气保护。

8.如权利要求1至6中任一项所述的车载电动压裂系统，其特征在于，还包括：

减震装置，设置在所述电机和所述柱塞压裂泵的底座上。

9.如权利要求1至6中任一项所述的车载电动压裂系统，其特征在于，还包括：

降噪隔音罩，用于覆盖所述电机和所述柱塞压裂泵进行降噪隔音。

10.如权利要求1至6中任一项所述的车载电动压裂系统，其特征在于，还包括：

液罐，用于存放压裂液；和/或

砂罐，用于存放支撑剂。

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