用天然气加压压裂为油田服务重新定义井场动力锁紧垫圈

用天然气加压压裂：为油田服务重新定义井场动力

2017年8月24日，哈维飓风袭击德克萨斯州墨西哥湾沿岸海岸线中部，风速高达145英里/小时，预计降雨量超过36英里。随着风暴临近登陆，该团队将在Evolution Well Services正忙于评估最佳行动计划--Harvey的预计路径直接面向Eagle Ford页岩中新部署的发电和压裂设备。

人事决定很容易; 现场人员迅速击倒舱口并迅速疏散到安全地点不确定的时间，不知道风暴的严重程度，长度或后果是什么okmart.com。然而，新装造的设备仍然闪烁着新鲜的银色斑点涂料，并不会那么幸运。做出了决定 - 舰队将要渡过它所站立的风暴。

哈维过去两天后，机组人员重新部署到井场。他们发现的是令人难以置信的; 对任何设备都没有明显的损坏。该团队花了一天时间完成安全检查，确保所有系统在当晚晚些时候“继续”恢复压裂作业。天然气管线被打开，为定制的涡轮发电机供电，此后不久，电流就流向泵拖车，搅拌机和现场的辅助设备。泵送操作恢复，并开始照常营业， 图1。

FRACS的替代燃料

当时没有意识到的是，盆地中的大多数其他压裂舰队仍然无法运作，而且它们将不会持续很多天或数周。这种情况证实了电动压裂的关键价值 - 从连续柴油供应中断到地点的绝缘。哈维对墨西哥湾沿岸地区的原油精炼和燃料物流造成了重大破坏。在哈维进场的这个星期三，休斯顿以东110英里处，美国最大的原油炼油厂决定关闭一段不确定的时间。据CNBC报道，美国20％的炼油能力被风暴脱机。

当其他压力抽油机焦急地等待柴油卡车到达Eagle Ford及其他地区的井场时，Evolution正逐步完成客户井的阶段。该服务采用获得专利的定制发电组件完成，仅由直接从当地现场采集线拉出的天然气提供燃料。在这种特殊情况下，燃料源距离仅10码远。

这个故事让人想起Evolution在2010年加拿大不列颠哥伦比亚省开始的方式和原因。那时，正在计划大型Kitimat液化天然气出口设施。附近的霍恩河流域拥有未开发的储备，可以为该设施供水，并且需要完井才能恢复。一旦确定这些井可以产生足够的天然气来为一批压裂设备提供燃料，很明显有一个机会可以实施一项新技术。

地理位置，恶劣气候和计划运营的偏远位置增加了燃料供应持续中断的风险，在传统水力压裂船队的情况下，通常是连续的柴油油轮（今天的压裂每天大约6个）设计）。因此，Evolution开始探索如何使用Horn River油气来为压裂作业提供燃料，从而消除了向远程位置持续输送柴油的需求。

在这个概念阶段，该公司为可扩展的电动压裂系统申请了他们的第一项专利，该系统使用天然气来产生现场电力。

激活井筒

最初的技术使用了通用电气的交钥匙燃气轮机发电机组：GE TM2500 +。该套件提供32兆瓦的移动发电容量，并成功为Evolution的2016年至2018年的第一批商用车队提供动力。

目前的系统是为了缩短井场之间的移动时间而开发的，这需要花费4到7天的时间。这意味着每月将近四分之一的时间由非营业时间组成。任何时候在井场之间动员设备都意味着损失了美元。非生产时间实际上至关重要，它以分钟而非小时的间隔记录。

优化发电包。 为了最大限度地提高效率并增加正常运行时间，重新设计了发电包，为水力压裂和其他油田应用提供了更加坚固，可快速部署的包装。

重新设计产生了定制发电包和创建附属实体Dynamis Power Solutions， 图2。 Dynamis和Evolution使用GE LM2500 + G4涡轮发动机设计，获得专利并制造了六个定制涡轮发电机组件。2018年，该发动机的可靠性等级为99.9％。发电机组具有高功率密度，其道路法律尺寸为36兆瓦（约48,000马力）。这些包装使平均垫移动时间缩短了50％以上，使客户能够比以前更快地在线生产井两到四天。

在2019年2月的应用中，涡轮机停机，动员到8英里外的位置，装配和向机队分配动力的过程仅在14小时内完成。

完成压裂舰队。 发电解决方案为设计压裂船队的其余部分开辟了新的机会。由于抽水拖车不再需要为每个泵提供动力所需的传统动力传动系（柴油发动机和随附的变速箱），因此每辆拖车上都有大量的空间来做一些真正独特的事情。

最新一代的泵拖车包含一个带有双轴的7,000马力的电动机。双轴的每一端直接连接到3,500马力的压裂泵。典型的压裂车队在8辆泵拖车上安装了56,000马力的马力。

控制和自动化。 控制泵拖车运行的先进控制逻辑在两台3,500 hhp压裂泵上采用了平衡过程。这大大减少了整个装置的水力谐波振动。变频器基本上控制车队中的每个电动机。这种控制不仅可以为电机速度提供无限的可调节性（以及随后的泵速 - 这意味着在泵送时不再需要在齿轮之间进行选择），但它还提供了更高效的动力使用，并为增强的自动化和诊断能力奠定了基础。来自变频驱动器的各种数据流在操作期间被监视，并且通常在事件之前预测组件故障。当需要进行常规泵维护时，

为所有抽水拖车供料的是定制搅拌机，其中包含两个独立的混合系统，每个系统的速率为120 bpm。在双混合装置上加入250桶的水化槽，也消除了对外部水化装置的需求。这提供了混合操作的灵活性，以在一个拖车框架的占地面积内执行几乎任何工作设计。

安全隐患。 工程控制是第一道防线，最终，避免伤害的最有效方法是让人们远离伤害。Evolution的定制IMPACT数据货车允许整个车队从数据车内的安全位置运行。这辆面包车在现场延伸到三个独立的操作层，可以舒适地容纳客户的代表和整个压裂人员，这是传统压裂人员的一半。

这些装置以及组成车队的其他定制组件均由Dynamis涡轮发电机组产生的电力供电。发电机产生13,800 V电压，在分配到现场所有过程设备之前通过定制开关设备供电， 如图3所示。

设计的演变

最新一代设备将接地电缆数量从59个减少到16个，将所有电源和通信线路捆绑成一个电缆。该系统使用定制设计的电路保护插头和插座来连接每个设备。这减少了绊倒的危险，节省了成本和维护，并减少了装配所需的时间。

减少对环境的影响。 压裂船队的占地面积是传统水力压裂船队的50％。在垫尺寸特别小的某些盆中，减小的占地面积使得能够在不增大垫尺寸的情况下进行泵送操作。这种能力表明，从理论上讲，井场可以建造得更小，减少对环境的影响以及对周围社区的影响。

一个绿色的替代品

除了通过天然气而非柴油（通常每个车队每月100万美元到200万美元）为压裂车队提供燃料所节省的燃料，排放情况和其他健康，安全和环境因素实现了广泛的改进。自成立以来，Evolution已将大约450,000磅的一氧化碳排放到大气中，并且碳氢化合物排放（包括甲烷）比美国环保署于2016年3月制定的Tier IV最终非道路压缩点火标准低95％ ， 图4。

来自油田作业的甲烷。 甲烷排放的主题最近一直是业界关注的焦点，并且有充分的理由。虽然美国环保署将二氧化碳作为温室气候变暖潜能值（GWP）的参考点，其值为1，相比之下，甲烷的GWP范围从28到36不等。这肯定不是高分获胜的游戏。

大气影响。 简而言之，GWP是一个结合两个不同因素的指标：辐射效率，它是化合物能吸收多少能量的量度; 和大气中的一生。虽然CO 2可以在大气中徘徊一千年以上，甲烷通常仅驻留有大约10年。然而，甲烷的辐射效率要高得多，基本上使它成为地球的温暖毯子。虽然该行业自1990年以来大幅减少了甲烷排放量，但天然气系统仍然是美国此类排放量的第二大来源类别

E＆P致力于减少排放。 还有其他驱动因素，用于捕获从全球石油和天然气运营中逃逸的甲烷。据“新闻周刊”报道，53％的美国公司将高管薪酬与旨在提高环保性的业绩目标挂钩。就在十年前，这个数字还不到10％。

减少浪费的燃料。 此外，2016年是美国历史上第一次天然气推动的电力生产比煤炭更多; 34％来自天然气原料，30％来自煤炭。大多数人都同意未来可能以任何重大方式放松排放标准的共识，这意味着天然气可能会在近中期内在电力生产中发挥越来越大的作用。因此，将这些操作逃逸到大气中的所有甲烷都可视为溢出的燃料; 没有为不断增长的人口的需求而生产可用的电力。

将精益原则应用于完成

在行业中，效率至关重要的时候，提供柴油的过程仍然包含经典六西格玛原则中包含的八种废物中的四种; 运动，等待，运输和额外处理。

柴油来自哪里？ 让我们来看看在压裂作业中用作柴油燃料的碳氢化合物分子的旅程。碳氢化合物分子改变位置和监管链的次数是多少？它从E＆P公司的井口开始; 接下来它被交付给中游公司; 然后转移到一个控股设施; 然后到炼油厂; 然后回到一个控股设施; 然后到配送架; 然后是一家零售商将其运回井场，然后最终将其卖回给E＆P公司。

涟漪效应。 柴油罐车的排放量如何，向远程井场提供燃料（更不用说柴油精炼过程本身的能源强度）？自2016年开始商业运营以来，Evolution已经保存了将近1400万加仑的柴油。这相当于超过3,300辆油罐车行程， 如图5所示。 此外，Evolution压裂车队所包含的拖车数量不到传统压裂车队数量的一半，这意味着拖拉机每次移动时拖拉设备的数量减少50％。

从环境角度来看，这不仅有益，而且安全和民用基础设施也受到影响。根据劳工统计局的最新报告，卡车司机和送货工人的工作场所死亡率最高。

消除热燃料。 一旦燃料卡车抵达井场为常规柴油动力设备提供燃料，危险尚未过去。当泵送操作正在发生时，用柴油给压裂工艺设备加油被称为“热燃料”。标准传统压裂泵拖车的设计以及大量设备通常停放的事实在井场上非常紧密地结合在一起，对参与热燃烧过程的个体造成健康和安全风险。

将这些因素与手头的极大量可燃液体以及进行此项操作的频率（每天在全国数百个压裂站点上）以及潜在灾难风险相结合。在过去的15年里，压裂地点发生了数十起设备火灾，其中绝大多数都指向热燃料作业。每次火灾都会对健康，安全和环境造成风险，并造成巨大的资本破坏。仅在2018年，由于井场火灾导致压裂设备损失，北美压力泵的保险索赔额超过1亿美元。

安静的技术

在德克萨斯州北部的Barnett页岩等地区，许多完井作业需要按照“仅限日光”的时间表运行，严格地说是由于传统的压裂车队和相关服务产生的噪音。目前在俄克拉荷马城附近工作的一名运营商最近联系了Evolution，因为当地居民向当地国会议员发出了许多关于来自附近井场的噪音过大的投诉。传统的柴油压裂车队的噪音水平为110分贝或更高。OSHA职业噪声暴露标准要求在8小时时间加权噪声水平超过85 dB的任何时候佩戴听力保护装置。Evolution的机队速度为85 dB或更低。

为了减少压裂车队可能造成的破坏，该公司为每个动力组件设计和制造了定制排气设备，大大降低了运行期间的噪音，使其符合目前公布的所有北美噪音标准。

从这项技术发展到底有什么变化？

最近，Dynamis和Evolution致力于通过向每个地点的其他服务提供商提供发电来改善井场运营。

为辅助井场服务供电。 计划是扩大作为其他辅助服务（如电缆，水输送和化学混合）的现场供电商的能力，包括定制电动抽空装置的设计和制造，计划在第二部署25美分硬币。

最近，Evolution与Solaris油田基础设施合作，扩展了天然气燃料电力，用于Solaris砂输送系统，而不是利用传统的柴油发电机供电。这是在短时间内完成的，因为Solaris还使用电动机，组件和控制器，所有这些都在变频驱动器上，通常由他们自己的480V三相发电机供电。

热量捕获。 最近添加到列表中的另一个专利申请概述了设计，以捕获来自涡轮发电机的废热，并将该能量重新用于热交换器，该热交换器可用于在寒冷天气情况下加热水以进行压裂操作。热力学计算预测水将以100℉的速率加热30°F。

数据分析。 所有这些操作都是通过今年在德克萨斯州伍德兰兹开设的联合Evolution和Dynamis运营卓越中心进行远程监控，并且在合理的情况下实现自动化。该空间是目前正在进行的所有数据分析，预测性维护和人工智能项目的任务控制。

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