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低耗压裂:解锁双燃料泵的正确操作

低耗压裂:解锁双燃料泵的正确操作

今年上半年,在一次201级的压裂作业,作业人员使用双燃料泵,共节省了超过188,000加仑的柴油燃料,成本收益超过65万美元。

编译 | 惊蛰 影子

在水力压裂作业中,液体燃料柴油是一项非常重大的开支。泵送速率和压力增加的需求日益强烈,造成工作所需燃料量的迅猛增加。即使在产层之间的设备过度以及闲置阶段,也会消耗大量燃料,这些大型发动机在空转时消耗柴油约10加仑/小时。随着效率和产层长度的变化,在压裂作业中,一台压裂泵的柴油燃料使用量可超过20,000加仑/天。一种显着降低燃料消耗的成熟方法是使用双燃料泵操作,如果能够正确执行,可以将压裂所使用的柴油燃料量减少多达55%。

在本文中,“双燃料”意味着柴油发动机可以采用柴油和天然气的混合燃料组合。柴油发动机不能单独使用天然气,因为它需要柴油自燃,起到发动机中点燃混合燃料的火花塞作用,进而点燃天然气。其主要原因是天然气的自燃温度远远高于柴油。

在发动机改善方面,Caterpillar、Cummins和MTU都为其Tier II发动机提供转换套件,满足混合燃料的应用。当发动机速度和负载参数给定时,这些改良发动机可实现高达70%的柴油替代率。在低速率和低功率条件下,发动机一般不使用天然气。这些发动机可以在仅使用柴油和双燃料操作之间无缝切换,如果发动机上的天然气系统出现问题或天然气供应中断,可以防止不必要的作业中断和停机。

目前来看,必须具备以下条件才能实现最佳、最具成本效益的双燃料运行:

• 双燃料运行转换的单个压裂作业需要至少8个能够使用天然气运行的双燃料泵;
• 天然气的压力和可用容量均需满足要求;
• 天然气质量必须满足要求,发动机运行可用天然气质量需要在800—1250Btu之间。

低耗压裂:解锁双燃料泵的正确操作

影响降本的因素

有几个因素会影响双燃料泵的降本效率,主要包括:是否有足够的气体供应、气体质量是否满足发动机运行要求。

根据泵设备的配置方式,天然气源需要能够以3,681—4,247立方米/小时(130,000 cf /hr—150,000cf/hr)的速度,60—150 psi的压力条件下输送,以确保每台发动机运行有足够的天然气。反之,如果天然气压力太低,发动机将恢复全柴油运行。

目前的双燃料发动机可以使用各种燃料,包括油田天然气(无需预处理),以及管道天然气(经加工处理)。决定天然气是否适用的关键特性,是要防止其在发动机发生提前自燃和爆震问题。提前自燃是发动机中燃料(即空气-燃料混合物)的异常(即不受控制)燃烧。爆震是指空气-燃料混合物正常燃烧之后,汽缸中残留的未燃烧燃料在空气的自燃。在这两种情况下,气缸内温度和压力会迅速增加,可能会对发动机造成损害,导致活塞环、活塞孔、气缸盖等部件的损坏。

混合燃料防止提前点火和爆炸的能力以甲烷值(MN)衡量,混合发动机所需的最小MN值取决于每个发动机的特性。如果可用天然气不能满足最小MN,则可以通过第三方服务改善天然气质量,减少重质烃含量,增加MN值并降低燃料的Btu。

提前自燃和爆震是限制发动机中可用天然气量的主要因素。随着提前自燃或爆震几率增加,在使用混合燃料时,发动机就要减少天然气用量,从而达到控制混合燃料燃烧性能的目的,防止这两种问题发生。

混合燃料泵工作的整体效率可能对压裂作业效率产生影响。这些发动机在低速期间不使用天然气,而低功率操作效率阶段是影响整体燃料替代效果和成本节省的主要因素。因此,延长工作时间会使天然气用量增加,并显著减少柴油用量,从而导节约柴油的应用。

发动机性能也是影响燃气代替柴油效果的因素之一。与仅使用柴油的发动机相比,双燃料发动机对异常状况更敏感。此外,混合燃料发动机还增加了许多组件,包括传感器、开关和阀门等,需要额外的关注和维护工作。

低耗压裂:解锁双燃料泵的正确操作

表中数据显示了双燃料泵运行状况,包括压裂级数,平均产层长度以及柴油节约情况等

作业人员需求

作业人员素质对双燃料泵操作的成功与否至关重要。双燃料发动机增加了作业复杂性,这就要求现场人员更多地关注发动机状况,并解决出现的问题以保持良好的燃料替代率。

Universal Pressure Pumping(UPP)公司要求需要同时配备手动和远程激活紧急关闭(ESD)阀,并可以从远程“数据车”控制。UPP还明确要求需要使用硬质屏障,例如600磅的混凝土块,以保护暴露的天然气管线免受车辆交通等影响。该公司还要求在开始双燃料操作之前完成特定的工作授权程序,包括验证ESD是否有效、确保所有障碍物和标志都已到位,并且在作业开始之前和泵送操作开始后,每个班次开始前完成所需的泄漏检查。

UPP于2012年开始实施双燃料泵的操作运转,第一次作业中只应用了一个改良压裂泵,目前该公司有五种燃料转换泵用于双燃料操作。迄今为止,该公司已经完成了超过10,300级双燃料压裂段作业,为开发商累积节省了超过7.3 MMgal的柴油燃料,相当于为客户节省了超过2,510万美元。

今年4月,在宾夕法尼亚州的UPP工作人员完成了一个201级的压裂作业,燃料平均替换率为54%,为客户节省柴油450加仑/小时。整个工作完成后,节省了超过188000加仑的柴油燃料,成本收益超过65万美元。

综上,双燃料压裂操作提供了减少柴油消耗的契机。根据美国能源情报署的预计,2020年前零售柴油价格将保持相对平稳,不太可能出现柴油成本降低的机会。实际作业已经证明,UPP的双燃料操作可以显着降低柴油消耗,从而降低客户成本。

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