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La fratturazione elettrica sta diventando un'alternativa importante alla fratturazione convenzionale azionata da diesel nell'estrazione di petrolio e gas di scisto. Rispetto alle apparecchiature diesel, i sistemi di fratturazione elettrica offrono un controllo della pompa più preciso, un'elevata densità di potenza e opportunità per ridurre il consumo di carburante, il rumore e le emissioni.
Tuttavia, le operazioni di fratturazione impongono requisiti impegnativi all'alimentazione e al sistema di propulsione. Cambiamenti rapidi di carico, fluttuazioni della pressione di aspirazione, funzionamento della pompa ad alta pressione e accesso limitato alla rete possono tutti influire sull'affidabilità delle apparecchiature.
IlVFD e sistema di accumulo di energia per fratturazione elettricafornisce un approccio integrato a queste sfide. Un azionamento a frequenza variabile ad alta tensione (VFD) regola la velocità del motore e l'uscita della pompa, mentre un sistema di accumulo energetico ad alta tensione aiuta a mantenere l'equilibrio di potenza e supporta un funzionamento stabile in applicazioni in cui la rete non è disponibile o insufficiente.
Le tecnologie di elettronica di potenza di FGI supportano le applicazioni di fratturazione elettrica combinando il controllo dei motori, la conversione di potenza e la gestione dell'energia per ambienti petroliferi impegnativi.
La fratturazione idraulica è ampiamente utilizzata per migliorare la produzione di petrolio e gas naturale da formazioni sotterranee. Il processo consiste nell'iniettare fluido di fratturazione in un pozzo a pressione e portata controllate per creare fratture nella formazione rocciosa bersaglio, migliorando il flusso degli idrocarburi.
Un'operazione tipica prevede perforazione, registrazione dei pozzi, valutazione dei pozzi, cementamento, perforazione e infine fratturazione. Durante la fase di fratturazione, pompe ad alta pressione forniscono fluido continuamente al pozzo secondo le esigenze del processo di trattamento.
Le tradizionali apparecchiature di fratturazione azionate a diesel si affidano a motori diesel per alimentare queste pompe. Le apparecchiature elettriche di fratturazione invece utilizzano motori elettrici controllati da azionamenti a frequenza variabile.
L'approccio della trasmissione elettrica offre diversi vantaggi pratici:
Controllo preciso del flusso e della pressione:La velocità del motore può essere regolata in base alle esigenze operative variabili.
Alta densità di potenza:I sistemi di propulsione elettrica possono supportare attrezzature di pompaggio ad alta potenza con esigenze di spazio impegnative.
Riduzione delle emissioni e del rumore locale:I motori elettrici eliminano le emissioni di scarico nel punto di utilizzo e possono ridurre il rumore di funzionamento rispetto alle apparecchiature azionate a diesel.
Flessibilità operativa migliorata:I parametri di trasmissione possono essere regolati per adattarsi a diversi requisiti di pompaggio.
Integrazione con l'accumulo di energia:L'accumulo di energia a batteria può aiutare a bilanciare la domanda di energia e a sostenere la stabilità dell'approvvigionamento.
Questi vantaggi rendono la fratturazione elettrica un'opzione interessante per gli operatori di giacimenti petroliferi che cercano una maggiore efficienza operativa e configurazioni di sistema elettrico più flessibili.
Il sistema VFD ad alta tensione è un componente chiave di uno skid elettrico fratturante. La sua funzione principale è regolare la velocità e la coppia del motore elettrico che aziona la pompa a pistoni ad alta pressione.
Nell'architettura a cascata descritta in questa applicazione, l'alimentatore in ingresso è collegato a un trasformatore a spostamento di fase. Molteplici avvolgimenti secondari forniscono circa 690 V AC alle singole celle di potenza. Ogni cella contiene un raddrizzatore trifase e un circuito di filtraggio a collegamento DC, seguito da uno stadio inverter.
Le celle di alimentazione sono collegate in serie sul lato di uscita per formare un azionamento ad alta tensione a cascata.
Questa configurazione utilizza la rettificazione multi-impulsi a sfasamento per migliorare le caratteristiche della corrente di ingresso. Con n avvolgimenti secondari, il conteggio teorico degli impulsi di rettificazione è 6n nella configurazione corrispondente. Rispetto a un raddrizzatore convenzionale a sei impulsi, un sistema multi-impulso progettato correttamente può ridurre le armoniche della corrente di ingresso.
L'uscita a cascata produce anche una forma d'onda a tensione a gradini che può approssimare una forma d'onda sinusoidale, supportando il funzionamento del motore in applicazioni ad alta potenza.
Le principali considerazioni ingegneristiche includono le prestazioni armoniche in ingresso, la qualità della forma d'onda in uscita, i requisiti di isolamento del motore, la gestione termica e la capacità di mantenere un funzionamento stabile sotto carichi variabili.
Le operazioni di fratturazione elettrica possono utilizzare più pattini a pompa con diversi requisiti di potenza. Il sistema di trasmissione deve quindi adattarsi a diverse disposizioni motorie senza compromettere la flessibilità operativa.
Nella configurazione di fratturazione elettrica della classe 8.000 descritta nello studio ingegneristico originale, la disposizione di trasmissione supporta due modalità operative:
Funzionamento indipendente:Un'unità di trasmissione può azionare due motori da 4.500 kW, soggetti alla configurazione operativa specificata e ai limiti di carico.
Operazione parallela:Due unità di trasmissione possono essere azionate in parallelo per azionare un motore da 9.000 kW, quando supportate dal design del sistema.
La disposizione appropriata dipende dalle capacità nominali dei motori, dalla topologia del trasmissione, dalla configurazione dei controlli e dai requisiti operativi.
Questa flessibilità può aiutare gli operatori a configurare le apparecchiature di azionamento per diverse applicazioni di pompaggio e migliorare l'utilizzo di apparecchiature elettriche ad alta potenza.
La pompa a sturalavandini è responsabile di erogare il fluido di frattura nel pozzo alla pressione e portata richieste. Il suo movimento reciprocante attira il fluido nella camera della pompa e poi lo scarica verso la testa del pozzo.
Regolando la velocità del motore tramite un VFD, il sistema può regolare l'uscita della pompa per soddisfare i requisiti di processo variabili.
Le operazioni di fratturazione effettive raramente sono costanti. La pressione in fondo al pozzo può variare durante il trattamento, l'approvvigionamento di fluido proveniente dall'attrezzatura di miscelazione a monte può fluttuare e le restrizioni nella conduttura di aspirazione possono ridurre la quantità di fluido che entra nella pompa.
Queste condizioni possono causare cambiamenti improvvisi nel carico del motore. In alcuni casi, il motore deve anche avviarsi o operare sotto pressione di processo elevata, a seconda del sistema di pompaggio e della procedura operativa.
Un VFD adatto richiede quindi più di una semplice regolazione della velocità. Deve inoltre fornire risposte di controllo appropriate a disturbi del carico e a cambiamenti nelle condizioni di processo.
Una riduzione improvvisa del carico può creare un rischio di sovratensione in un azionamento a frequenza variabile.
Ad esempio, quando l'approvvigionamento di fluido a monte diventa insufficiente, la pompa a pistone può subire una rapida diminuzione del carico. Le condizioni operative del motore cambiano e l'energia restituita al collegamento DC del disco può causare un aumento della tensione del collegamento DC. Se la tensione supera la soglia di protezione, il disco può scattare e interrompere le operazioni di fratturazione.
La funzione di prevenzione dello stallo da sovratensione aiuta ad affrontare questa condizione.
Il sistema di controllo monitora la tensione DC link delle celle di alimentazione di trasmissione. Quando la tensione si avvicina a una soglia configurata, il controller effettua una regolazione appropriata della frequenza di uscita per aiutare a stabilizzare la tensione del collegamento DC ed evitare scattature di sovratensione inutili.
Questa funzione è particolarmente rilevante per le applicazioni di fratturazione perché le condizioni di alimentazione dei fluidi e i carichi della pompa possono variare rapidamente.
La sua efficacia dipende dalla configurazione del motore, dalle impostazioni dei parametri, dalle caratteristiche di carico e dalle condizioni di messa in servizio.
Il controllo vettoriale fornisce un metodo per regolare in modo indipendente la coppia e la velocità del motore attraverso il controllo coordinato dei componenti della corrente del motore.
Nell'architettura di controllo descritta nello studio ingegneristico, il sistema utilizza un circuito esterno di controllo della velocità e un circuito interno di controllo della corrente. I controllori PI regolano gli errori di controllo, mentre le correnti trifase misurate vengono trasformate in un sistema di riferimento rotante utilizzando trasformazioni di Clarke e Park.
Il controllore calcola i comandi di tensione richiesti, che vengono convertiti in segnali di modulazione a larghezza d'impulso (PWM) per azionare i dispositivi di potenza inverter.
Questa struttura di controllo supporta il funzionamento reattivo dei motori in condizioni di carico variabili. Permette inoltre al motore di regolare la velocità del motore con maggiore precisione rispetto a una strategia di controllo a anello aperto di base.
Per la fratturazione elettrica, l'obiettivo pratico è mantenere la potenza di pompaggio richiesta rispondendo alle variazioni di pressione del fluido, condizioni di aspirazione e domanda di processo.
La strategia di controllo finale dovrebbe essere scelta in base alle caratteristiche del motore, alla dinamica della pompa e all'inviluppo operativo richiesto.
Le risorse di petrolio e gas di scisto si trovano spesso in bacini remoti e regioni montuose dove potrebbe non esserci una connessione alla rete affidabile.
In queste località, i generatori a turbina a gas possono fornire elettricità in loco, utilizzando combustibili come gas naturale liquefatto (GNL) o gas naturale compresso (CNG), a seconda della configurazione del progetto e dell'infrastruttura del combustibile.
Rispetto alle sistemazioni convenzionali di generatori diesel, la generazione di energia basata su turbine a gas può offrire vantaggi in termini di densità di potenza, configurazione delle apparecchiature ed emissioni locali. Le prestazioni effettive dipendono dalla tecnologia del generatore, dal carburante, dalle condizioni operative e dai requisiti del sito.
Tuttavia, carichi di fratturazione ad alta potenza possono imporre richieste considerevoli a un'alimentazione isolata. I cambiamenti nella domanda di pompaggio possono creare una discrepanza tra generazione istantanea e consumo.
Un sistema di accumulo di energia ad alta tensione può aiutare a gestire questo disallineamento caricando quando è disponibile energia in eccesso e scaricando quando è necessaria energia aggiuntiva, entro i limiti della batteria e dell'apparecchiatura di conversione di potenza.
IlVFD e sistema di accumulo di energia per fratturazione elettricaPertanto, affronta due esigenze complementari: il funzionamento controllato del motore all'estremità di pompaggio e il bilanciamento della potenza all'estremità dell'alimentazione.
Un tipico sistema di accumulo energetico ad alta tensione include assemblaggi batterie, un sistema di gestione delle batterie (BMS), un sistema di gestione dell'energia (EMS) e un sistema di conversione di potenza (PCS).
Sistema a batteria
Le batterie al fosfato di litio e ferro (LFP) sono comunemente utilizzate in applicazioni di accumulo energetico stazionario. Più celle vengono assemblate in pacchi batterie e raggruppate in cluster batterie per raggiungere la tensione e la capacità energetica richieste.
La configurazione finale della batteria dipende dalla potenza nominale del progetto, dalla capacità energetica richiesta, dalla durata operativa e dal design della sicurezza.
Sistema di Gestione della Batteria (BMS)
Il BMS monitora le condizioni di funzionamento della batteria, inclusi tensione, corrente e temperatura. Aiuta a proteggere la batteria da condizioni di funzionamento anomale, come sovraccariche e scarica eccessiva, e supporta il monitoraggio dello stato della batteria e la sicurezza operativa.
Sistema di Gestione dell'Energia (EMS)
L'EMS coordina la generazione di energia, l'accumulo di energia e i carichi elettrici. In un sistema con più generatori o unità di accumulo, può gestire i comandi di ricarica e scarica in base alla potenza disponibile, alla domanda di carico e alle strategie operative configurate.
Per un sistema di potenza a frattura isolata, la strategia di controllo può essere progettata per coordinare l'uscita del generatore con la batteria, aiutando a mantenere l'equilibrio tra generazione e consumo.
Sistema di Conversione di Potenza (PCS)
Il PCS fornisce una conversione di potenza bidirezionale tra il lato DC della batteria e il sistema di alimentazione AC. Converte l'alimentazione AC in DC durante la ricarica e la corrente DC in AC durante la scarica.
Le capacità di valutazione e controllo PCS devono essere adattate alla risposta di potenza, alla tensione di sistema e alle caratteristiche operative del generatore richieste.
I sistemi di accumulo energetico ad alta tensione possono essere progettati per diversi livelli di tensione di rete, inclusi 6 kV, 10 kV e 35 kV, a seconda dell'applicazione.
Un'architettura di accumulo energetico ad alta tensione a cascata può offrire diversi vantaggi ingegneristici:
Collegamento diretto a un bus ad alta tensione compatibile:Un sistema adatto può collegarsi senza un trasformatore separato di tensione tra il convertitore e il bus specificato.
Conversione modulare di potenza:Più celle di potenza possono essere coordinate per raggiungere la tensione di uscita e la potenza nominale richieste.
Monitoraggio e controllo a livello cellulare:Le singole celle di potenza possono essere monitorate per supportare la gestione del sistema e la gestione dei guasti.
Regolazione rapida della potenza:Il convertitore può rispondere a variazioni di comandi di potenza attiva entro i suoi limiti di controllo e apparecchiatura.
Potenzialmente migliorata disponibilità operativa:I progetti ridondanti o capaci di bypass possono aiutare a mantenere il funzionamento quando si verifica una condizione di guasto supportata.
Dispatch energetico coordinato:L'EMS può coordinare l'uscita di più unità di stoccaggio e generatori per supportare il bilancio energetico complessivo.
Questi benefici dipendono dalla topologia effettiva del sistema, dal design della protezione, dalla strategia di controllo e dalle condizioni operative. I requisiti del trasformatore devono essere valutati rispetto all'intera architettura elettrica e non dedotti solo dalla tensione nominale.
Per le operazioni di fratturazione elettrica, il VFD e il sistema di accumulo di energia svolgono funzioni diverse ma complementari.
Il VFD regola la velocità e la coppia del motore in risposta alle esigenze di pompaggio. Il sistema di accumulo energetico gestisce l'equilibrio tra la produzione disponibile e la domanda elettrica.
Quando integrato con la generazione a turbine a gas, l'intero sistema può essere progettato attorno ai seguenti principi di funzionamento:
Il generatore fornisce l'energia elettrica primaria per l'apparecchiatura di fratturatura.
Il VFD regola il funzionamento del motore in base alla velocità, pressione e condizioni di portata richieste dalla pompa.
L'EMS monitora il bilanciamento energetico e coordina la carica e la scarica della batteria.
Il PCS scambia energia tra la batteria e il sistema AC secondo la strategia di controllo configurata.
Il BMS monitora le condizioni delle batterie e applica i relativi limiti operativi.
Il generatore, il VFD, il convertitore di accumulo e i sistemi di protezione coordinano le loro risposte ai cambiamenti di carico e alle condizioni operative anomale.
La sequenza specifica dei controlli dipende dal progetto di progettazione. Durante l'integrazione del sistema devono essere considerate le classificazioni di potenza, la capacità energetica della batteria, la velocità di rampa del generatore, la risposta transitoria, il coordinamento della protezione e la comunicazione di controllo.
Una configurazione adeguatamente progettata può aiutare a ridurre l'impatto delle fluttuazioni di carico sul sistema elettrico isolato e migliorare la flessibilità delle operazioni di fratturazione ad alta potenza.
La selezione di un sistema VFD e di accumulo energetico per la fratturazione elettrica richiede una valutazione sia dell'attrezzatura di pompaggio sia dell'alimentazione elettrica.
Considerazioni importanti di progettazione includono:
| Fattore ingegneristico | Considerazione chiave |
|---|---|
| Valutazione motore | Potenza nominale, tensione, corrente e requisiti di avviamento |
| Intervallo di funzionamento della pompa | Condizioni di flusso, pressione, velocità e carico transitorio richieste |
| Topologia VFD | Armonici di ingresso, forma d'onda di uscita, prestazioni di controllo e protezione |
| Capacità del generatore | Uscita continua, risposta transitoria e riserva operativa |
| Energia di accumulo energetico | Potenza massima di carica e scarica richiesta |
| Capacità energetica della batteria | Durata di scarica richiesta e riserva energetica |
| Tensione di sistema | Compatibilità con il generatore e il bus di distribuzione ad alta tensione |
| Coordinamento EMS | Distribuzione del generatore, comandi di alimentazione delle batterie e gestione del carico |
| Protezione e sicurezza | Protezione elettrica, monitoraggio delle batterie, risposta ai guasti e spegnimento d'emergenza |
| Condizioni del sito | Temperatura ambiente, polvere, limitazioni di trasporto, accesso alla manutenzione e requisiti ambientali |
Le valutazioni di potenza e energia dovrebbero essere determinate dal profilo di carico del sito e dagli scenari operativi. Un sistema con sufficiente capacità energetica può comunque richiedere una potenza più alta per gestire picchi di breve durata, mentre una batteria ad alta potenza con capacità energetica insufficiente potrebbe non sostenere la durata di supporto richiesta.
Per questo motivo, il progetto dovrebbe valutare sia i kilowatt (kW) che i megawatt (MW) e i kilowattora (kWh) o i megawattora (MWh).
La fratturazione elettrica impone requisiti rigorosi sul controllo del motore, la stabilità dell'alimentazione e l'affidabilità delle apparecchiature. I VFD ad alta tensione forniscono regolazione della velocità del motore e del controllo della coppia per pompe a pistoni ad alta pressione, mentre lo stoccaggio di energia ad alta tensione può supportare il bilanciamento della potenza in località remote dove l'accesso alla rete è limitato.
L'integrazione di un VFD e di un sistema di accumulo energetico per la fratturazione elettrica offre un quadro pratico per coordinare le attrezzature di pompaggio, la produzione in loco e l'accumulo a batteria. La tecnologia di azionamento a cascata, il controllo vettoriale, la prevenzione dello stallo da sovratensione, la gestione delle batterie e il dispatch energetico contribuiscono ciascuno alla progettazione complessiva del sistema.
Per gli operatori dei giacimenti petroliferi e gli appaltatori ingegneristici, la soluzione più adatta dipende dalle caratteristiche della pompa, dalla capacità del generatore, dalla domanda di potenza transitoria, dalla durata dello stoccaggio e dalle condizioni operative del sito.
FGI sviluppa soluzioni di elettronica di potenza per azionamenti di motori industriali e applicazioni di accumulo energetico. Abbinando le tecnologie di trasmissione e di accumulo ai requisiti del progetto, i sistemi di alimentazione dei campi petroliferi possono essere progettati per supportare un funzionamento più flessibile, una gestione efficace dell'energia e le esigenze in evoluzione della fratturazione elettrica.
Un azionamento a frequenza variabile regola la velocità e la coppia del motore elettrico che aziona una pompa a sturalavandini ad alta pressione. Questo permette al sistema di pompaggio di regolare la propria potenza in base alle esigenze di processo variabili e di rispondere alle perturbazioni del carico.
L'accumulo di energia può aiutare a bilanciare la produzione e la domanda di elettricità, soprattutto in siti remoti senza una connessione alla rete affidabile. Quando è adeguatamente dimensionata e controllata, può fornire energia aggiuntiva durante periodi di domanda elevata e assorbire energia in eccesso quando disponibile.
Sì, alcune architetture di accumulo energetico ad alta tensione a cascata possono collegarsi direttamente a un bus ad alta tensione compatibile senza un trasformatore aggiuntivo all'interfaccia del convertitore. La fattibilità dipende dalla topologia del convertitore, dalla tensione nominale, dal design dell'isolamento e dalla configurazione complessiva del sistema elettrico.
Il BMS monitora le condizioni della batteria e i limiti di protezione. L'EMS coordina la generazione di energia, lo stoccaggio e la domanda di carico. Il PCS converte l'energia elettrica tra il lato DC della batteria e il sistema di alimentazione AC.
I fattori chiave includono la domanda di picco di potenza, le fluttuazioni di carico, la risposta del generatore, la durata di scarica richiesta, la potenza di ricarica disponibile, i limiti di funzionamento della batteria e il livello desiderato di supporto di alimentazione.
La fratturazione elettrica può offrire un controllo motore più preciso, alta densità di potenza, riduzione delle emissioni locali di scarico e un rumore di funzionamento inferiore. I benefici economici e ambientali complessivi dipendono da fonti di elettricità o combustibile, efficienza delle attrezzature, utilizzo e condizioni del sito.
Questo articolo si basa sullo studio ingegneristico di azionamenti a frequenza variabile e sistemi di accumulo di energia ad alta tensione per applicazioni di fratturazione elettrica, condotto da ingegneri di WindSun Science & Technology Co., Ltd. Le configurazioni tecniche descritte riflettono lo studio originale e devono essere validate rispetto a progetti specifici di progetto prima dell'implementazione ingegneristica.
