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低耗壓裂:解鎖雙燃料泵的正确操作

低耗壓裂:解鎖雙燃料泵的正确操作

今年上半年,在一次201級的壓裂作業,作業人員使用雙燃料泵,共節省了超過188,000加侖的柴油燃料,成本收益超過65萬美元。

編譯 | 驚蟄 影子

在水力壓裂作業中,液體燃料柴油是一項非常重大的開支。泵送速率和壓力增加的需求日益強烈,造成工作所需燃料量的迅猛增加。即使在産層之間的設備過度以及閑置階段,也會消耗大量燃料,這些大型發動機在空轉時消耗柴油約10加侖/小時。随着效率和産層長度的變化,在壓裂作業中,一台壓裂泵的柴油燃料使用量可超過20,000加侖/天。一種顯着降低燃料消耗的成熟方法是使用雙燃料泵操作,如果能夠正确執行,可以将壓裂所使用的柴油燃料量減少多達55%。

在本文中,“雙燃料”意味着柴油發動機可以采用柴油和天然氣的混合燃料組合。柴油發動機不能單獨使用天然氣,因為它需要柴油自燃,起到發動機中點燃混合燃料的火花塞作用,進而點燃天然氣。其主要原因是天然氣的自燃溫度遠遠高于柴油。

在發動機改善方面,Caterpillar、Cummins和MTU都為其Tier II發動機提供轉換套件,滿足混合燃料的應用。當發動機速度和負載參數給定時,這些改良發動機可實現高達70%的柴油替代率。在低速率和低功率條件下,發動機一般不使用天然氣。這些發動機可以在僅使用柴油和雙燃料操作之間無縫切換,如果發動機上的天然氣系統出現問題或天然氣供應中斷,可以防止不必要的作業中斷和停機。

目前來看,必須具備以下條件才能實現最佳、最具成本效益的雙燃料運行:

• 雙燃料運行轉換的單個壓裂作業需要至少8個能夠使用天然氣運行的雙燃料泵;
• 天然氣的壓力和可用容量均需滿足要求;
• 天然氣質量必須滿足要求,發動機運行可用天然氣質量需要在800—1250Btu之間。

低耗壓裂:解鎖雙燃料泵的正确操作

影響降本的因素

有幾個因素會影響雙燃料泵的降本效率,主要包括:是否有足夠的氣體供應、氣體質量是否滿足發動機運行要求。

根據泵設備的配置方式,天然氣源需要能夠以3,681—4,247立方米/小時(130,000 cf /hr—150,000cf/hr)的速度,60—150 psi的壓力條件下輸送,以确保每台發動機運行有足夠的天然氣。反之,如果天然氣壓力太低,發動機将恢複全柴油運行。

目前的雙燃料發動機可以使用各種燃料,包括油田天然氣(無需預處理),以及管道天然氣(經加工處理)。決定天然氣是否适用的關鍵特性,是要防止其在發動機發生提前自燃和爆震問題。提前自燃是發動機中燃料(即空氣-燃料混合物)的異常(即不受控制)燃燒。爆震是指空氣-燃料混合物正常燃燒之後,汽缸中殘留的未燃燒燃料在空氣的自燃。在這兩種情況下,氣缸内溫度和壓力會迅速增加,可能會對發動機造成損害,導緻活塞環、活塞孔、氣缸蓋等部件的損壞。

混合燃料防止提前點火和爆炸的能力以甲烷值(MN)衡量,混合發動機所需的最小MN值取決于每個發動機的特性。如果可用天然氣不能滿足最小MN,則可以通過第三方服務改善天然氣質量,減少重質烴含量,增加MN值并降低燃料的Btu。

提前自燃和爆震是限制發動機中可用天然氣量的主要因素。随着提前自燃或爆震幾率增加,在使用混合燃料時,發動機就要減少天然氣用量,從而達到控制混合燃料燃燒性能的目的,防止這兩種問題發生。

混合燃料泵工作的整體效率可能對壓裂作業效率産生影響。這些發動機在低速期間不使用天然氣,而低功率操作效率階段是影響整體燃料替代效果和成本節省的主要因素。因此,延長工作時間會使天然氣用量增加,并顯著減少柴油用量,從而導節約柴油的應用。

發動機性能也是影響燃氣代替柴油效果的因素之一。與僅使用柴油的發動機相比,雙燃料發動機對異常狀況更敏感。此外,混合燃料發動機還增加了許多組件,包括傳感器、開關和閥門等,需要額外的關注和維護工作。

低耗壓裂:解鎖雙燃料泵的正确操作

表中數據顯示了雙燃料泵運行狀況,包括壓裂級數,平均産層長度以及柴油節約情況等

作業人員需求

作業人員素質對雙燃料泵操作的成功與否至關重要。雙燃料發動機增加了作業複雜性,這就要求現場人員更多地關注發動機狀況,并解決出現的問題以保持良好的燃料替代率。

Universal Pressure Pumping(UPP)公司要求需要同時配備手動和遠程激活緊急關閉(ESD)閥,并可以從遠程“數據車”控制。UPP還明确要求需要使用硬質屏障,例如600磅的混凝土塊,以保護暴露的天然氣管線免受車輛交通等影響。該公司還要求在開始雙燃料操作之前完成特定的工作授權程序,包括驗證ESD是否有效、确保所有障礙物和标志都已到位,并且在作業開始之前和泵送操作開始後,每個班次開始前完成所需的洩漏檢查。

UPP于2012年開始實施雙燃料泵的操作運轉,第一次作業中隻應用了一個改良壓裂泵,目前該公司有五種燃料轉換泵用于雙燃料操作。迄今為止,該公司已經完成了超過10,300級雙燃料壓裂段作業,為開發商累積節省了超過7.3 MMgal的柴油燃料,相當于為客戶節省了超過2,510萬美元。

今年4月,在賓夕法尼亞州的UPP工作人員完成了一個201級的壓裂作業,燃料平均替換率為54%,為客戶節省柴油450加侖/小時。整個工作完成後,節省了超過188000加侖的柴油燃料,成本收益超過65萬美元。

綜上,雙燃料壓裂操作提供了減少柴油消耗的契機。根據美國能源情報署的預計,2020年前零售柴油價格将保持相對平穩,不太可能出現柴油成本降低的機會。實際作業已經證明,UPP的雙燃料操作可以顯着降低柴油消耗,從而降低客戶成本。

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