Возможность применения электро-ГРП на российских месторождениях в первую очередь определяется экономическими факторами, связанными с энергоснабжением операций гидроразрыва и логистикой доставки топлива. Значительная часть месторождений Российской Федерации расположена в удаленных и труднодоступных районах, включая север Западной Сибири, Восточную Сибирь и арктические регионы. В таких условиях доставка дизельного топлива для работы традиционных флотов гидроразрыва пласта требует сложной транспортной логистики и сопровождается значительными затратами. Поставки топлива часто осуществляются на большие расстояния автомобильным транспортом или по сезонным зимним дорогам, что существенно увеличивает его фактическую стоимость на месторождении и оказывает влияние на себестоимость операций гидроразрыва пласта.
Дополнительной особенностью проведения гидроразрыва является то, что такие работы нередко выполняются на новых кустовых площадках, где промышленная инфраструктура еще не сформирована. На ранних этапах разработки месторождений, как правило, отсутствуют газосборные сети и объекты подготовки газа, необходимые для транспортировки попутного нефтяного газа. В результате добываемый на скважинах газ не всегда может быть вовлечен в систему сбора и транспортировки. В этих условиях применение электро-ГРП с использованием мобильных газотурбинных или газопоршневых установок позволяет использовать попутный нефтяной газ в качестве топлива непосредственно на площадке проведения работ и снижать потребность в доставке дизельного топлива на удаленные объекты.
Следует отметить, что потенциал применения электро-ГРП не ограничивается только удаленными месторождениями. На ряде объектов нефтегазовой отрасли уже существует развитая энергетическая инфраструктура, включая электрические сети и мощности для утилизации попутного нефтяного газа. В таких условиях возможно применение полностью электрических флотов гидроразрыва пласта с питанием от существующих энергосетей без использования мобильной генерации. Такой подход позволяет отказаться от дизельных двигателей в составе флота, упростить энергетическую схему оборудования и повысить эффективность эксплуатации техники за счет централизованного энергоснабжения. Кроме того, применение электрических приводов насосных агрегатов позволяет использовать более компактные и мощные установки по сравнению с дизельными аналогами. За счет большей удельной мощности электродвигателей и более эффективной передачи энергии становится возможным снижение количества насосных агрегатов, необходимых для обеспечения требуемых параметров закачки, что приводит к уменьшению числа единиц техники на площадке и упрощению организации работ.
Таким образом, актуальность применения технологий электро-ГРП на российских месторождениях определяется совокупностью экономических факторов, включая высокую стоимость доставки дизельного топлива на удаленные объекты, ограниченность инфраструктуры на новых кустовых площадках, возможность использования попутного нефтяного газа в качестве локального энергетического ресурса, а также потенциал применения полностью электрических флотов на месторождениях с развитой энергетической инфраструктурой.
Что такое электрический ГРП: определение и границы термина
Электрический гидроразрыв пласта (электрический ГРП) – это способ реализации операций ГРП, при котором энергетическая база технологического комплекса построена на электрическом приводе основного и вспомогательного оборудования. В отличие от традиционного флота, где насосы высокого давления приводятся дизельными двигателями внутреннего сгорания через трансмиссию, в электрическом ГРП механическая мощность на насосах формируется электрическими двигателями с частотно-регулируемым управлением.
Электроэнергия при этом подается либо от промышленной сети, либо от автономных источников мобильной/промысловой генерации (газотурбинных, газопоршневых или комбинированных), а электрификации могут подвергаться не только насосы высокого давления, но и смесительные установки, системы гидратации, дозирования реагентов, а также часть вспомогательных агрегатов.
В техническом смысле электрический ГРП – это технологическая схема организации комплекса оборудования для проведения операций гидроразрыва пласта, где энергия проходит цепочку преобразований: источник энергии → производство электроэнергии → распределение электроэнергии → преобразование частоты/напряжения → электродвигатель → потребитель (насос) → механическая/гидравлическая энергия (давление/подача).
Краткая история технологии
Ранние промышленные упоминания электрического флота
Одними из первых, кто запатентовал и впоследствии успешно испытал концепцию электрификации флота гидроразрыва, стала компания U.S. Well Services LLC. Поданная в конце 2012 года заявка на патент «System for Pumping Hydraulic Fracturing Fluid Using Electric Pumps» стала отправной точкой для развития концепции электрификации флота ГРП для всей мировой нефтегазовой отрасли [1]. Позже технология получила торговое название Clean Fleet.
Опытно-промышленные испытания по интенсификации добычи прошли в июле 2014 года в бассейне Marcellus (Марселлус) на нетрадиционном сланцевом коллекторе, эксплуатируемом компанией Antero Resources [2]. В качестве основных предпосылок и аргументов для перехода на новый тип флота USWS декларировали значительное снижение количества выбросов парниковых газов и уровня шума от работы дизельных агрегатов, а также значительное снижение затрат на топливо за счет перехода с дизельных двигателей, работающих в паре с трансмиссией обеспечивающих работу насосов высокого давления, на электрические насосы, использующие в качестве источника генерации двухтопливную систему или мобильную газовую турбину [3].
В годовом отчете U.S. Well Services за 2019 год компания указала совокупный объем выполненных стадий гидроразрыва «электрическими парками», равный более 8 500 стадий с момента первых испытаний Clean Fleet в 2014 году [4]. Позже, в ноябре 2022 года USWS была куплена нефтесервисной компанией ProFrac Holding Corp, оказывающей услуги американским ВИНК по заканчиванию скважин и стимуляции пласта методом ГРП, а также имеющей свое производство пропантов и специализированного насосного оборудования (в том числе электрических насосов высокого давления) [5].
К 2019–2022 гг. электрический ГРП окончательно перешел из стадии экспериментальной идеи в зону практического интереса крупнейших нефтесервисных компаний. Halliburton вошла в сегмент электрических флотов и к 2021 году совместно с партнерами разработала насосный модуль ZEUS мощностью 6 000 гидравлических л.с., а также продемонстрировала работоспособность концепции, выполнив 340 стадий ГРП с питанием от электросети [6]. Параллельно NOV и NexTier развивали систему Ideal eFrac, ориентированную на гибкое подключение к различным источникам энергии, включая сеть, турбогенераторы, газопоршневые станции и накопители, что подчеркнуло универсальность подхода [7]. Отдельным направлением эволюции в 2021–2022 гг. стало появление «двойных» насосных прицепов с двумя независимыми электрическими линиями: примером стала Nyx Clean Fleet компании U.S. Well Services, где на одном прицепе были размещены два независимо управляемых электродвигателя и два насоса суммарной мощностью 6 000 гидравлических л.с. [8].
Параллельно с развитием электрического ГРП в Северной Америке аналогичное направление в начале 2020-х годов активно формировалось и в Китае. К разработке электрических флотов гидроразрыва приступили сразу несколько крупных производителей нефтесервисного оборудования, среди которых наиболее заметны Jereh Group, Honghua Group и KERUI Group. Jereh представила линейку IntelliFrac с электрическими насосными агрегатами и интегрированными системами управления, включая модуль JR7000QPE, рассчитанный на работу в составе полностью электрических флотов и совместимый с различными источниками энергоснабжения [9]. Honghua разработала комплект all-electric fracturing equipment с электрическими насосными агрегатами мощностью около 6000 л.с. и интегрированными системами управления, ориентированными на проекты добычи сланцевого газа [10]. KERUI, в свою очередь, заявила о создании «electric-drive fracturing equipment» мощностью до 8000 л.с., включая интеллектуальные электрические насосные установки для электрических флотов ГРП [11]. Важной особенностью китайского опыта стало то, что развитие электро-ГРП шло не только через частные машиностроительные компании, но и при участии крупных государственных нефтегазовых структур: в частности, Sinopec Oilfield Equipment Corporation сообщала о разработке «full-electric fracturing packages» для месторождений с низкопроницаемыми коллекторами и проектов по сланцевому газу [12]. Таким образом, к началу 2020-х годов рынок электро-ГРП в США и Китае перешел от стадии единичных прототипов к формированию повторяемых инженерных решений и продуктовых линеек с унифицированными энергетическими системами и расширяющимся набором источников энергоснабжения.
Технологический состав флотов ГРП
Типовой состав стандартного флота ГРП
Стандартный флот ГРП, представленный на рисунке 1, является полностью автономным технологическим комплексом, в котором вся установленная мощность формируется за счет дизельных приводов. Типовая конфигурация включает 3–5 насосных агрегатов мощностью порядка 2000–2500 л.с. каждый, что в сумме дает 10 000 л.с. (~ 8 МВт) установленной мощности.
Помимо насосного парка, в состав флота входят: блок манифольдов высокого давления, смесительная установка (блендер), системы подачи и дозирования химических реагентов, гидратационные установки, парк емкостей и станция контроля. Каждый из этих элементов, как правило, оснащен собственным дизельным приводом, что приводит к значительному количеству единиц двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на площадке.
Ключевая особенность дизельного флота – его энергетическая независимость. Он не требует внешних источников энергии и может быть оперативно развернут практически на любом объекте. Это делает его базовым решением для удаленных месторождений и проектов с ограниченной инфраструктурой.
При этом в эксплуатации выявляется ряд устойчивых ограничений. Во-первых, высокий удельный расход топлива, особенно в режимах неполной загрузки. Во-вторых, ограниченная управляемость: регулирование подачи и давления осуществляется ступенчато и зависит от механических характеристик ДВС.
Рисунок 1. Схема стандартного (дизельного) флота ГРП, мощностью 10 000 л.с.
Типовой состав электрического флота ГРП
Электрический флот ГРП, представленный на рисунке 2, является развитием классической схемы, в которой дизельные приводы насосов заменены на электродвигатели средней или высокой мощности. Каждый насосный агрегат формируется как модуль: электродвигатель – редуктор (или прямой привод) – насос высокого давления.
Ключевой особенностью от стандартного флота ГРП является возможность применения более мощных за счет электрического привода насосных агрегатов. При такой вариации флота, в независимости от источника питания, такую же мощность 10 000 л.с. создают не четыре, а два агрегата.
В отличие от дизельного флота, электрическая схема позволяет централизовать выработку энергии:
- Питание от локальной генерации (газотурбинная электростанция/газопоршневая электростанция 8 МВт.): помимо источника локальной генерации также потребуется наличие накопителей энергии, блоков преобразователей частоты, автоцистерн СПГ, а также установки газоподготовки СПГ.
- Питание от промышленной сети 6–35 кВ: при данном варианте потребуется установка блоков преобразования частоты и трансформаторной подстанции.
Основное ограничение электрического флота – необходимость организации устойчивого энергоснабжения, что увеличивает сложность подготовки площадки.
Рисунок 2. Схема электрического флота ГРП, мощностью 10 000 л.с.
Типовой состав гибридного флота ГРП
Гибридный флот ГРП, представленный на рисунке 3, является промежуточным технологическим решением между классическим дизельным и полностью электрическим флотом. Его основная идея заключается в одновременном использовании различных источников энергии и типов привода в рамках единого технологического комплекса. На практике это означает, что часть оборудования продолжает работать на дизельных двигателях, а часть переводится на электропривод с питанием от локальной генерации или сети.
Наиболее распространенная конфигурация гибридного флота включает сочетание дизельных насосных агрегатов с электрическими насосами. При этом электрическая часть обеспечивает базовую или регулируемую нагрузку, а дизельные агрегаты используются как резерв или для покрытия пиковых режимов. Такой подход позволяет сохранить существующий парк техники и поэтапно наращивать долю электрификации без полной замены оборудования.
В части вспомогательного оборудования гибридные схемы часто реализуются через перевод на электропривод смесительных, гидратационных и насосных систем низкого давления. Это относительно простой шаг, который позволяет снизить количество малых дизельных двигателей на площадке и повысить общую энергоэффективность без существенного усложнения инфраструктуры.
Ключевая особенность гибридного флота – его гибкость. В зависимости от условий месторождения и доступности энергоресурсов возможно перераспределение нагрузки между дизельной и электрической частью. Например, при наличии газа имеет смысл максимально загружать электрическую генерацию, оставляя дизель как резерв. В удаленных районах, наоборот, основная нагрузка может оставаться на дизельной части.
С точки зрения эксплуатации гибридный подход позволяет снизить расход дизельного топлива, уменьшить выбросы и частично сократить затраты на обслуживание, при этом не вводя жестких требований к внешней энергетической инфраструктуре. Также повышается отказоустойчивость системы за счет наличия двух независимых энергетических контуров.
В целом гибридный флот можно рассматривать как практический переходный этап. Он позволяет адаптировать существующие мощности под новые требования, снизить зависимость от дизельного топлива и постепенно перейти к полной электрификации без резкого увеличения капитальных затрат и технологических рисков.
Рисунок 3. Схема гибридного флота ГРП мощностью 10 000 л.с.
Чем отличаются типовой, электрический и гибридный флоты
Типовой дизельный флот обеспечивает автономность, но имеет высокий удельный расход топлива и ограниченную управляемость. Электрический флот требует устойчивого электроснабжения, но позволяет укрупнить насосные модули, сократить количество техники и повысить качество регулирования. Гибридный флот представляет собой переходную конфигурацию, в которой энергетические преимущества электропривода сочетаются с эксплуатационной гибкостью дизельной части.
Особенности электрификации флота ГРП
Переход к электрическому приводу насосов высокого давления в составе флота ГРП меняет архитектуру насос-моторной линии: основные инженерные риски смещаются от двигателя внутреннего сгорания в сторону силовой электроники, качества электроснабжения и управления динамическими режимами.
В типовой электрической схеме механическая мощность на плунжерном насосе формируется по цепочке, приведенной на рис.: [BV2] (1) источник электроэнергии, (2) распределение среднего напряжения, (3) преобразователь частоты (с контурами управления по расходу, давлению и мониторингом состояния узлов), (4) электродвигатель, (5) насос высокого давления.
Рисунок 4. Общая структура цепочки формирования механической мощности насоса высокого давления
Для таких систем характерны высокая установленная мощность, резкопеременные режимы и требования к устойчивой работе на длительных стадиях, поэтому на практике закрепился подход с применением среднего напряжения 6–10 кВ, позволяющий снизить токи, потери и габариты кабельного хозяйства. Ключевую роль играет частотное регулирование, обеспечивающее плавное изменение подачи, точное поддержание давления и более эффективное распределение нагрузки между насосами. Отказоустойчивость при этом должна обеспечиваться на трех уровнях: насосного модуля, силовой части привода и системы питания, с использованием резервирования по схеме N+1, модульной архитектуры преобразователей и логики надежности, близкой к принципу n–1 для источников и распределительного оборудования.
Выбор варианта электроснабжения электрического флота ГРП определяется доступной мощностью, динамикой нагрузки, условиями размещения и нормативными ограничениями. Наиболее предпочтительной по топливной независимости является сетевая схема с питанием от сети 35/6 (10) кВ через мобильную подстанцию или распределительное устройство, однако ее применение ограничивается возможностью технологического присоединения, требованиями к качеству электроэнергии и наличием соответствующей инфраструктуры. Альтернативой выступает мобильная генерация: газопоршневые электростанции удобны с точки зрения маневренности и резервирования, но требуют большего числа агрегатов и усложняют эксплуатацию; газотурбинные установки выгодны при высокой и стабильной нагрузке, однако менее эффективны при частичных режимах, характерных для ГРП. Накопители энергии в таких схемах целесообразно рассматривать не как самостоятельный источник питания, а как динамический буфер мощности, позволяющий сглаживать провалы напряжения и частоты, снижать требования к маневренности первичной генерации и более гибко подбирать состав генерирующего оборудования.
Применимость технологии под условия российских добычных активов
В рамках проработки вариантов внедрения электрических и гибридных флотов был выполнен предварительный отбор месторождений с учетом технологических параметров операций, доступности энергоресурсов и требований к установленной мощности флота. По результатам анализа объекты были условно разделены на три характерные зоны, различающиеся как по режимам проведения ГРП, так и по целесообразности применения различных типов флотов.
Зона 1 включает месторождения с типовыми параметрами ГРП: давление в диапазоне 40–60 МПа и объемы закачки пропанта 30–80 тонн. Требуемая мощность флота составляет порядка 8 МВт. Для таких условий характерен устойчивый, но достаточно «тяжелый» режим работы, при этом инфраструктура энергоснабжения, как правило, ограничена. С практической точки зрения наиболее рациональным решением здесь остается стандартный дизельный флот, обеспечивающий необходимую автономность и устойчивость к внешним ограничениям. В то же время при наличии частично доступной энергетической инфраструктуры или топливного газа может быть рациональным применение гибридных флотов, позволяющих снизить расход топлива и нагрузку на оборудование без потери операционной гибкости.
Зона 2 охватывает объекты с более мягкими условиями проведения ГРП: давление, как правило, не превышает 40 МПа, операции носят эпизодический характер, а объемы закачки относительно невелики. Требуемая мощность флота находится на уровне около 5 МВт. В таких условиях применение электрических решений экономически и организационно затруднено, поскольку эффект от снижения эксплуатационных затрат не компенсирует усложнение схемы энергоснабжения. На практике здесь целесообразно использование компактных дизельных флотов, обеспечивающих минимальные затраты на развертывание и высокую мобильность.
Зона 3 включает наиболее сложные объекты, характеризующиеся наличием аномально высоких пластовых давлений, большими объемами и давлениями закачки (до 75 МПа), а также высокой интенсивностью операций. В таких условиях электрические и гибридные флоты становятся наиболее перспективными. Высокая установленная мощность и длительные циклы работы позволяют эффективно использовать преимущества электропривода – более точное управление режимами, снижение удельного расхода топлива и уменьшение нагрузки на оборудование. При наличии газа появляется возможность организации собственной генерации, что делает электрическую схему не только технически, но и экономически обоснованной.
Проведенное зонирование показывает, что выбор типа флота ГРП должен определяться не только технологическими параметрами операции, но и энергетическим контуром месторождения. Дизельные решения остаются базовыми для большинства объектов, тогда как электрические и гибридные флоты целесообразны прежде всего на высоконагруженных активах с доступом к газу или электрической сети, а также длительной программой работ.
Заключение
За последнее десятилетие электрический гидроразрыв пласта прошел путь от редкого опытного решения до устойчивого направления развития флотов ГРП. Международная практика уже показала несколько работоспособных вариантов: питание от электросети, питание от локальной газовой генерации и комбинированные схемы с накопителями энергии. Новые решения 2024–2026 годов подтверждают, что электрификация затрагивает уже не только насосные агрегаты, но и значительную часть вспомогательного оборудования.
Для российских условий ключевой вопрос состоит не в том, нужен ли электрический ГРП как таковой, а в том, на каких объектах его применение действительно даст заметный экономический результат. Наиболее перспективны активы с высокой интенсивностью операций, длительной программой работ и доступом либо к электросети, либо к газу. На месторождениях со слабой инфраструктурой и короткими кампаниями приоритет в ближайшей перспективе, вероятнее всего, сохранится за дизельными флотами.
Наиболее реалистичным сценарием для российского рынка выглядит не резкий переход к полностью электрическому флоту, а поэтапная гибридизация. На первом этапе целесообразна электрификация вспомогательных систем и части насосного парка, затем подключение стандартизованных мобильных генерирующих установок с блоками подготовки топливного газа, и только после накопления практического опыта и достаточного уровня развития инфраструктуры – развертывание полноценных мобильных газовых энергокомплексов большой мощности. Такой подход позволяет снизить технологические риски и перевести тему электрического ГРП из области общих дискуссий в плоскость прикладных инженерных решений.
Для перехода от обсуждения технологии к ее промышленной апробации требуется не только появление самих электрических насосов, но и формирование понятной и унифицированной энергетической архитектуры. Прежде всего необходимы опытно-промышленные испытания на объектах разных типов: с сетевым питанием, с использованием попутного нефтяного газа и локальной генерации, а также на объектах, где оправдана только частичная электрификация. Без такой практической базы невозможно получить достоверные данные по отказам, расходу топлива, времени развертывания и свертывания оборудования, а также по особенностям сервисной модели.
Не менее важна унификация технических решений: уровней напряжения, требований к мобильным подстанциям, логики резервирования, кабельных соединений, состава защит и систем управления. Если каждый проект будет собираться как уникальная схема под конкретный объект, электрический ГРП еще долго будет оставаться дорогим и сложным инженерным экспериментом.
Наконец, для ускорения внедрения необходима модель, при которой сервисная компания поставляет заказчику не отдельные элементы оборудования, а готовый энергетический контур под требуемый режим работы флота. В этом случае заказчик получает не набор разрозненных технических средств, а услугу с гарантированными параметрами пуска, режима, резервирования и обслуживания. Именно такой подход способен создать основу для более широкого распространения электрического и гибридного ГРП в российских условиях.
Литература
1. System for Pumping Hydraulic Fracturing Fluid Using Electric Pumps
2. Antero Resources. Antero Resources Third Quarter 2014 Operations Update
3. Clean Fleet® Reduces Emissions by 99 % at Hydraulic Fracturing Sites
5. ProFrac Holding Corp. ProFrac Holding Corp. Closes on U.S. Well Services, Inc. Acquisition
6. Halliburton Delivers First Successful Grid-Powered Fracturing Operation
7. NexTier Announces Successful Field Testing of NOV Electric Frac System
8. U.S. Well Services Announces Next-Generation Nyx Clean Fleet® Pump
9. IntelliFrac Electric Fracturing Equipment // Jereh Energy Equipment & Technologies Co., Ltd
10. Honghua Group. Power Engineering Services / All-Electric Fracturing Services
11. Electric Drive Fracturing Equipment
12. Sinopec Oilfield Equipment Corporation. SOFE Provides Equipment Support for Ultra-deep Oil and Gas Resource
