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La fracturation électrique devient une alternative importante à la fracturation conventionnelle actionnée par le diesel dans l’extraction de pétrole et de gaz de schiste. Comparés aux équipements diesel, les systèmes de fracturation électrique offrent un contrôle de la pompe plus précis, une densité de puissance élevée et des opportunités de réduction de la consommation de carburant, du bruit et des émissions.
Cependant, les opérations de fracturation imposent des exigences exigeantes à l’alimentation électrique et au système de transmission. Des variations rapides de charge, des fluctuations de pression d’aspiration, le fonctionnement à haute pression de la pompe et un accès limité au réseau peuvent tous affecter la fiabilité des équipements.
LeVFD et système de stockage d’énergie pour la fracturation électriquepropose une approche intégrée à ces défis. Un variateur de fréquence variable haute tension (VFD) régule la vitesse du moteur et la sortie de la pompe, tandis qu’un système de stockage d’énergie haute tension aide à maintenir l’équilibre de puissance et soutient un fonctionnement stable dans les applications où le réseau est indisponible ou insuffisant.
Les technologies d’électronique de puissance de FGI soutiennent les applications de fracturation électrique en combinant le contrôle moteur, la conversion de puissance et la gestion de l’énergie pour des environnements pétrolifères exigeants.
La fracturation hydraulique est largement utilisée pour améliorer la production de pétrole et de gaz naturel à partir de formations souterraines. Le procédé consiste à injecter un fluide de fracturation dans un puits à pression et débit contrôlés afin de créer des fractures dans la formation rocheuse cible, améliorant ainsi l’écoulement des hydrocarbures.
Une opération typique implique le forage, la journalisation des puits, l’évaluation des puits, le cimentage, la perforation, puis enfin la fracturation. Pendant la phase de fracturation, les pompes à haute pression livrent du fluide en continu vers le puits selon les exigences du procédé de traitement.
Les équipements de fracturation traditionnels actionnés par le diesel reposent sur des moteurs diesel pour alimenter ces pompes. Les équipements de fracturation électrique utilisent à la place des moteurs électriques contrôlés par des variateurs de fréquence.
L’approche de la propulsion électrique offre plusieurs avantages pratiques :
Contrôle précis du débit et de la pression :La vitesse du moteur peut être ajustée pour s’adapter aux besoins de fonctionnement changeants.
Densité de puissance élevée :Les systèmes d’entraînement électriques peuvent supporter des équipements de pompage à haute puissance dans des contraintes d’espace exigeantes.
Réduction des émissions locales et du bruit :Les moteurs électriques éliminent les émissions d’échappement au point d’utilisation et peuvent réduire le bruit de fonctionnement par rapport aux équipements diesel.
Flexibilité d’exploitation améliorée :Les paramètres de l’entraînement peuvent être ajustés pour répondre à différents besoins de pompage.
Intégration avec le stockage d’énergie :Le stockage d’énergie par batterie peut aider à équilibrer la demande d’énergie et à soutenir la stabilité de l’alimentation.
Ces avantages font de la fracturation électrique une option attrayante pour les exploitants pétrolifères recherchant une meilleure efficacité opérationnelle et des configurations de systèmes électriques plus flexibles.
Le système VFD haute tension est un composant clé d’une patte de fracturation électrique. Sa fonction principale est de réguler la vitesse et le couple du moteur électrique entraînant la pompe à piston haute pression.
Dans l’architecture de commande en cascade décrite dans cette application, l’alimentation entrante est connectée à un transformateur à décalage de phase. Des enroulements secondaires multiples fournissent environ 690 V CA à chaque cellule de puissance. Chaque cellule contient un redresseur triphasé et un circuit de filtration à liaison continue, suivi d’un étage inverseur.
Les cellules de puissance sont connectées en série du côté sortie pour former un entraînement haute tension en cascade.
Cette configuration utilise une rectification multi-impulsions à décalage de phase pour améliorer les caractéristiques du courant d’entrée. Avec n enroulements secondaires, le nombre théorique d’impulsions de rectification est de 6n selon la configuration correspondante. Comparé à un redresseur conventionnel à six impulsions, un système multi-impulsions bien conçu peut réduire les harmoniques du courant d’entrée.
La sortie en cascade produit également une forme d’onde de tension en palier qui peut s’approcher d’une forme d’onde sinusoïdale, soutenant le fonctionnement moteur dans les applications à haute puissance.
Les principales considérations d’ingénierie incluent la performance des harmoniques d’entrée, la qualité de la forme d’onde de sortie, les exigences d’isolation des moteurs, la gestion thermique et la capacité à maintenir un fonctionnement stable sous des charges variables.
Les opérations de fracturation électrique peuvent utiliser plusieurs patins de pompe avec des besoins énergétiques différents. Le système d’entraînement doit donc s’adapter à différents dispositifs de moteurs sans compromettre la flexibilité opérationnelle.
Dans la configuration de fracturation électrique de la classe 8 000 décrite dans l’étude d’ingénierie originale, la configuration d’entraînement supporte deux modes de fonctionnement :
Exploitation indépendante :Une unité d’entraînement peut faire fonctionner deux moteurs de 4 500 kW, sous réserve de la configuration de fonctionnement et des limites de charge spécifiées.
Fonctionnement parallèle :Deux unités d’entraînement peuvent être utilisées en parallèle pour entraîner un moteur de 9 000 kW, lorsque la conception du système le soutient.
L’arrangement approprié dépend des capacités nominales des moteurs, de la topologie du variateur, de la configuration de commande et des exigences de fonctionnement.
Cette flexibilité peut aider les opérateurs à configurer les équipements d’entraînement pour différentes applications de pompage et améliorer l’utilisation des équipements électriques de haute puissance.
La pompe à piston est responsable de livrer le fluide de fracturation dans le puits à la pression et au débit requis. Son mouvement alternatif attire le fluide dans la chambre de la pompe puis le déverse vers la tête de puits.
En ajustant la vitesse du moteur via un VFD, le système peut réguler la sortie de la pompe pour répondre aux exigences changeantes du procédé.
Les opérations de fracturation réelles sont rarement constantes. La pression en fond de puits peut changer pendant le traitement, l’apport en fluide provenant de l’équipement de mélange en amont peut fluctuer, et des restrictions dans la conduite d’aspiration peuvent réduire la quantité de fluide entrant dans la pompe.
Ces conditions peuvent provoquer des changements soudains de charge moteur. Dans certains cas, le propulseur doit également démarrer ou fonctionner sous une pression de procédé élevée, selon le système de pompage et la procédure de fonctionnement.
Un VFD adapté nécessite donc plus qu’une simple régulation de vitesse. Il doit également fournir des réponses de contrôle appropriées aux perturbations de la charge et aux changements dans les conditions du procédé.
Une réduction soudaine de la charge peut créer un risque de surtension dans un variateur de fréquence.
Par exemple, lorsque l’approvisionnement en fluide en amont devient insuffisant, la pompe à piston peut subir une diminution rapide de la charge. L’état de fonctionnement du moteur change, et l’énergie renvoyée au lien DC du disque peut faire augmenter la tension du liaison DC. Si la tension dépasse le seuil de protection, le lecteur peut sauter et interrompre les opérations de fracture.
La fonction de prévention du décrochage de surtension aide à traiter cette condition.
Le système de contrôle surveille la tension en liaison continue des cellules de puissance de transmission. Lorsque la tension approche un seuil configuré, le contrôleur effectue un ajustement approprié de la fréquence de sortie pour aider à stabiliser la tension du lien DC et éviter des déclenchements de surtension inutiles.
Cette fonction est particulièrement pertinente pour les applications de fracturation car les conditions d’alimentation en fluide et les charges de pompe peuvent changer rapidement.
Son efficacité dépend de la configuration du disque, des paramètres de réglage, des caractéristiques de charge et des conditions de mise en service.
Le contrôle vectoriel fournit une méthode permettant de réguler indépendamment le couple et la vitesse du moteur grâce au contrôle coordonné des composants du courant du moteur.
Dans l’architecture de contrôle décrite dans l’étude d’ingénierie, le système utilise une boucle de contrôle de vitesse externe et une boucle interne de contrôle de courant. Les contrôleurs PI régulent les erreurs de contrôle, tandis que les courants moteurs triphasés mesurés sont transformés en un référentiel rotatif à l’aide des transformations de Clarke et Park.
Le contrôleur calcule les commandes de tension requises, qui sont converties en signaux de modulation de largeur d’impulsion (PWM) pour alimenter les dispositifs de puissance de l’onduleur.
Cette structure de contrôle soutient le fonctionnement réactif des moteurs sous des conditions de charge changeantes. Cela permet également au mécanisme de réguler la vitesse du moteur avec plus de précision qu’une stratégie de commande en boucle ouverte de base.
Pour la fracturation électrique, l’objectif pratique est de maintenir la puissance de pompage requise tout en répondant aux variations de pression du fluide, de conditions d’aspiration et de demande de procédé.
La stratégie de contrôle finale doit être choisie en fonction des caractéristiques du moteur, de la dynamique de la pompe et de l’enveloppe de fonctionnement requise.
Les ressources pétrolières et gazières de schiste se trouvent souvent dans des bassins reculés et des régions montagneuses où une connexion réseau fiable peut ne pas être disponible.
Dans ces sites, les générateurs à turbines à gaz peuvent fournir de l’électricité sur site, en utilisant des combustibles tels que le gaz naturel liquéfié (GNL) ou le gaz naturel comprimé (GNC), selon la configuration du projet et l’infrastructure du carburant.
Comparé aux dispositifs de générateurs diesel conventionnels, la production d’énergie à turbine à gaz peut offrir des avantages en termes de densité de puissance, de configuration des équipements et d’émissions locales. Les performances réelles dépendent de la technologie du générateur, du carburant, des conditions de fonctionnement et des exigences du site.
Néanmoins, les charges de fracturation à haute puissance peuvent imposer des exigences considérables à une alimentation isolée. Les variations de la demande de pompage peuvent créer un décalage entre la production instantanée et la consommation.
Un système de stockage d’énergie haute tension peut aider à gérer ce décalage en rechargeant lorsque l’excès de puissance est disponible et en se déchargeant lorsque de l’énergie supplémentaire est nécessaire, dans les limites de la batterie et de l’équipement de conversion d’énergie.
LeVFD et système de stockage d’énergie pour la fracturation électriquerépond donc à deux besoins complémentaires : le fonctionnement contrôlé du moteur à l’extrémité de pompage et l’équilibrage de puissance à l’extrémité de l’alimentation.
Un système de stockage d’énergie haute tension typique comprend des ensembles de batteries, un système de gestion de batterie (BMS), un système de gestion de l’énergie (EMS) et un système de conversion d’énergie (PCS).
Système de batterie
Les batteries phosphate de lithium-fer (LFP) sont couramment utilisées dans les applications de stockage d’énergie stationnaire. Plusieurs cellules sont assemblées en packs de batteries et regroupées en clusters de batteries pour atteindre la tension et la capacité énergétique requises.
La configuration finale de la batterie dépend de la puissance nominale du projet, de la capacité énergétique requise, de la durée de fonctionnement et de la conception de sécurité.
Système de gestion des batteries (BMS)
Le BMS surveille les conditions de fonctionnement de la batterie, y compris la tension, le courant et la température. Il aide à protéger la batterie contre des conditions de fonctionnement anormales, telles que la surcharge et la décharge excessive, et soutient la surveillance de l’état de la batterie ainsi que la sécurité opérationnelle.
Système de gestion de l’énergie (EMS)
Le SEM coordonne la production d’énergie, le stockage d’énergie et les charges électriques. Dans un système avec plusieurs générateurs ou unités de stockage, il peut gérer les commandes de charge et de décharge selon la puissance disponible, la demande de charge et les stratégies opérationnelles configurées.
Pour un système électrique à fracturation isolée, la stratégie de contrôle peut être conçue pour coordonner la sortie du générateur avec la batterie électrique, aidant ainsi à maintenir l’équilibre entre production et consommation.
Système de conversion d’énergie (PCS)
Le PCS fournit une conversion d’alimentation bidirectionnelle entre le côté DC de la batterie et le système d’alimentation AC. Il convertit l’alimentation AC en DC pendant la charge et l’alimentation DC en AC lors de la décharge.
La capacité de classification et de contrôle du PCS doit être adaptée à la réponse de puissance requise, à la tension du système et aux caractéristiques de fonctionnement du générateur.
Les systèmes de stockage d’énergie haute tension peuvent être conçus pour différents niveaux de tension de réseau, notamment 6 kV, 10 kV et 35 kV, selon l’application.
Une architecture de stockage d’énergie haute tension en cascade peut offrir plusieurs avantages techniques :
Connexion directe à un bus haute tension compatible :Un système adapté peut se connecter sans transformateur de tension séparé entre le convertisseur et le bus spécifié.
Conversion modulaire de l’énergie :Plusieurs cellules de puissance peuvent être coordonnées pour atteindre la tension de sortie et la puissance requises.
Surveillance et contrôle au niveau cellulaire :Les cellules d’alimentation individuelles peuvent être surveillées pour soutenir la gestion du système et la gestion des pannes.
Réglage rapide de la puissance :Le convertisseur peut répondre à des commandes de puissance active changeantes dans ses limites de contrôle et d’équipement.
Disponibilité opérationnelle potentiellement améliorée :Des conceptions redondantes ou capables de contourner peuvent aider à maintenir le fonctionnement lorsqu’une condition de défaut supportée survient.
Répartition coordonnée de l’énergie :Le SGE peut coordonner la sortie de plusieurs unités de stockage et générateurs pour soutenir l’équilibre énergétique global.
Ces avantages dépendent de la topologie réelle du système, de la conception de la protection, de la stratégie de contrôle et des conditions de fonctionnement. Les exigences du transformateur doivent être évaluées par rapport à l’architecture électrique complète plutôt que déduites uniquement à partir de la tension nominale.
Pour les opérations de fracturation électrique, le VFD et le système de stockage d’énergie remplissent des fonctions différentes mais complémentaires.
Le VFD régule la vitesse et le couple du moteur en réponse aux besoins de pompage. Le système de stockage d’énergie gère l’équilibre entre la production disponible et la demande électrique.
Lorsqu’il est intégré à la production par turbine à gaz, le système global peut être conçu selon les principes de fonctionnement suivants :
Le générateur fournit l’énergie électrique principale pour l’équipement de fracture.
Le VFD ajuste le fonctionnement du moteur en fonction de la vitesse, de la pression et des conditions de débit requises de la pompe.
Le service d’urgence surveille la balance d’alimentation et coordonne la recharge et la décharge de la batterie.
Le PCS échange l’alimentation entre la batterie et le système AC selon la stratégie de contrôle configurée.
Le BMS surveille l’état des batteries et applique les limites d’exploitation pertinentes.
Le générateur, le VFD, le convertisseur de stockage et les systèmes de protection coordonnent leurs réponses aux variations de charge et aux conditions de fonctionnement anormales.
La séquence de contrôle spécifique dépend de la conception du projet. Les cotes de puissance, la capacité énergétique des batteries, le taux de rampe du générateur, la réponse transitoire, la coordination de la protection et la communication de contrôle doivent toutes être prises en compte lors de l’intégration du système.
Une configuration correctement conçue peut aider à réduire l’impact des fluctuations de charge sur le système électrique isolé et à améliorer la flexibilité des opérations de fracturation à haute puissance.
Le choix d’un VFD et d’un système de stockage d’énergie pour la fracturation électrique nécessite une évaluation à la fois de l’équipement de pompage et de l’alimentation électrique.
Parmi les considérations importantes de conception, on trouve :
| Facteur d’ingénierie | Considération clé |
|---|---|
| Classification moteur | Puissance nominale, tension, courant et exigences de démarrage |
| Plage de fonctionnement de la pompe | Conditions requises de débit, de pression, de vitesse et de charge transitoire |
| Topologie VFD | Harmoniques d’entrée, forme d’onde de sortie, performance de contrôle et protection |
| Capacité du générateur | Sortie continue, réponse transitoire et réserve opérationnelle |
| Énergie de stockage | Puissance maximale de charge et de décharge requise |
| Capacité énergétique des batteries | Durée de décharge requise et réserve d’énergie |
| Tension système | Compatibilité avec le générateur et le bus de distribution haute tension |
| Coordination des services médicaux d’urgence | Répartition des générateurs, commandes d’alimentation des batteries et gestion de la charge |
| Protection et sécurité | Protection électrique, surveillance des batteries, réponse aux pannes et arrêt d’urgence |
| Conditions du site | Température ambiante, poussière, limitations de transport, accès à la maintenance et exigences environnementales |
Les cotes de puissance et d’énergie doivent être déterminées à partir du profil de charge du site et des scénarios de fonctionnement. Un système disposant d’une capacité énergétique suffisante peut encore nécessiter une puissance nominale plus élevée pour gérer les pics de courte durée, tandis qu’une batterie haute puissance avec une capacité énergétique insuffisante peut ne pas supporter la durée de support requise.
Pour cette raison, la conception doit évaluer à la fois les kilowatts (kW) ou mégawatts (MW) et les kilowattheures (kWh) ou mégawattheures (MWh).
La fracturation électrique impose des exigences exigeantes en matière de contrôle moteur, de stabilité de l’alimentation et de fiabilité des équipements. Les VFD haute tension permettent un contrôle réglable de la vitesse et du couple moteur pour les pompes à pistons haute pression, tandis que le stockage d’énergie haute tension peut soutenir l’équilibrage de puissance dans des zones isolées où l’accès au réseau est limité.
L’intégration d’un VFD et d’un système de stockage d’énergie pour la fracturation électrique offre un cadre pratique pour coordonner les équipements de pompage, la production sur site et le stockage par batteries. La technologie de commande en cascade, le contrôle vectoriel, la prévention du blocage de surtension, la gestion des batteries et la répartition de l’énergie contribuent toutes à la conception globale du système.
Pour les exploitants pétrolifères et les entrepreneurs en ingénierie, la solution la plus adaptée dépend des caractéristiques de la pompe, de la capacité du générateur, de la demande transitoire en puissance, de la durée de stockage et des conditions de fonctionnement du site.
FGI développe des solutions d’électronique de puissance pour les entraînements de moteurs industriels et les applications de stockage d’énergie. En adaptant les technologies de propulsion et de stockage aux besoins du projet, les systèmes d’alimentation des champs pétrolifères peuvent être conçus pour soutenir une exploitation plus flexible, une gestion efficace de l’énergie et les besoins évolutifs de la fracturation électrique.
Un variateur de fréquence régule la vitesse et le couple du moteur électrique qui actionne une pompe à piston haute pression. Cela permet au système de pompage d’ajuster sa puissance aux besoins changeants du procédé et de répondre aux perturbations de la charge.
Le stockage d’énergie peut aider à équilibrer la production et la demande d’électricité, en particulier sur des sites isolés sans connexion réseau fiable. Lorsqu’il est bien dimensionné et contrôlé, il peut fournir de l’énergie supplémentaire lors des périodes de demande accrue et absorber l’excédent d’énergie lorsque disponible.
Oui, certaines architectures de stockage d’énergie haute tension en cascade peuvent se connecter directement à un bus haute tension compatible sans transformateur supplémentaire à l’interface du convertisseur. La faisabilité dépend de la topologie du convertisseur, de la tension nominale, de la conception de l’isolation et de la configuration globale du système électrique.
Le BMS surveille l’état de la batterie et les limites de protection. Le service EMS coordonne la production d’électricité, le stockage et la demande de charge. Le PCS convertit l’alimentation électrique entre le côté DC de la batterie et le système d’alimentation AC.
Les facteurs clés incluent la demande de puissance de pointe, les fluctuations de charge, la réponse du générateur, la durée de décharge requise, la puissance de charge disponible, les limites de fonctionnement de la batterie et le niveau de support d’alimentation souhaité.
La fracturation électrique peut offrir un contrôle moteur plus précis, une densité de puissance élevée, une réduction des émissions locales d’échappement et un bruit de fonctionnement moindre. Les bénéfices économiques et environnementaux globaux dépendent de l’électricité ou des sources de combustible, de l’efficacité des équipements, de l’utilisation et des conditions du site.
Cet article est basé sur l’étude d’ingénierie des variateurs de fréquence et des systèmes de stockage d’énergie à haute tension pour des applications de fracturation électrique, menée par des ingénieurs de WindSun Science & Technology Co., Ltd. Les configurations techniques décrites reflètent l’étude initiale et doivent être validées par des conceptions spécifiques au projet avant la mise en œuvre par ingénierie.
