从2500型压裂车，3000型压裂橇，7000型压裂机组等市场需求反映出的设计立项情况观察，电驱化已然是页岩能源开采设备的必然发展趋势，各大装备供应商竞相设计大排量电驱设备。电驱压裂设备以其可以带来显著经济效益和卓越的环保性，取代传统柴油发动机驱动形式的压裂设备已是必然。通过变频传动技术实现全自动数字化控制，实现排量精准控制，对现场压裂条件具有更大的自适应柔性，压裂设备参数更加便于采集，以及实现远程监控，这些隐性优势都是传统压裂设备无法做到的。
目前国内主要采用2500型或3000型的压裂车进行组合，通常需要16台以上压裂车组同时运转（车组总水马力在4-5万）。但现场应用中，3大问题愈发突出：
1 压裂设备3大发展方向
（1）我国压裂施工（尤其是页岩气）时间长，施工压力高，压裂设备需要耐高压、长时间连续作业，存量设备很难胜任，往往不是缺压裂设备，而是缺能“有效工作”的压裂设备；
（2）我国目前商业开发页岩气区块位于山区，施工井场面积很有限，动辄十几台压裂车组摆放成本相对较高，而且尤其开采存在很高风险性，常出现山地推平后，预产量不及预期，沉没成本相对较高的情况；
（3）经济成本上仍需要继续下降（尤其是压裂成本，过去单口井开采成本从1亿降到五六千万，更多是钻井周期缩短、效率提升所致，而压裂环节贡献较小，是未来成本下降的突破口），环保和噪音方面也有更高要求（四川曾经出现居民投诉施工现场噪音污染的情况）。
对应3大问题，压裂设备3大发展趋势方向愈加清晰：
趋势一：单机向高压力和大排量方向发展。在我国页岩气和深井/超深井的勘探开发方面，随着压裂工艺向高水平、大排量、大砂量、高砂比和深井方向发展，国内压裂装备的研发也必然会向高压力和大排量方向发展。在水马力方面，本土企业在进口2000型压裂机组的基础上，研发出适合我国油气田作业工艺特点的高压、大功率的压裂车，包括2500型、3000型压裂车以及5000/6000型压裂撬。如今2000型压裂车能够提供的工作排量，已经远远不能满足日益增长的施工工艺的要求，2500型已成为页岩气开发主流需求，而未来单机水马力也将越来越大。
趋势二：撬装更加方便，有开始部分替代车载的趋势。由于受到了井场环境和道路交通的影响（转弯直径可超过20m，便于拖车运输），再加上国家对于整车的质量和外形尺寸有严格的要求等，使得美国车载式压裂车的研发受到了很多的限制，撬装形式成为主流。而我国受压裂施工环境的影响（运输条件较为恶劣），2000型和2500型的压裂车采用的是不同于压裂撬的车载结构，而如今伴随着单机水马力的继续加大，我国也开始出现撬装部分替代车载的趋势，主要因为3000型压裂车在现场应用中，大排量高压力时压力波动大，车尾振动幅度大，施工效果常常不理想。并且最大排量比2500型最大排量仅高6.6%，优势不够明显，稳定性却远不如2500型压裂车，因此由于受到整车质量和尺寸的影响，通过单一增大台上设备来设计超大功率且具有稳定性能的压裂车已受到限制，撬装是伴随水马力加大自然而然形成的另一趋势。
此外，国家对道路行驶要求越来越严格，超限车的行驶受到了诸多限制，川渝页岩气井开发平台和沙漠地区等作业地区道路行驶条件恶劣，传统的车载式结构已经限制了超大型压裂装备的设计开发（3000型不允许上路），未来大型压裂装备也会朝着整机轻量化和高行驶性能方向发展（撬装）。
趋势三：油气勘探开发的“电代油”，是如今大趋势所在。在全球范围内，油气田开发公司都面对着严峻的环境监管压力，废气排放、噪声、矽尘等污染排放都愈加受限，对氮氧化物、一氧化碳及其他排放物的管控更为严格。在当今低油价、低成本的时代，既要改善这些状况，又要继续降低总成本、提高效率，于是“电代油”应运而生，过去十余年中电驱动钻机开始部分替代传统机械钻机（尤其在美国），近几年来电驱压裂设备也步入油服公司视野之中。
“大排量+撬装+电代油”，电驱压裂撬是3大发展趋势下的必然产物。顾名思义，电驱压裂撬即通过电机驱动压裂泵，将传统的柴油发动机驱动变成电机直接驱动。发电机发出的交流电经整流器件转换为直流电，直流电经功率器件驱动电机运转，控制器控制功率器件的导通时间就可以控制电机的转枢电压，从而控制电机转速，驱动压裂泵工作。此流程后，电动压裂设备和传统的传统压裂设备就相差不多了，唯一不同是用电动马达和变频设备（VFDs）替代了柴油发动机和变速箱。传统的柴油驱动泵设备，在鹅颈管处通常有很大的散热器。在电驱动泵，不需要散热器，取而代之的是1个VFD房和2个独立的VFDs。另外，电驱动泵不需要搅拌器、保湿设备、大风扇、防砂设备、真空除尘设备等。
电驱压裂设备最核心的组成部分在电驱压裂泵（排量是常规压裂泵的2-3倍），电动压裂泵结构由动力端总成（含机架总成、曲轴总成、小齿轮及交流变频电机和十字头总成）和液力端总成组成，压裂泵将（动力机构）电机与执行机构（压裂泵）纳入一体化设计，取消了常规压裂车中间机械变速传动机构，结构优化后性能更为可靠，传动效率提高2%-3%，设备制造成本显著下降。6000型电动压裂泵在95MPa下能够保证2-2.5m3/min的排量，而这个压力下常规压裂车最大排量只能维持下1m3/min。
2 电驱压裂优劣势
既然电驱压裂契合3大发展趋势，为何2014年电驱压裂撬就开始在市场出现，而如今保有量仍然很低？一方面是由于此前电驱压裂技术尚未成熟，刚推出时故障率较高，且维修成本高昂，不过这是任何产品推广的必然经历，从目前市场情况看，电驱压裂的稳定性已经得到有效提高；另一方面是油服公司仍然存在接受度的问题，主要包括3方面：
（1）最大的阻力是适用性问题：从油服公司的角度看，选择电驱压裂意味着作业形式和条件受到限制（需要电网或者其他形式支持），使用范围天然小于常规设备；
（2）存在一定储备风险：单机功率的提升，可以大幅减少现场施工装备的数量，但也增加了单台装备失效带来的施工隐患；
（3）多装备的系统兼容成本较高：传统可控制仪表车等无法完全兼容电驱压裂设备，因此如果采用电驱压裂撬，就需要配置油电混控仪表车，将电动压裂装备与常规压裂装备的控制系统整合，而且也可能出现各种各样的兼容风险。
3个问题对电驱压裂拓展阻力是逐步递减的，储备风险和兼容成本都比较容易解决，适用性问题是电驱压裂天然受限因素，导致电驱压裂永远无法完全替代常规压裂设备（渗透率无法达到100%）。为解决使用场景受限的问题，电驱压裂厂商往往会推出配套的发电机组，使用管口天然气或者LNG发电，为电驱压裂的推广起到一定作用，电驱压裂也由以前单纯的补充设备，蜕变到整个车组可以完全电驱化。
但瑕不掩瑜，电驱压裂可以改善使用传统压裂机造成的基建困难、移运不便、尺寸大、功率低、环保经济效益差等负面影响。而且对于国内厂商来说，电驱压裂设备已具备领先的自主研发成果，对国内页岩气的自主开发是一个强力的技术支持。电驱压裂撬最突出的有3大优点：经济效益、环保性以及部分隐形优势。
（一）经济效益凸显
电驱压裂节省成本的影响主要包括三部分：施工面积节省、压裂设备购置及施工费用节省。
（1）施工面积节省：由于单机功率的提升，减少了压裂工程作业装备的数量。在不考虑辅助装备的情况下，以配置常规压裂机组和电动压裂机组对比，24台2500型压裂车布置井场占地1365m2，10台6000型电动压裂泵橇组和控制房占地945m2，井场占地减少30%（未考虑电动设备安全防护距离的特殊性）。
（2）压裂设备购置成本减少：若不考虑发电机等配套工具，电动橇装压裂机组（含压裂装置、混砂装置、配液装置以及泵注装置）购置费平均较常规2500型压裂车组的购置费成本下降40-50%。
（3）施工费用节省。以1套36000水马力的压裂车组为例，6台6000型电动压裂设备就可以实现18台2000型压裂车才能进行的大型工厂化压裂作业，假设工作1小时，传动效率均按90%计算，18台2000型压裂车消耗的柴油为5961kg，柴油价格以7.5元/kg的价格计算，需要的柴油费用为4.5万元。6台6000型电动压裂撬消耗的功率为3万kW·h，分使用电网、井口天然气发电和LNG发电3种情况对比：
（a）如果采用电网，按0.6元/kW·h的电价计算，需要电费1.8万元，与传统压裂车组相比节约2.7万元；
（b）如果采用燃气发电，燃气消耗量为7934m3，燃气价格以1.5元/m3 计算，需要的燃气费用为1.2万元；
（c）如果采用LNG，1吨LNG大概发电5573kW·h，所以需要5.38吨，不考虑冬季高峰期情况，假设4000元/吨的价格，每小时约2.2万元。
若以1个压裂车队（5万水马力）作为考量单位，常规压裂车队（20台2500型）与电驱压裂车队（10台5000型）对比，考虑到压裂液等材料成本、燃料成本以及人工成本等，传统压裂车队IRR保持在个位数，而电驱压裂车队可达20%以上（详细测算请联系团队成员），经济性优势非常明显。
从现场施工结果来看，也印证上述测算。焦页194-2HF井是位于重庆市南川区的页岩气水平井，实际施工中配置6台电动泵（采取4用2备）与12台（10用2备）2500型压裂车进行联合配套施工。供电方式采用2台由网电供电，另外2台由燃气发电机供电，气源井为同平台已压裂测试井。两周内完成19段压裂，主要比较10台2500型压裂车和4台电动泵设备费用、施工费用和网电燃料等费用，电动泵压裂相比常规2500 型压裂车单井节省费用达到203万元，比常规压裂车节省约45%的施工成本。电动压裂泵在作业效率、控制精度、环保节能、安全稳定和节约费用等方面得到了验证。
（二）环保性
电驱压裂环保性体现在两方面，无法量化影响，但却也是电驱压裂明显的优势：
一是有效减排，如果采用管道气或LNG、CNG燃烧的方式，相比柴油，天然气更加清洁。与传统的四冲程柴油机相比，涡轮发动机采用预混合燃烧技术，可以保证空气和天然气配比更均匀，超过60%的空气可以和天然气预混合，燃烧更加充分，减少污染气体排放。
二是噪音污染显著减弱。常规压裂车单台噪音达115分贝，制约页岩气开采的夜间施工，而通过静音风扇加变频控制，电驱压裂设备仅不到85分贝，压裂施工噪音减弱，日均泵注时长的延长成为可能。
（三）隐性优势
此外，单机水马力的提升，扩大了压裂车的工作范围。由于不同的地质情况和工作环境，使得页岩气的开采有着不同程度的难度，所以单车功率大的压裂车都能够适应多种情况，工作范围大。同时也提升了大型压裂作业的效率，普通的压裂车其工作时间相对大型压裂车会增加，这样就增加了整个压裂系统的工作时间，而单机水马力的提升会降低事故概率。
电驱压裂设备排量更大，精准控制程度有所提升。电动压裂泵采用了电机直驱技术，电机可实现3A免维护，可省去传统压裂车发动机和传动系统的维护费用，电动压裂泵通过变频系统实现全数字化控制，使排量精准控制成为现实，排量的精准控制有利于获得比较理想的裂缝长度和宽度，尤其是对地层复杂的油气井特别有利，而传统压裂设备无法做到。此外电动马达第一次维护时间间隔为30000小时，且预期寿命高达20年。柴油发动机需要每个月进行维护，例如换油和换过滤器，而电动压裂设备不用。长寿命减少了维护时间，增加了泵的使用时间，具有很大的经济优势。
3 电驱压裂未来趋势
（1）首先可以明确的是，无论是国内还是海外市场，电动化都是大趋势，电驱压裂撬的渗透率会逐步提升，区别点在于极限渗透率以及渗透速度（接受程度）；
（2）美国的极限渗透率及渗透速度可能会高于国内，这一点从电驱钻机替代机械钻机就可以看到，无论是接受程度还是推广速度，美国均显著高于国内，主要由于美国和中国油气行业驱动逻辑不同（详述见2.1及2.2），玩法自然也有所不同；
（3）压裂设备行业火爆，将会较快推进电代油进程，国内压裂设备需求火爆，传统压裂设备紧缺的情况下，自然推升电驱压裂的拓展，而北美市场由于设备存量大，平均使用寿命高，未来几年处于更新高峰期，也会催生不小的设备需求，都为电驱压裂提升渗透率提供良好沃土。
3.1北美：经济性主导+环保要求高
北美目前以2000型为主，对单机水马力的提升并无刚性需求。北美页岩油气储存于地势平坦的地域，所以压裂车的承载能力、大小等基本不受路况的影响，压裂设备都是由拖车进行运输（整个装置的长度和回转半径都超过了二十米）。正是由于其路程的经过性较好，再加上在开采页岩气的过程中，北美气田压力较低，所以采用的压裂车组主要以2000型撬装为主（采用拖车的结构）。尤其是2014年后行业进入低谷后，北美各大老牌压裂设备公司纷纷暂停大水马力研发，以至于目前北美仍以2000型压裂撬为主。
电驱压裂在美国的发展，主要有两大驱动力：经济效益+环保要求：
经济性为主，一方面北美撬装形式接受度高，另一方面可以利用多余井口气发电，显著降低成本。以Permian盆地为例，页岩气产量持续增长，随着产量的急剧增长，管道基础设施的扩张速度跟不上产量增长，Permian当地的油服公司每年都会通过燃烧的方式浪费超过1000亿立方英尺的天然气。将钻机和压裂车等动力来源调整为电驱，利用现场多余天然气作为能源进行发电，减小了因浪费造成的亏损，也节约了运输燃料的成本，是北美油气开采逐步电驱化的重要原因之一。
环保方面，北美油气市场环境监管比较严格。目前美国有超过500支车队，而每一支每年消耗超过700万加仑的柴油，这些柴油又由70万辆油罐车提供，从油站运输到偏远的页岩盆地也产生了平均7万公吨的二氧化碳排放，同时也有大量柴油燃烧后的氮氧化物排放。美国对于油气生产中的污染气体排放有着严格的Tier 4 规定，对于油服公司来说，需要电驱技术完成自己的环保目标和承诺，如贝克休斯公司承诺，将通过涡轮及电驱压裂设备，争取完成到2030年将二氧化碳排放量减半，到2050年实现零增长排放目标。
3.2国内：场地条件受限+低噪音需求高
我国储存页岩气地区都以盆地或山地为主，这也就区别于美国平坦的开采生产环境。“中国式的页岩气”也就决定着我国的压裂车研制方向与美国的不同，概括我国压裂车发展的过程，首先是引入小水马力压裂车，本土化后自主研发核心大泵，并形成目前新增市场以2500型为主的格局，2018年以来国内领先本土厂商先后推广5000型以上的大水马力压裂设备，标志着在大水马力领域国内厂商已经处于领先位置：
我国页岩气开发起步晚，所以必须借鉴北美页岩气的开发经验。国内油田从20世纪70年代开始引进国外成套压裂机组，主要包括美国BJ公司1000型压裂机组、双S公司1600型压裂机组以及西方公司1400-1800型压裂机组等。随着国内压裂施工规模越来越大，21世纪初开始大量引进国外2000型成套压裂机组，主要有美国哈里伯顿公司、双S公司、加拿大Crown公司和Nowsco公司。
电驱压裂在国内的发展，主要受场地受限+噪声要求两方面驱动，当然经济性也是必要的推进因素。
国内页岩气井场多坐落在山区地带，压裂时需要投入大量人力物力，使得气田的生产成本提高。随着勘探开发技术的发展，作业深度不断向下延伸，我国四川盆地的页岩气深度也达到3000m以上，并逐渐向更深的区域拓展。车组多、占地面积大、施工期间井场噪音大和能耗高等问题依然没有得到解决，特别是如今的页岩气压裂作业要求长时间连续大负荷施工，要求一种占地小、结构紧凑且移运方便的大型压裂设备，来有效解决国内井场偏僻及作业场地有限的问题。
传统压裂的噪音问题也不容易忽视。由于能源安全战略推行，四川威远县日夜施工，严重影响附近村民休息而遭到投诉，而电驱压裂可以解决这方面问题，可以将工作噪音从115分贝降到85分贝，甚至达到55分贝，这种情况下工人间甚至可不佩戴耳塞正常交流，可以实现24小时连续施工。
3.3压裂设备需求火爆，为电驱化提供沃土
在我国天然气对外依存度不断攀升之际，页岩气开采的价值不言而喻。我国作为页岩气储量大国，页岩气可采资源量达21.8万亿立方米，目前探明率却仅有4.79%，资源潜力微小。然而，中国页岩气开采多位于川渝地区、道路坎坷、埋躲深度深，开采难度大，随着开采深度的增加，对压裂的需求也愈来愈大。
我们对未来5年页岩气产生的压裂设备需求测算，核心假设如下：
（1）首年日产量10万方，衰减率65%、35%、20%、10%、5%，保持产出15年，全生命周期产量1.2亿方；
（2）完钻探井（含测量井）数约为生产井数量的10%；
（3）每个压裂车队标配5万水马力，共20台2500型压裂车；
（4）页岩气产量2030年达到年产800-1000亿方的目标。
关于页岩油需要的压裂需求，所需要的工作条件与工作周期与页岩气相似，不同在于页岩油的衰减比页岩气要低。根据庆城油田32%、25%、20%、16%、14%的衰减率测算，若庆城油田2020年达到100万吨、2022年300-400万吨，2025年达到600万吨产量，则2025年前需要水马力153万，需求不可小觑。而另一油田吉木萨尔规划2021年100万吨页岩油产量，2025年达到200万吨且稳产8年，难度比庆城大，进度自然也慢些，但需求同样不容小觑。
正是由于压裂设备需求火爆，电驱压裂撬自然也水涨船高、热度提升。2018年以来中石油中石化均有电驱压裂成功应用案例，值得关注的是，10月中石油压裂租赁服务招标中，涉及电驱压裂撬58台，关注度在迅速提高。
北美市场存量更新需求显著。目前美国约有2200万水马力压裂设备，加拿大220万水马力，合计2400+万水马力，且大部分在未来5年内需要更换，年均更新200万水马力。出于经济性及环保性，目前看北美油服更倾向于使用或涡轮等新型压裂设备，而提供新型压裂设备的厂家并非北美老牌厂家，而是以国内杰瑞、宏华以及北美新兴电驱压裂公司为主，对国内厂商打开美国市场来说是良好契机。
4 新型压裂设备格局大变化
4.1北美：后起之秀占据主要市场
国外老牌压裂设备公司研发电动压裂设备进展缓慢，目前主要是新进入者成果较多：2015年至今，美国USWS及EWS等公司先后推出3500型双机双泵或单机双泵电驱压裂设备，并开始在北美地区投入小范围工业应用，两家公司研制的电动压裂装备全部采用经市场考验的成熟压裂泵，如GD2500、SPM2500等，而没有采用更大功率的单泵模式。USWS拥有自主专利的CLEAN FLEET技术，EWS电驱压裂系统的主要部分为LM2500+G4马达和7000hp的双泵机组。两家均公司宣称自己的电驱压裂技术相比于传统压裂设备，减少了大量的氮氧化物的排放，对减弱噪音也有显著功效。运行中，金属振动明显减弱，提升了安全性。在耐用性方面，维护间隔更长，故障率更低。经济性上，减少了大量的燃料成本，减少了人力资源和土地资源占用。
（1）US Well Service（USWS）
美国USWS是最早推出成套电驱压裂设备的公司之一。2014年安特罗公司（Antero Resources）在Marcellus页岩开采区使用USWS的CLEAN FLEET车队进行试验，该车队使用三台天然气涡轮发动机发电机产生的电力。试验结果超出了对其性能和环境的预期：USWS技术可以成功减少99％的氮氧化物排放，显着减少噪音污染，并节省多达90％的燃料成本。在耐用性上，USWS公司的CLEAN FLEET电动马达第一次维护时间间隔为30000小时，预期寿命高达20年，相比于传统的柴油发电机需要每个月维护，电压驱裂电压寿命长，维护时间短，提高了作业效率。AnteroResources承诺在未来继续使用CLEAN FLEET，并签订长期合同。
自2014年7月部署第一支CLEAN FLEET以来，USWS已为Marcellus，Utica和Niobrara-DJ盆地内的六家主要勘探开发公司泵送了4000多段，并完成了100多口井。2018年USWS与MPAC合并，压裂车队规模扩大到17个，约为80万水马力。2018-2019两年间，USWS分别与Apache Corporation 和壳牌公司签署了长期合同，并在2019年分别在Eagle Ford和Permian盆地各建立了一个全电动压裂车队，下一批将于2020年第一季度开始工作。USWS的电驱压裂技术正在可持续发展的轨道中，市场中也正不断形成新的需求，USWS有望在未来扩大市场，进入Bakken、Haynesville、Niobrara等新地区的市场。
（2）Evolution Well Service （EWS）
EWS是一家在美国专门从事完井服务的公司，以电驱压裂服务及设备作为其最主要的发展方向，核心技术自主研发，动力来源与GE合作。2017年EWS的电驱压裂业务发展速度显著加快，四季度分别与两家大型陆上油气生产商签署了提供电动压裂组的协议：一份为期三年的4.2万水马力的电驱压裂组协议，一份为四个4.8万电驱压裂组的四年协议。18年美国康索尔能源公司与EWS签署了为期三年的5.6万水马力电驱压裂组协议。EWS快速的发展也为公司吸引了资金以支持公司在市场中的扩展。随着电驱压裂设备的进一步技术进步，EWS也GE签订了独家的涡轮发动机OEM协议（可使用LM2500+G4电机）。
截至2018年EWS有6个电力压裂车队运营或在建，总容量超过30万水马力，据EWS总裁称2017年的总可记录事故率为0。在实际应用过程中，在常规压裂车队只能运行7-8小时的地区，EWS电驱压裂车组平均每天运行16小时，所使用的LM2500+G4发动机的保养间隔为25000小时，也远远高于柴油发电机的8000小时间隔，大大提升了单位时间的作业量。在资源占用上，减少了60%了人员配置，减少了40%的用地，提高了油田公司生产的灵活性。在环保问题上，由于采用燃烧现场开采的天然气发电，污染气体远低于环境保护署的tier 4标准，同时噪音水平也要低得多，在距离涡轮机一米的地方，测量到声音大约是82分贝，远低于职业安全和健康管理局的耳塞阈值。对于经济效益，EWS假设天然气每百万立方英尺的成本为1.85美元，井下功率为2.5万马力，以为4.8万马力的车队提供动力为例，每小时的成本仅为300-350美元。如果柴油的价格是每加仑2.75美元，为传统的车队加油的成本将是每小时6000-7000美元。在大多数应用中，EWS估计改用天然气可以将燃料成本降低95%。
4.2国内：新玩家入场，走向海外是契机
目前中国生产电驱压裂设备的厂家主要包括杰瑞集团、四川宏华、宝石机械和四机厂。宏华的主要产品为6000型电动压裂泵组，杰瑞自主研发了电驱压裂成套设备，5000型、7000型、10000型均有，四机厂参与开采的主要型号为4500型和5000型。