油田壓裂車組控制系統(tǒng)的改進

喬曉東

川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業(yè)公司，陜西 咸陽 712000

1 概述

近年來，油田水力壓裂技術得到迅速發(fā)展，水力壓裂在油田得到了高度重視和廣泛的應用。應用水力壓裂技術解決了油層非均質的多套層系的同井開采的矛盾，不僅油井增產，更重要的是油田開發(fā)得到了改善，同時還提高了儲量動用程度，特別將難動用的低滲透油層儲量動用起來了，為油田勘探開發(fā)作出了重大貢獻。水平井壓裂作為提高水平井開發(fā)放果的一項新技術，是高效開采低滲透油藏的有效措施之一，在開發(fā)低滲透油氣田過程中有著很好的效果和廣聞的前景。由于水平井井眼軌跡和直井不同，水平井鉆遇地層與立井相比較為復雜，其井筒應力分布、裂縫起裂和裂縫延伸的規(guī)律、溫度場分布、產能預測方法、裂縫參數優(yōu)化設計與直井壓裂有很大不同。

壓裂車組控制系統(tǒng)在油田中大量應用，以筆者所在單位為例，主壓車有兩種，一種是四機廠的2000型，屬于串聯控制系統(tǒng)；一種美國SS的2000型，采用的是并聯控制系統(tǒng)。本文以90年代初引進的HQ- 2000型為例，就油田壓裂車組控制系統(tǒng)的改進進行探討。

2 水力壓裂在油氣田開發(fā)中的作用

2.1 壓裂是中、低滲透油田勘探、開發(fā)工程序列中的重要環(huán)節(jié)

由于中、低滲透油田儲層物性條件的限制以及在鉆井過程中的鉆井液污染等原因，油井射孔后自然產能低，開采效益差，必須經過壓裂才能投入正常生產。壓裂改造是科學評價中低滲透油、氣田的重要手段。

2.2 限流法壓裂是中低滲透油田完井工程的一個重要方法

它通過控制油層孔密、大排量供液，形成足夠的炮眼摩阻，使井筒內保持較高的壓力，從而達到連續(xù)壓開一些破裂壓力相近層的目的。它適用于厚度小、夾層薄、多油層的新井完井壓裂。其特點是射孔方案必須滿足壓裂施工的要求，射孔方案是壓裂方案的一部分。各小層射孔數量、總的射孔數量以及孔眼直徑都必須根據地面所能提供的最大施工排量、施工管柱結構、最大破裂壓力差異值以及各目的層的物性參數來確定。

2.3 壓裂是非均質、多油層油田調整層間矛盾、平面矛盾，實現分層開采的重要措施

非均質、多油層油田實施注水開發(fā)，雖給油田帶來了旺盛的生產能力，但也會造成層間或平面上的突進，為調整這些矛盾，在油水井內對應地進行分層改造，提高中、低滲透層的吸水能力和產能，對調整層間矛盾、平面矛盾，改善油田開發(fā)效果將起著重要的作用。

2.4 壓裂是低滲透油水井實現增產、增注技術的重要措施

水力壓裂能夠在儲層中形成一條具有較高導流能力的人工裂縫，從而降低油、氣流入井筒內的滲流阻力，提高油氣井的產量；從試井分析的角度評價，水力壓裂的增產機理則相當于擴大了井筒的有效半徑。這對低滲透油田單井增產增注具有重要的意義。

3 90年代初引進的HQ-2000型壓裂車組控制系統(tǒng)存在的問題

90年代初引進的HQ-2000型壓裂車組目前在很多油田中還在大量應用，但是其控制系統(tǒng)越來越不能適應目前的油田生產要求。其控制系統(tǒng)自動化水平較低，除了超壓保護部分是自動控制之外，混砂車轉速、壓力、壓裂車轉速、排量等這些參數自動化程度低，多為人工調節(jié)和控制，這無疑增加了控制系統(tǒng)的誤差性、使壓裂現場施工難度變得更加困難。

4 控制系統(tǒng)改進的措施

4.1 功能設計

控制系統(tǒng)改進是通過參考中石化江漢油田四機廠2500型壓裂機組技術，同時結合自身工作實踐來提出的一個思路。

控制系統(tǒng)經過改進之后，應該實現控制系統(tǒng)自動化，能夠具有實時數據管理、實時數據監(jiān)測、實時數據調節(jié)等功能，其數據的采集來源主要是對井下壓裂設計參數進行采集，同時還提供報警輸出、模擬數字信號相互轉換，控制輸出等功能，將發(fā)動機、變速箱、柱塞泵、液壓系統(tǒng)控制信號納入1939通訊協議當中進行網絡控制。通過數據卡進行數據采集、監(jiān)控數據變化情況等方法來實現系統(tǒng)的控制。主要包括光電隔離數據采集模塊、輸入模塊、輸出模塊、計算機軟件程序、網絡管理模塊等。控制系統(tǒng)軟件是用Delphi 5開發(fā)完成，以Windows XP操作系統(tǒng)為核心，主要可以完成檔位控制、油門控制、轉速控制等操作。

4.2 系統(tǒng)結構及原理

考慮到油田壓裂車組控制系統(tǒng)的使用獨立性和實際操作的復雜性，我們在設計時應該注意參考國內外先進的布線方式、安裝方式和設計思路，整個控制系統(tǒng)可以按照需要來分成多個子系統(tǒng)。主要包括∶ 井下混砂車的遠程控制系統(tǒng)、超壓保護部分、實時監(jiān)測井下壓裂施工部分、電源部分、井下壓裂設計參數調整部分、井下壓裂車的遠程實時控制系統(tǒng)等。

4.3 控制執(zhí)行機構的改進

油田壓裂車組控制系統(tǒng)的執(zhí)行控制機構主要有：油門調節(jié)裝置、檔位控制裝置和另外的一些控制參數調節(jié)機構等。

1）檔位的控制可以通過編碼程序和頻率開關等來控制井下壓裂車檔位，可以分為兩套操作部分，即自動和手動；

2）為了讓油門調節(jié)實現對油田壓裂車組的各個發(fā)動機進行最有效的控制，應該讓計算機通過預先設置好了的控制模式來進行自動調節(jié)，同時能夠實現手動和自動這兩種控制方式；

3）調節(jié)控制參數可以讓計算機通過預先設置好了的控制模式來對各個執(zhí)行機構進行控制，完成自動調節(jié)。當由自動方式切換到手動方式的時候，就可以通過控制輸出模塊、調節(jié)面板電位器等方法來實現控制現場機構。所有的控制參數都能夠在計算機操作屏和操作面板上觀察。

5 最新國產油田壓裂車組控制系統(tǒng)的應用

2500型壓裂機組是江漢油田四機廠歷時8個月研制成功的，在國際上首創(chuàng)二類汽車底盤作為大型壓裂設備的載運車，對底盤選型發(fā)動機動力匹配集成優(yōu)化，提高設備的移運能力，采用該廠具有自主知識產權的輸出功率達2500馬力的五缸柱塞泵，該泵可抗高疲勞強度，沖擊、韌性好，優(yōu)化設計了壓裂泵腔及吸排出口，使吸入排出效率從90%提升到95%，相當于將壓裂車的排量提高5%。該車采用耐硫化氫高壓管匯，整車全部采用三維設計，提高了設計可靠性，第一次美國底特律公司和雙環(huán)公司對2500壓裂車的動力系統(tǒng)匹配進行了嚴格測試，測試結果表明該車的動力匹配完全達到發(fā)動機和變速箱的匹配要求。測試專家認為，該款車型控制系統(tǒng)的控制信號采集方式處在國際先列。中原油田井下特種作業(yè)處作為該設備的國內首批訂貨方，多次在東北、普光、中原等油氣田進行應用，控制系統(tǒng)效果獲得好評。

6 結論

總之，油田壓裂車組控制系統(tǒng)的改進是極為必要的，具有較高的經濟價值和社會效益，值得大力探討。

[1]彭建業(yè).2237kW動力系統(tǒng)在油田壓裂設備上的應用[J].石油機械，2008(10).

[2]劉濟寧.國內壓裂車制造業(yè)發(fā)展回顧與展望[J].石油礦場機械，2004(S1).