壓裂車組多車型聯控聯調控制系統設計及應用

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(中國石油集團渤海鉆探工程公司，天津 300280 )

壓裂車組多車型聯控聯調控制系統設計及應用

呂選鵬，徐克彬，向榮，郭懷玉，王江，劉玉海，朱傳寶，徐昊洋

(中國石油集團渤海鉆探工程公司，天津 300280 )

針對油氣田大規模水力壓裂，采用不同型號的壓裂車組進行聯合壓裂作業時，難以同步協調控制的問題，采用網絡體系中的中間件技術，對不同車組的壓裂車進行分布式控制、通信信道寬頻帶無線傳輸，全雙工通信，容錯機制檢驗，實現不同格式數據比特流的傳輸，用于數據格式語義統一標識和標準格式轉換，保證不同壓裂車組數據彼此透明，實現不同壓裂車組實時精確控制。

壓裂車組；控制系統；方案；設計

隨著國內外非常規油氣資源的開發規模日益增大，低滲、超低滲油氣藏及致密氣、煤層氣、頁巖氣體等非常規油氣資源被認為是最有希望的補充能源，成為世界未來能源和經濟發展的主要支撐，帶來了全球范圍內超大規模壓裂、整體壓裂、體積壓裂等技術需求。因其需要多臺設備配合、機組功率大且復雜多樣，單一車組很難獨立完成，多車組協同作業成為必然趨勢[1]。實現協同作業的關鍵設備是控制系統，需要對現場多臺壓裂車組、混砂車等設備進行壓力、排量、砂比等施工參數控制，但由于多種復雜原因，不同廠家、同廠不同型號的壓裂設備目前還不能由同一控制系統監控，這給大規模施工帶來諸多困難，一定程度上影響了作業設備的控制協調及施工數據的采集，并存在重大施工安全隱患，影響施工質量，嚴重時造成施工失敗[2-3]。因此，迫切需要開發壓裂施工一體化集中控制調配系統，實現各車型間的聯控聯調。

1 方案設計原則

為達到集成壓裂機組控制要求，實現施工作業全過程的統一控制操作，就必須對控制系統進行深入的分析與研究，根據控制要求提出有效的總體控制方案與設計，滿足大排量、大液量壓裂施工的要求，實現對油田現有壓裂裝備優化配套組合，并對多級供液體系、地面高低壓流程的優化配置以及施工數據采集系統進行技術對接，實施多車組聯合作業施工，使多套壓裂機組實現集中控制。

因此，在設計控制系統時，應遵循以下基本原則：

1) 通過網絡系統實現壓裂車組整個系統的統一控制。集中控制數臺泵車及壓裂單元和混砂單元，包括機組設備的啟動、換擋、參數顯示、自動壓力控制和自動排量控制。實現施工作業全過程的統一控制操作[4]。

2) 能夠實時采集、顯示、記錄壓裂作業全過程資料數據和參數，其數據采集單元可與網絡中任意一臺設備連接，實現數據采集和分析。各單臺設備的數據采集和控制通過數據線傳輸實現數據共享，對壓裂作業數據進行分析、處理。數據采集系統選用國際標準接口，具有互換性和通用性[5]。

3) 能夠將施工現場壓裂數據、控制參數遠程傳輸，實現壓裂現場指揮中心和后方基地對壓裂施工的實時監測。

4) 保證車組原系統的完整性，所開發的新的控制系統要求安全、可靠。在滿足多臺設備控制要求的前提下，力求使控制系統簡單、經濟、實用及維修方便。

2 系統方案設計

針對目前不同廠商、不同型號的儀表車、壓裂機組及混砂車等設備控制互不兼容問題，采用“硬件屏蔽、軟件協議開放”的技術體系，對不同設備控制信號分析與解碼，利用中間件網絡技術，將不同車組的壓裂泵車、混砂車及管匯的壓力、排量、密度等參數進行解碼，結合壓裂工藝要求對各個壓裂泵車進行調控，通過安裝在儀表車內的計算機系統和連接電纜協同作業，開發壓裂施工一體化同步控制系統，實現不同壓裂車組壓裂泵車、混砂車和儀表車，任意組合配套，壓裂設備可互換或同步聯機工作，保證在壓裂車組原有控制系統不變的情況下實現多車型異構控制系統的同步實時控制。

2.1 系統總體結構與設計

整套系統由數據采集系統、通信系統、網絡系統、同步控制系統(泵車工控機和混砂車工控機)以及顯示系統等構成。

目前國內同一家油氣工程技術服務公司使用的壓裂車組類型很多，不同壓裂車組指揮車控制系統數據格式不同，這里分別以A型、B型、C型來代表不同廠家壓裂車組數據控制系統，如圖1所示。

圖1 不同數據結構壓裂車組控制系統

不同的壓裂車組信號系統，都通過網絡服務器控制對方壓裂施工設備，而且這兩套信號系統試圖都通過同一套網絡服務器采集不同施工設備的工作參數。因為兩套不同的通信系統采用不同的通信協議，數據格式彼此不同，而且不同的施工設備工作參數編碼格式也不同，這樣，不僅造成雙方無法使用對方的數據，造成資源浪費，而且也不便控制對方設備，協同工作，造成事實上壓裂效率降低。

2.1.1不同壓裂車組間的數據采集系統

針對不同的壓裂車組數據格式，采用網絡中間件技術，調制成統一數據格式[6]。數采系統主要將施工過程中產生的數據、控制參數采集到施工現場的指揮中心，實現數據的實時監測和控制。數據采集主要通過3種方式實現：①通過儀表車網絡接口(沒有網絡接口的老式儀表車使用串口)獲得；②從儲存在FPA文件中的數據來模仿數據采集；③從一個共享文件采集數據。其中第3種方式是現場指揮中心接收現場實時數據的軟件接口。將采集到的不同格式的數據通過中間件格式轉化成同一格式的dbs庫文件，實時傳輸到現場指揮中心，后臺的技術人員便可對該數據文件進行讀取、分析等，最后輸出統一格式的控制參數，通過中間件解碼成泵車工控機和混砂車工控機各自識別的參數，控制工控機相應行為。

2.1.2不同壓裂車組間的通信系統

不同壓裂車組系統間的通信以及與后方專家監控平臺之間的通信，分為內網和外網，分別采用無線WIFI傳輸和3G(或4G)通信系統，實現不同壓裂車組間與后方專家間的數據流傳輸、通信等。施工現場通信示意如圖2所示。

圖2 施工現場通信示意

1) 內網通信系統設計。

設計不同壓裂車組內網通信的目的，主要針對控制不同壓裂車組的音頻、視頻、數據流等，格式異構，彼此之間傳輸時信息量大，而實際現場施工時要求不同的壓裂車組能夠實時控制，因此現場不同壓裂車組間通信采用無線WIFI傳輸技術。這是因為WIFI帶寬高、傳輸速率快、誤碼率底、抗干擾能力強，俗稱無線寬帶。WIFI信號覆蓋半徑為100 m，能夠覆蓋整個施工井場周圍無衰減，現場數據傳輸速率可以達到54 Mbp/s，符合工業控制和傳輸的要求[7]。它基于IEEE802.11協議，施工現場可以應用成熟的IEEE802.11b協議，方便采用網絡中間件技術，可以將不同結構的個人電腦、手持終端互連，將不同設備格式的數據解調識別，達到不同壓裂車組相互間通信和控制的目的。

2) 外網通信系統設計系統設計。

針對WIFI傳輸距離短、信號衰減快的缺陷，現場與后方專家監控平臺之間的通信設計3G(4G)外網傳輸技術。3G(4G)信號系統主要用于將不同壓裂車組現場施工數據解構后傳輸到遠程監控平臺，實現壓裂施工數據的遠程監測。根據對不同運營商的3G(4G)網絡覆蓋情況(包括覆蓋范圍、信號質量等)、實際帶寬的比較、評估，主要選擇中國電信(CDMA2000)的3G網絡進行3G應用區域搭建和中國移動4G網絡進行4G區域的搭建。在3G(4G)網絡實施中結合各業務場景應用帶寬真實需求，測試本地3G信號質量、帶寬情況，根據帶寬要求進行適當選擇，必要時將要求運營商提供必要的信號和最小帶寬保障，以保證業務的正常開展。為確保數據安全，3G(4G)網絡接入的是營運商構建的“專網”，運營商通過VPN隧道技術，建立一條虛擬專線，實現3G(4G)的專網通信。3G(4G)專用通信網絡VPN虛擬隧道數據傳輸技術，干擾少、高帶寬、并行傳輸誤碼率底、保密性強，可以保證多車型壓裂車組實現全雙工通信，同步實時控制，方便現場壓裂指揮工程師和監控平臺指揮多車型壓裂車組同步壓裂，最終促使成功實施高質量的非常規油氣大規模體積壓裂[8]。

2.1.3不同壓裂車組間的網絡系統設計。

為了保證不同壓裂車組物理信道之間信號不衰減，抗干擾，在數據傳輸底層物理信道上，施工現場架設900兆路由器，增加信號增益放大器，使用有線和WIFI網絡系統，通過儀表車和工控機RJ45接口對控制數據進行采集[9]，通過現場專設的WIFI通信系統實現數據存儲，在總控服務器上配置中間件軟件對數據進行調制和解碼[10]，實現不同混砂車工控機和泵車工控機控制數據開放輸出，對不同壓裂指揮車技術人員實現透明，達到現場所有泵車和混砂車進行同步協調控制目的。

2.1.4不同壓裂車組間同步控制系統設計。

針對目前不同廠家、不同型號的壓裂機組及混砂車等現場設備的控制互不兼容問題，選擇網絡集中式控制技術，通過計算機系統和連接電纜協同作業，采用中間件技術，兼容多家主流壓裂泵車數據格式，任意組合配套，保證最終輸出的數據開放、透明，在壓裂車組原有控制系統不動的情況下實現多車型的控制系統的統一同步控制，實現聯合作業，提升整套壓裂設備的整體壓裂效果。系統功能設計如表1所示。

表1 壓裂泵車聯合控制同步系統功能設計

2.2 系統軟件開發與功能框架設計

中間件網絡控制系統功能涵蓋與主流泵車控制系統所有功能，GUI界面設置符合用戶習慣[11]。主界面運行結果如圖3所示。

圖3 主運行監控界面

單泵運行監控結果如圖4所示。

圖4 單泵運行監控界面

軟件功能框架設計如下：

1) 主運行監控及單泵運行監控。主控機上配置了中間件軟件，采用網絡分層體系架構，負責解碼不同壓裂車組的異構數據，保證這些數據對壓裂工程師透明，不同壓裂車組開放，顯示施工參數圖形，實時同步聯網控制不同壓裂泵車。單泵運行監控：顯示當前泵的詳細參數值和警告提示，并顯示當前大泵排量和大泵壓力的曲線[12-13]。

2) 大泵校準。試壓時間設置，大泵壓力校準，大泵排量校準，發動機和大泵的系統參數設置以及油門控制的設置。

3) 報警校準。傳動箱油溫校準，傳動箱油壓校準，大泵油溫校準，大泵油壓校準，傳動箱高油溫報警值設定、低油壓報警值設定，大泵高油溫報警值設定、低油壓報警值設定，發動機高水溫報警值設定、低油壓報警值設定，以及泵車牌號和大泵柱塞尺寸設定。

4) 限值設置。總超壓保護值設定、總大泵效率設定。

5) 單泵單獨控制。包括發動機啟動，發動機停止，發動機急停，快捷停(一健怠速，空擋，剎車)，擋位設定，油門升降，超壓復位，試壓測試。

6) 機組編組控制。編組控制就是將某些泵車設置為一組，編組后的控制包括擋位控制，油門控制，快捷停控制。

7) 定排量定壓力控制。泵車自動定排量、定壓力控制就是將某些泵車設置為自動模式，然后設定一個排量值，設定一個壓力值，根據設定的壓力值，劃分為3個區間。

8) 機組總急?？刂?。按鍵“急?！保⒋_認后將對網絡上所有泵車進行發動機急停控制。

9) 機組總快捷?？刂啤０存I“快捷?！?，并確認后將對網絡上所有泵車進行快捷停控制(空擋，怠速，剎車同時完成)。再次按鍵并確認后，將取消快捷停保持狀態。只有快捷停狀態取消后，才可能對泵車進行擋位和油門控制。

10) 監測報警信號。主要是發動機、傳動箱、大泵3大核心部件，包括大泵報警(包括高油溫和低油壓)、傳動箱報警(包括高油溫和低油壓)、發動機故障(包括高水溫和低油壓等，)、超壓報警(大泵排出口壓力超過設定值)。

11) 對發動機控制。通過輸出對應信號給ECM模塊來實現，主要有發動機的啟停、急停和油門調節。

12) 對傳動箱控制。主要是換擋與解鎖，通過給不同的擋位電磁閥通斷電來實現N-7擋間的切換；鎖定指示為安全換擋提供保證。

13) 界面顯示設置。主要是顏色設置。

14) 作業過程提示。包括：有泵離線提示，通訊線斷開提示、吸入口壓力低提示等。

3 泵車測試及現場應用

3.1 不同車組壓裂泵車同步測試

采用A型車組2000型泵車軟件系統版本3.5，分別測試兩臺JR5381TYL型壓裂車，A型車組2000型泵車的通訊控制，經過多次測試，均測試成功。

3.2 測試過程

1) 8號泵車與筆記本電腦軟件單獨連接網線測試，界面如圖5～6所示。

圖5 8號泵車觸屏顯示儀表數據界面

圖6 8號筆記本電腦顯示儀表數據界面

2) 17號泵車與筆記本電腦軟件單獨連接網線測試，界面如圖7～8所示。

圖7 17號泵車觸屏顯示儀表數據界面

圖8 17號筆記本電腦顯示儀表數據界面

通過上面的兩步通信測試，經過泵車軟件和筆記本測試軟件的比對，發現大多數的參數項數值是一致的，說明數據項通訊測試成功。通過上面控制系統測試，在筆記本電腦監控軟件上設置擋位后，A型車組泵車觸屏軟件也同步為相同的擋位；在A型車組泵車觸屏軟件上設置擋位后，筆記本電腦監控軟件也同步為相同的擋位，說明控制項測試成功。

3.3 現場應用

該系統在長寧頁巖氣大規模壓裂現場成功應用，實現了不同壓裂車組施工油壓、套壓、砂比、排出流量、階段排量、排出總量、砂流量、砂量階段累計和輸砂總量實時參數的采集，應用壓裂曲線、實時數據和視頻監控多種手段監測壓裂過程，形成了壓裂單次作業報告?，F場壓裂作業曲線及監控界面如圖9～10所示。

圖9 壓裂作業報告曲線界面

圖10 壓裂作業現場監控界面

4 工藝效果分析

通過泵車測試以及現場應用，此套壓裂車組多車型聯控聯調控制系統得到了驗證。通過網絡系統實現了對整個壓裂車組統一控制，系統能夠對作業全過程中的數據和參數實行實時采集、顯示與記錄，而且實現了對作業數據參數的遠程傳輸，使整套系統更加人性化[14-15]。最主要的是此套系統保證了原系統的完整性，而且簡單、可靠，操作成本及維修成本低，具有很好的工程應用前景。

5 結語

通過方案設計實施，解決了各壓裂車組不能互相兼容的問題，實現了復雜大型壓裂施工的30多路主壓設備的有序調控和數據采集，形成壓裂酸化施工過程的現場控制調配和基地遠程指揮相結合的工作模式，提高了現場信息傳遞的及時性，也提高了信息的準確性，便于技術人員、生產管理人員、專家等直觀、方便地進行研究和遠程決策，指導壓裂施工。特別是對特殊緊急情況和異常情況，可以集中群體智慧進行評價和決策，并可通過監控系統實時與現場人員進行交流并下達指令。聯控系統經過現場試驗運行，性能穩定，通用性強，其功能作用明顯，大幅提高了工作效率。

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DesignandApplicationofControllingSystemforCombinedControlandAdjustmentofMultiple-typedFracturingPumpUnits

LYU Xuanpeng，XU Kebin，XIANG Rong，GUO Huaiyu，WANG Jiang，
LIU Yuhai，ZHU Chuanbao，XU Haoyang

(CNPCBohaiDrillingEngineeringCompanyLimited，Tianjin300280，China)

Based on massive hydraulic fracturing for oil & gas field，it is difficult to synchronously coordinate controlling problems when using different typed fracturing pump units.Adopting middleware technology in network system to conduct distributed control for different fracturing pump units，broadband wireless transmission for communication channel，full duplex communication and fault-tolerant inspection，and realize bit stream transmission of data in different formats.And it is used for semantics unified identification of data format and transformation of standard format，and it can guarantee that the data is transparent among different fracturing pump units，so to achieve accurate real-time control for different fracturing pump units.

fracturing pump unit；controlling system；program；design

1001-3482(2017)06-0075-07

2017-05-27

中國石油集團渤海鉆探工程公司重大科技研發項目“大型壓裂控制及專家決策系統研發”(2015ZD06K)

呂選鵬(1972-)，男，陜西咸陽人，高級工程師，主要從事油氣田勘探開發研究與管理設計工作，E-mail：lvxuanpeng@cnpc.com.cn

TE928

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.016