油田壓裂車組控制系統優化改造

仉學宇

（大慶油田有限責任公司井下作業分公司壓裂大隊，黑龍江大慶 163000）

0 引言

隨著科技技術的不斷發展，越來越多的先進科技技術也在油田行業中逐漸得到了廣泛的應用，其中水力壓裂技術就是一種現代化技術類型，此技術的應用主要是通過壓裂車組控制系統實現的，而隨著時代的發展，壓裂車組控制系統也逐漸顯露出控制能力的滯后性和不足性，因此本文就對油田壓裂車組控制系統中存在的不足進行分析，并提出一定的優化改造措施，來提升其使用的性能。

1 水力壓裂技術作用

在中低的滲透油田進行鉆井作業中，由于受到泥漿污染和儲層條件等限制，就會導致自然的產能低和效益差等情況，這就需要借助壓裂處理才能夠進行正常的投產，因此水力壓裂技術為勘探開發和低滲透率的油田工程生產必要手段。水力壓裂技術能夠實現油水井內的分層化改造，來提升中低的滲透層吸水的效果以及產量，并對非均質以及多油層油田的開發過程層間的沖突和平面的矛盾進行調整，從而為分層開發提供技術保障。水力壓裂技術可以于油氣的儲層內進行一強導流能力縫隙的開辟，能夠有效降低井筒中油氣流體滲流的阻力，并實現對產量的提升，因此次技術能夠有效增加產能和增加注水[1]。壓裂技術也是中低的滲透油井進行作業的有效手段，它通過對油層孔隙密度與供給液體排量進行控制，來形成足量大炮眼的摩阻，并于井筒內產生顯著壓力，實現對近似破裂壓力油層的連續壓開。

2 油田壓裂車組控制系統優化改造背景

在現階段非常規的油氣資源開發越來越頻繁，一些低滲和超低滲的油氣藏等油氣資源已經成為重要的補充資源，也是世界未來發展中的能源支撐，因此這對超大規模的壓裂和整體壓裂等技術要求就比較高，油田壓裂車組需要有多臺的設備進行配合，且機組的功率也比較大，如果是單一的車組就不能獨立進行工作的完成，需要其多車組進行協同作業。想要實現設備的協同作業，就需要做好控制系統的優化和改造，設計出一體化的壓裂施工集中控制系統，從而實現其各車型間聯控和聯調。對其控制系統實施深入全面的分析，按照控制要求進行總體控制的方案制定，對現有的壓裂裝備進行配套組合的優化，同時對多級的供液體系和地面中高低壓的流程進行配置優化，并實現施工數據的采集系統對接，來達到多車組的聯合作業，從而使其能夠滿足大排量和大液量的壓裂施工[2]。此種系統也在一些工程中得到了一定的應用，如長寧頁巖氣大規模壓裂。

3 優化改造原則

在優化改造中，需要遵循相應的原則。要保證借助網絡系統能夠實現其壓裂車組系統的集中和統一性控制，需要其系統能夠對數臺泵車、壓裂單元以及混砂單元實現集中控制，主要包括有機組設備啟動、顯示參數、換擋、自動化壓力控制以及自動的排量控制等。同時還需要其能夠對壓裂過程的數據與參數進行實時的采集、記錄和顯示等，且數據的采集單元還能夠和網絡內任一設備進行連接，從而實現數據的采集與分析。各個單臺設備數據的采集以及控制能夠借助數據線進行傳輸和共享，并對壓裂的作業數據實施處理和分析。優化改造還要能夠實現對施工中壓裂的數據以及控制的參數進行遠程的傳輸，讓壓裂現場的指揮中心以及后方基地能夠對壓裂的施工進行實時性的監測[3]。另外，還要保證其車組原來系統具有良好完整性，新改造的系統需要安全和可靠，同時在保證能夠對多臺設備進行控制的基礎上，盡可能的實現系統的經濟實用和便于維修。

4 油田壓裂車組控制系統優化改造

4.1 改造方案

對現階段不同的廠商和不同型號儀表車、混砂車和壓裂基礎等設備的控制情況，一般都是互不兼容的，本文就通過硬件屏蔽和軟件協議的開放技術，來對其不同設備的控制信號進行分析和解碼，借助中間件的網絡處理技術，把不同車組壓裂泵車以及混砂車和管匯具有的壓力、密度、排量等參數實施解碼，并和壓裂工藝的要求進行結合，對各壓裂泵車實施調控，在儀表車中進行計算機的系統安裝來與電纜連接，從而實現協同性作業。在此系統中，能夠實現對不同的壓裂車組內混砂車、儀表車與壓裂泵車的任意組合，且壓裂設備能夠互換或者同步聯機進行工作[4]。

4.2 系統的總體結構改造

此整套系統主要包括數據采集、通信、網絡、同步的控制和顯示等系統組成。目前所使用壓裂車組的類型是很多的，而不同的壓裂車組控制系統的數據格式也是不同的，不同壓裂車組的信號系統都借助網絡化服務器進行對方的壓裂設備施工控制，由于不同通信系統具有通信協議也是不同的，就會導致其數據格式的不匹配，進而導致資源的浪費、壓裂的效率低等情況。

4.2.1 不同壓裂車組間的數據采集系統

對于不同壓裂車組的數據格式類型，主要通過網絡化中間件的技術，將其數據調制為統一性的格式，其數采系統把施工中存在的數據和控制參數等進行采集，并上傳到施工的現場指揮中心內，從而實現對數據實時的監測與控制。在數據的采集中，一般有3 種方式來實現，分別是儀表車的網絡接口信息獲取、FPA 儲存文件內數據的模仿采集和從共享文件內進行數據采集，且其第3種的方式也是現場的指揮中心對現場的實時數據接收的軟件性接口。把所采集不同的格式數據借助中間件的格式將其轉化為同一類型的格式，并實時向現場的指揮中心進行傳輸，則后臺人員就能夠對此數據實現讀取和分析等，進而輸出格式統一的參數進行控制，并借助中間件將其解碼為泵車的工控機以及混砂車的工控機能夠識別的控制參數，來對相應的工控機進行控制。

4.2.2 不同壓裂車組間的通信系統

對于不同壓裂車組間的通信系統主要包括不同的壓裂車組間系統的通信和與后方的專家監控相應平臺間通信，也被稱作內網與外網，它們分別使用的是無線Wi-Fi 的傳輸與3G 或者4G 通信的系統，來實現對不同的壓裂車組之間和與后方的專家間數據流的傳輸和通信等。

（1）內網。對不同的壓裂車組進行內網通信改造，主要是對不同的壓裂車組音頻、數據流等進行控制，由于它們的格式存在異構性，其相互間的傳輸量也十分大，想要實現對不同壓裂車組的實時性控制，在內網設計中就使用無線WiFi 技術進行通信，主要是因為其帶寬高且傳輸的速率快。它是基于IEEE802.lib 的協議，因此能夠便于使用網絡化中間件的技術，實現不同結構特點的電腦和手持終端進行互相連接，來對不同的設備格式數據進行解調和識別，實現內網的通信與控制。

（2）外網。現場和后方專家的監控平臺間進行通信使用的是3G 或4G 的外網技術，此種信號系統對不同性壓裂車組的現場數據進行解構后再傳輸至遠程監控的平臺中，來達到對壓裂施工的數據遠程性監測目的。本文選擇中國電信3G 網絡進來實施3G 區域搭建以及中國移動的4G 網絡來實施4G 區域搭建。基于保證數據安全的目的，此3G 或4G 網絡的接入的為營運商所建立的專網，并借助VPN 的隧道技術來進行虛擬專線的建立，實現多車型壓裂車組的全雙工通信，且同步實時進行控制，還能夠便于現場壓裂的指揮工程師以及監控平臺來對多車型的壓裂車組進行的同步壓裂進行指揮。

4.2.3 不同壓裂車組間的網絡系統設計

不同性壓裂車組的物理信道使用中，為了保證其信號不發生衰減，于數據傳輸的底層信道中進行了900M 的路由器架設，來進行放大器的增益并增加信號，借助儀表車以及工控機接口來對控制的數據實施采集，并利用現場Wi-Fi 的通信系統來對數據進行存儲，于總控的服務器中進行中間件的軟件配置，來對數據實施調制與解碼，對不同性混砂車的工控機以及泵車的工控機進行數據開放性輸出的控制，同時對不同性壓裂的指揮車人員具有透明性，能夠實現對現場的全部泵車以及混砂車同步的協調和控制。

4.2.4 不同壓裂車組間同步控制系統設計

由于不同廠家和不同型號壓裂機組與混砂車間的控制是不兼容的，可以通過網絡集中控制技術來進行解決。借助計算機的系統與連接的電纜進行協同性作業，通過中間件的技術來對多家的壓裂泵車的數據格式實現兼容，并可以任意進行配套組合，從而于壓裂車組沒有變動原有的控制系統情況下，來對多車型控制系統實現統一性和同步性控制。

4.3 系統軟件功能框架

主運行的監控和單泵運行的監控：在主控機中進行中間件的軟件配置和，通過網絡分層的體系架構來進行不同性壓裂車組異構數據的解碼，使此類數據是透明的，并顯示出施工參數的圖形，和聯網實時同步來對不同性壓裂泵車進行控制；在單泵運行的監控中，主要對當前泵詳細的參數值以及警告進行提示顯示，同時顯示目前的大泵排量以及大泵的壓力曲線等。

（1）大泵校準。主要設置有試壓的時間、大泵壓力的校準、大泵排量的校準、發動機與大泵系統參數、油門控制等。

（2）報警校準。主要校準內容包括傳動箱的油溫和油壓、大泵的油溫和油壓、傳動箱的高油溫設定報警值、低油壓設定報警值、大泵設定高油溫的報警值、低油壓設定報警值設定、發動機設定高水溫的報警值、低油壓設定報警值、泵車牌號以及大泵柱塞的尺寸設定等。

（3）單泵的單獨控制。主要有發動機的啟動和停止、發動機的急停和快捷停、擋位的設定、油門的升降、超壓的復位和試壓的測試等。

（4）機組的編組控制。主要是把某些泵車進行一組的設置，在編組后進行控制，包括有擋位的控制、油門的控制和快捷停的控制等。

（5）定排量和定壓力的控制。主要是把某些泵車進行自動模式的設置，并設定相應排量值和壓力值，按照其壓力值的設定，進行區間的劃分。

（6）對機組的總快捷停進行控制。進行快捷停的按鍵，確認后對網絡中全部泵車實施快捷停的控制，再次進行確認按鍵后，就會對快捷停的保持狀態進行取消，在快捷停的狀態進行取消后，再對泵車實施擋位以及油門的控制。

（7）對報警信號監測。監測部位主要為發動機、大泵和傳動箱等核心的部件，信號監測涉及的報警內容為發動機、大泵和傳動箱的高油溫與低油壓報警以及大泵的排出口超壓報警等。

5 結語

對壓裂車控制系統計進行優化改造后，能夠有效解決各個壓裂車組間不兼容問題，達到復雜大型的壓裂施工效果，并形成了壓裂施工現場控制與遠程指揮結合的管理模式，同時現場信息的傳遞速度和準確性都得到了顯著提升。