壓裂供水自動(dòng)化裝置的研究與應(yīng)用

楊保良，毛建偉，冉 建

（川西鉆探公司機(jī)電工程公司，四川遂寧 629000）

0 引言

川渝地區(qū)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)主要采用水力壓裂法，供水是壓裂施工不可缺少的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)隨著開(kāi)發(fā)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，壓裂技術(shù)及效果直接決定氣井的產(chǎn)量。受有效水源區(qū)域、工程揚(yáng)程影響，多采取一級(jí)或多級(jí)提水泵房并通過(guò)管網(wǎng)輸水至各個(gè)井場(chǎng)。作業(yè)過(guò)程中，各提水泵房需多人進(jìn)行操作配合，加上供水作業(yè)時(shí)間不確定等因素，存在人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作失誤造成設(shè)備損壞、供水可靠率低等問(wèn)題。壓裂液入井筒由于流量達(dá)16～25 m3/min，從而需求較大的供水系統(tǒng)為之保障，因此可靠性供水能力直接影響著壓裂進(jìn)程及效果。

1 研究原因

受有效水源區(qū)域、工程揚(yáng)程因素影響，供水系統(tǒng)需要一級(jí)甚至多級(jí)提水至井場(chǎng)，根據(jù)壓裂供水設(shè)計(jì)要求，每級(jí)提水泵采用潛水泵從水源抽水至大型多級(jí)離心泵，水資源增壓后通過(guò)地面管網(wǎng)運(yùn)輸至井場(chǎng)，結(jié)合設(shè)備、管線承壓需求、現(xiàn)場(chǎng)壓裂罐區(qū)容積影響，整個(gè)作業(yè)過(guò)程需人員通過(guò)啟動(dòng)電機(jī)、觀察流量壓力，配合操作閘閥開(kāi)度等多環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)供水，整個(gè)井場(chǎng)壓裂期間操作達(dá)數(shù)百次。靠傳統(tǒng)人力進(jìn)行操作的方式存在諸多缺陷。

（1）為保證提水泵站安全運(yùn)行，離心泵安裝選址高于水源歷史水位，受氣蝕余量影響，啟動(dòng)前操作潛水泵需對(duì)其灌液，形成一定管壓后才能啟動(dòng)并開(kāi)啟輸出閘閥，多環(huán)節(jié)配合作業(yè)增加操作難度，這在一定程度上影響供水可靠性。

（2）閘閥開(kāi)度大小根據(jù)管線承壓要求及供液能力進(jìn)行定位。操作不當(dāng)會(huì)造成管線高壓破裂易造成人員傷害。

（3）系統(tǒng)運(yùn)行中，需依靠人員觀察各型壓力表、流量計(jì)及電氣儀表，遇夜間作業(yè)光線不好，監(jiān)控難度較大，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題不及時(shí)，造成電氣設(shè)備及其他設(shè)施損壞。

（4）壓裂期間，壓裂現(xiàn)場(chǎng)需求供水總量較大，設(shè)計(jì)提水站需每天供液時(shí)間達(dá)20 h，人員需要倒班，特別是多級(jí)提水站供水時(shí)，人員需求量大，運(yùn)維成本較大。

（5）戶(hù)外流量計(jì)等設(shè)施，受暴雨、水汽侵蝕，損壞后數(shù)據(jù)無(wú)法還原，影響供液數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，造成后續(xù)結(jié)算，影響供水效益。

因此，亟需研究一種安全、可靠、易操作、多功能的自動(dòng)化裝置。

2 研究目標(biāo)及內(nèi)容

針對(duì)人工手動(dòng)操作供水系統(tǒng)存在的上述缺陷，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作實(shí)際需求，新供水系統(tǒng)具備中心平臺(tái)遠(yuǎn)程操作、在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、安全可靠作為自動(dòng)化供水裝置的研制目標(biāo)。研究?jī)?nèi)容主要有以下6 個(gè)。

（1）研制一套智能化管理平臺(tái)，平臺(tái)服務(wù)器以通信總站打造，配置雙電源，磁盤(pán)采用陣列配置，同時(shí)配置UPS 等相關(guān)輔助設(shè)備。平臺(tái)采用B/S 架構(gòu)，服務(wù)器采用Windows 操作系統(tǒng)設(shè)置用戶(hù)管理，建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，提供豐富的跨平臺(tái)交互手段（如Web、APP 等），平臺(tái)通過(guò)視頻、數(shù)據(jù)采集等方式實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，同時(shí)能實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、報(bào)警、統(tǒng)計(jì)。

（2）系統(tǒng)拓?fù)洹８魈崴驹谙到y(tǒng)中以通信子站打造，采用西門(mén)子PLC 及Modbus-RTU 通信協(xié)議，通過(guò)DI/DO 模塊對(duì)設(shè)備進(jìn)行指令操作，配置AI/AO 模塊，視頻監(jiān)控模塊等實(shí)現(xiàn)壓力、流量、溫度、液位等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。各提水站配置以太網(wǎng)接口，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及路由器等與管理平臺(tái)通信總站建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)管理平臺(tái)遠(yuǎn)程操作、數(shù)據(jù)采集等無(wú)人化功能。

（3）設(shè)置高效網(wǎng)絡(luò)傳輸。由于各提水站距離相對(duì)較遠(yuǎn)，各站難以做到專(zhuān)用有限網(wǎng)絡(luò)連接，通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)在各提水站與平臺(tái)中心搭建一張IPSec 私有網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)調(diào)度中心設(shè)置一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)防火墻以保障內(nèi)網(wǎng)安全，各用戶(hù)端均需通過(guò)授權(quán)接入才能訪問(wèn)。

（4）用戶(hù)權(quán)限設(shè)置。各用戶(hù)端通過(guò)通信授權(quán)均可訪問(wèn)平臺(tái)服務(wù)器，設(shè)置監(jiān)控、操作等權(quán)限，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控用戶(hù)只能在線監(jiān)控?zé)o法操作的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

（5）研制冗余操作系統(tǒng)。考慮網(wǎng)絡(luò)中斷、故障時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法正常工作對(duì)供水功能的影響，增加手動(dòng)控制系統(tǒng)。擬對(duì)操作閘閥進(jìn)行改造，加裝半自動(dòng)、手/電動(dòng)切換機(jī)構(gòu)，電動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、自動(dòng)復(fù)位，斷電情況下可以用手動(dòng)功能完成閘閥開(kāi)關(guān)及調(diào)節(jié)。

（6）研制統(tǒng)計(jì)報(bào)警急停功能。根據(jù)設(shè)備運(yùn)行中溫度、壓力、流量、電流等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控及采集，分析正常有效值，設(shè)置報(bào)警值、急停值，能對(duì)設(shè)備異常運(yùn)行第一時(shí)間做到提醒與停止，避免設(shè)備惡性故障發(fā)生，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存分析和操作日志追溯。

3 研究技術(shù)指標(biāo)

自動(dòng)化裝置結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)主要分為用戶(hù)層、網(wǎng)絡(luò)層、生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)控層3 個(gè)主要部分（圖1）。

圖1 自動(dòng)化裝置結(jié)構(gòu)

（1）用戶(hù)層主要為系統(tǒng)平臺(tái)，配置專(zhuān)用服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理、儲(chǔ)存等：根據(jù)IP 地址分配授權(quán)，設(shè)置操作、監(jiān)控權(quán)限；用戶(hù)采取移動(dòng)終端、電腦終端、外拓顯示器實(shí)施監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、通過(guò)操作界面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，系統(tǒng)界面能及時(shí)對(duì)異常現(xiàn)象做到報(bào)警、急停提示；利用控制算法，對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)界面，實(shí)現(xiàn)操作日志追溯。

（2）網(wǎng)絡(luò)作為連接中樞，系統(tǒng)平臺(tái)電腦終端與提水站以太網(wǎng)就近通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與運(yùn)營(yíng)商建立有線連接，移動(dòng)客戶(hù)端通過(guò)運(yùn)營(yíng)商提供無(wú)線服務(wù)，因此整個(gè)系統(tǒng)總站與子站通過(guò)運(yùn)營(yíng)商建立通信連接，減少了各站點(diǎn)建立專(zhuān)用有限網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建立VPN專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，所有通信加密運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)功能。另外，數(shù)據(jù)服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間配置高性能防火強(qiáng)，防病毒侵犯、網(wǎng)絡(luò)攻擊等。

（3）生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)控層作為執(zhí)行反饋終端，根據(jù)操作流程圖及邏輯需求，建立操作梯形圖并進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)操作自我診斷功能，PLC 可編程控制器根據(jù)用戶(hù)層需求，通過(guò)輸入輸出模塊、中間繼電器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等原件，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備啟停操作。提水站系統(tǒng)中，設(shè)置有溫度、壓力、流量傳感器及高清攝像頭，統(tǒng)一與交換機(jī)連接，最終通過(guò)路由器反饋至系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行處理。

4 自動(dòng)化裝置主要配置及要求

（1）服務(wù)器。2U 機(jī)架式，E5-2603v4（1.7 GHz 主頻/6C 核）/6.4GT/15ML3 處理器2 顆，內(nèi)存16G，24 個(gè)內(nèi)存插槽，硬盤(pán)3T，主板集成雙口千兆網(wǎng)卡，PCI-E 轉(zhuǎn)接卡套件1 張，DVD 光驅(qū)1 個(gè)。

（2）交換機(jī)。24 個(gè)千兆電口+4 個(gè)光口，支持VSU，支持MACC統(tǒng)一管理，交換容量為336 Gbps/3.36 Tbps，包轉(zhuǎn)發(fā)率為51 Mpps/126 Mpps。

（3）防火墻。千兆防火墻，1U 高度，固化10 個(gè)千兆電口，1個(gè)con 口，1 個(gè)USB 口，內(nèi)置專(zhuān)用的硬件VPN 模塊。

（4）網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)NVR。網(wǎng)絡(luò)視頻輸入16 路，同步回放16 路，語(yǔ)音對(duì)講輸入1 路，輸出1 路，網(wǎng)絡(luò)接口2 個(gè)，RJ45 10M/100M/1000M 自適應(yīng)以太網(wǎng)口，接入帶寬160 Mbps 配置4T 監(jiān)控專(zhuān)用硬盤(pán)1 塊。

（5）PLC 可編程控制器。主要技術(shù)參數(shù)有：主機(jī)16 入/14 出，晶體管輸出，AC 100～240 V 供電，USB、232、485 接口；可擴(kuò)展BD 板、ED 模塊和擴(kuò)展模塊；支持以太網(wǎng)通信。

（6）交換機(jī)。工業(yè)用5 口百兆即可滿(mǎn)足使用要求。

（7）無(wú)線路由器。2 個(gè)以太口，支持3G/4G，支持IPSec VPN、PPTP VPN、L2TP VPN，支持流量管控，支持上網(wǎng)行為管理。

（8）輔助配件，有計(jì)算機(jī)、AI/AO 模塊、DI/DO 模塊、攝像頭、流量計(jì)、貼片式溫度傳感器、壓力變送器、液位計(jì)等。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該自動(dòng)化裝置已在川南某集中供水片區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，經(jīng)過(guò)近一年多運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，零失誤操做，人力需求從一個(gè)片區(qū)16 人次減少至4 人次，滿(mǎn)足手動(dòng)和自動(dòng)操作兩個(gè)模式，能通過(guò)界面進(jìn)行在線監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，第一時(shí)間對(duì)設(shè)備異常發(fā)出報(bào)警與急停，設(shè)備惡性損壞的情況得到有效解決，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)日志追蹤，整個(gè)裝置滿(mǎn)足最初研制目標(biāo)（圖2）。

圖2 操作界面與運(yùn)行監(jiān)控界面

6 結(jié)論

（1）該自動(dòng)化裝置的研究及成果應(yīng)用，驗(yàn)證了壓裂供水工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性，解決了集中供水現(xiàn)場(chǎng)難題，同時(shí)可以節(jié)省人力70%以上，降低現(xiàn)場(chǎng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

（2）自動(dòng)控制與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)在石油鉆井行業(yè)應(yīng)用前景十分廣闊，潛力巨大。