工程化壓裂遠程控制系統設計研究

何建 高博 郭云飛

摘要：工程化壓裂作為石油工程項目的重要環節，會直接影響石油開采成效。傳統人工操作模式下，自動化水平較低，需要進行人工啟閉，從而降低了作業精度。為進一步優化工程化壓裂作業水平，融合先進科技手段打造遠程控制系統。針對常規井遠程壓裂系統進行創新研發，進一步改善不同地域網絡傳輸問題，支持遠程壓裂操作，為實現遠程控制奠定良好基礎。以某項目為例介紹了工程化壓裂遠程控制系統設計，包括遠程壓裂現場網絡構建、混砂設備遠程系統構建、壓裂車遠程控制系統構建、儀表車遠程控制系統構建、實際應用成果和結論建議。

關鍵詞：工程化壓裂；遠程控制；系統設計

一、前言

通過針對工程化壓裂遠程控制系統進行創新研發設計，能夠針對工程現場各種核心裝置的操作狀況和運行狀態展開實時監控，提升工程現場的設備施工安全性和作業穩定性，常規井遠程控制系統支持下能夠促進現場作業裝置和操作技術人員全面隔離，有效創新優化傳統壓裂作業施工模式，提高工程現場施工作業的安全性和穩定性。

二、項目概況

隨著科技發展，進一步促進壓裂工藝的技術創新，優化材料性能，改善現場壓裂設備操作性能，水平井體積壓力得到全面應用和推廣，千方砂萬方液相關壓裂工作成為某種常態。在新時期發展背景下需要致力于提高工廠化水平井壓裂作業水平，統籌兼顧常規井，重點關注探井、評價井相關壓裂施工，激發EISC核心功能，增強控制系統對于工程現場支持力度，進一步減少施工成本，縮減工程建設周期，提高設備操作效率，保障工程設備和施工人員安全性，為后期壓裂施工奠定良好基礎。此次遠程壓裂性相關研發項目需要針對混砂裝置對應PLC控制系統以及各種基礎硬件設施實施全面改造升級[1]。

三、工程化壓裂遠程控制系統設計分析

（一）遠程壓裂現場網絡構建

因為壓裂作業場所主要分布于荒漠戈壁區域，普遍存在人員稀少、布點分散以及通訊不暢等特征，在油田現場進行網絡建設中很難鋪設光纖電纜，但不管是壓裂施工中回傳現場視頻還是壓裂系統裝置的同步操控以及運行狀態監控都具有重要作用，結合遠程壓裂施工要求和主要問題，可以選擇全新數字微波通信技術。數字微波通信主要是將微波作為基礎載體傳播數字信息的基礎通信措施，因為微波技術的傳播覆蓋范圍廣，傳播距離長，同時網絡帶寬高，網絡延遲較低，進一步擴大了微波通信技術的應用范圍。隨著無線網絡傳輸接入裝置的不斷發展、完善和成熟，無線網絡憑借其自身快捷、便利的優勢，廣泛應用于各種地形環境較差的區域內。無線網絡系統裝置能夠合理提供108M、54M以及11M穩定帶寬，進而滿足遠程壓裂中的數據傳送要求，未來將會廣泛應用于油田作業現場。壓裂施工作業現場相關設備組成具體如表1。

壓裂施工現場各種系統裝置主要包括壓裂車組、混砂設備以及儀表車，工程現場各種監控視頻需要進行全面組網連接。利用工業級網線將壓裂車組、混砂裝置和儀表車進行全面連接，促進儀表車針對現場壓裂車組、混砂裝置實現遠程控制和運行狀態監測目標。視頻監控系統和儀表車相關硬盤錄像裝置進行順暢連接，支持采集作業現場視頻數據。控制中心和作業現場相距較遠，距離從幾公里、幾十公里至上百公里不等，先行方案主要包括微波和光纖兩種形式。結合現場控制網絡實際要求，需要進一步將延遲控制在20ms之內，密切聯系現場需求對自動控制系統架設難度、設備數量、價格以及可重復利用性進行全面監測控制。綜合考慮后可以選擇微波傳輸，在現場開展試驗。經實驗證明，微波傳輸能夠進一步達到網絡延遲要求，并將網絡延遲率控制在20ms之內。微波帶寬能夠進一步聯系工程建設要求實施針對性設計定制，當前在施工現場主要應用20MB專用微波傳輸線路[2]。

（二）混砂設備遠程系統構建

針對混砂的遠程控制系統能夠利用遠端系統和混砂裝置內部交換機進行實時通信，針對混砂裝置相關供砂模塊、供液性、輸砂模塊、動力系統、化添系統以及各種輔助系統實施本地遠端同步控制，針對不同功能系統運行狀態進行遠程實時監控。混砂裝置相關遠程控制系統擁有某種自動控制能力，可以在系統內對運行參數進行提前設置，支持現場混砂裝置實施相關操作，發揮自動泵注添加劑、自動化加砂以及自動供液相關功能。

通過分析混砂裝置施工現狀可以進一步發現在常規井壓裂作業中，混砂裝置技術操作人員在正式施工前結束巡回檢查作業后，對設備不同關鍵節點進行全面啟動調試，從而促進設備維持待啟動狀態，等候相關指揮通知。正常施工環節，操作人員利用現場通信裝置接收命令，但設備自動化水平不足，需要技術人員親自操作，甚至技術人員無法對其中關鍵節點狀態進行準確判斷。技術人員檢查各種連接線路全面連接后，從混砂裝置控制室內開啟發動機，等待現場通知，接收指揮信息后按照標準工序流程按順序人工啟動閥門，開啟吸入泵、排送泵、攪拌系統和進液蝶閥，利用旋鈕調控不同泵開度以及閥位，現場操作者通過親自觀察以及現場臨時監控判斷混砂罐整體液位變化，避免液體產生溢罐現象。混砂裝置主要通訊模式是利用工業級網線和儀表車交換機進行連接，現場指揮利用儀表車信息采集系統手機運行數據，實時采集混砂裝置運行工況和各種作業參數。數據采集系統全面整合分析各種數據信息，聯系施工狀況繪制曲線圖，展示給現場指揮者，指揮操控人員結合曲線圖和工程設計對實際施工狀況進行準確判斷。設備操作人員在對下砂口實際出砂狀況、攪拌罐液位、機械儀表盤等狀況進行細致觀察基礎上，傾聽液壓馬達、液壓泵、發動機運行聲音，聯系以往工程經驗，準確判斷混砂裝置運行狀況，科學判斷系統中的異常問題[3]。

實施PLC改造前，混砂管匯控制閥門部分主要是手動操作單元，另一部分是氣動操作單元。發動機的油門控制則是以手動旋鈕方式為主進行控制，發動機運行狀態是以摩菲表裝置進行直感監控。傳感器、攪拌罐、絞龍、排送泵、吸收泵等全部實施手動啟閉操作，將運行命令傳輸至PLC控制系統，隨后通過PLC控制設備運行。經過PLC改造后，混砂裝置各個核心部件相關運行操作和狀態檢測主要通過兩套PLC系統實施操作，同時系統擁有充足的升級改造空間。管匯法門在實施改造前僅能實施手動控制，經過管匯閥門改造后，可以增設啟動執行單元和接近開關，支持管匯開關，實現遠程控制，并針對開關狀態進行遠程監控。壓力傳感器在進行改造前，發動機啟動氣瓶壓力以及油壓主要依賴于本地直感表實施人工監控。針對壓力傳感器實施創新改造后，可以針對設備實施遠程運行監控，及時發現異常狀況，做好信息預警工作，保障整個系統設備穩定運行。

（三）壓裂車遠程控制系統構建

遠程壓裂系統具體可以分成三種內容，分別是遠程控制層、數據通信層以及壓裂現場業務層。其中壓裂業務層，壓裂車現場操作者負責對壓裂車進行檢查判斷是否滿足實際施工要求，對現場設備網絡進行細致檢查，判斷網絡連接穩定性。本地壓裂操控系統可以支持壓裂施工作業，借助遠程通信設備通知操控人員開展遠程壓裂操作。數據通信層內，壓裂泵控系統利用現場網絡和壓裂裝置內PLC裝置進行連接，實現車輛變速箱、發動機以及柱塞泵的控制檢測，遠控系統和本地系統利用網絡向壓裂車組對硬PLC系統發送操作命令，控制現場壓裂作業車實施各項壓裂作業。遠程控制層設計中因為接入微波網絡能夠促進實現壓裂車組作業的遠程控制，加強質量監控，支持設備遠程控制，靈活調節發送機運行轉速，對壓裂車組對應發動機系統進行合理控制，利用自動控制PLC可以對發動機的轉速、壓力以及溫度狀況進行全面監控，通過儀表盤的方式展示遠程控制系統。同時顯示變速箱的溫度狀況和傳動箱壓力，對傳動箱操作檔位實施遠程控制，通過實時監控，準確顯示壓裂泵以及相關參數[4]。

（四）儀表車遠程控制系統構建

遠程控制數據采集系統主要由三個部分構成，分別是遠程控制層、數據通信層以及數采現場業務層。壓裂現場技術人員檢查網絡連接狀態是否出現異常，本地數據采集系統可以對施工數據進行正常采集，利用遠程控制系統聯系信息采集人員，支持現場作業數據的遠程采集。數據通信層，數據采集裝置利用現場網絡和混砂裝置、壓裂車PLC系統進行全面連接，對不同系統裝置的PLC控制運行參數進行自動讀取，結合現場指揮命令展示相應的變化曲線，導出數據信息，實施數據轉發。遠程控制層方面，為保障和本地系統數據采集結果保持一致，需要利用本地系統實施數據存儲，滿足數據交換、信息同步以及數據遷移等多樣現場數據集成，基于大量復雜數據信息環境內合理創建數據集成系統，提供有效技術支持[5]。

（五）實際應用成果

創新研發設計遠程混砂控制系統，可以利用PLC技術對車輛管匯、發動機、干添泵、液柱泵、左右絞龍、攪拌裝置以及進液蝶閥實施有效監測控制，借助遠程操控以及現場操作將運行指令傳輸至現場混砂裝置和作業車內，指導混砂設備運行，滿足遠程壓裂施工的標準要求。針對遠程壓裂裝置，合理設計研發相關控制軟件，以支持現場壓裂車組實施遠程控制和運行監控，對發動機的啟停操作進行遠程控制，靈活調節發動機運行轉速，操控壓裂車組對應發動機，利用PLC能夠對發動機轉速、運行壓力和溫度狀態進行實時監控，通過儀表盤顯示遠程監控系統。針對所采集信息數據實施全面存儲、準確計算和過濾，并利用圖表方式呈現，滿足遠程壓裂的標準施工要求。

新疆智慧油田某井總計兩層壓裂施工，其中設計砂量總和是90方，液量總和達到746.8方。該井由儲層改造中心壓裂六隊承擔項目任務，整個項目過程應用遠程控制技術，在遠程控制中心設置控制點，與施工現場相距43公里。針對作業現場各種設備裝置實施全面連接后，控制權轉移到遠程控制中心，對于儀表操作裝置、混砂操作裝置、泵空操作設備、設計人員和施工指揮都在EISC中心實施遠程控制。該井從7月30日13時56分啟泵，并在18時57分停泵，在接近五個小時的現場作業后，總計加砂量達到90.29方，泵送液量達到723方，各種參數均滿足設計指標要求，順利完成遠程壓裂施工任務[6]。

（六）結論和建議

結合此次工程研究，在遠程壓裂作業中應用光纖網絡和微波網絡進行信息通訊，常規井實現遠程壓裂控制的基礎系統是混砂裝置自動控制系統。常規井在實施遠程壓裂作業中需要合理配置數量充足的運行監測點和視頻監控點，方便系統操作人員充分把握整個系統設備運行狀態。常規井在壓裂施工中基礎業務成本增加，運行壓力不斷擴大，基于此可以嘗試創新調整現有施工作業模式，打造出一組操作工對應多樣工作面的作業施工模式，進一步降低現場作業處理成本。通過服務器運行模式來取代傳統模式下的壓裂作業控制模式，促進現場數據信息采集工作得到進一步創新優化。

四、結語

綜上所述，結合工程現場作業要求針對工程化壓裂遠程控制系統實施創新研究設計能夠促進工程化壓裂實現遠程控制目標，提高現場作業控制的靈活性和操作便利性，整個系統控制具有較強的抗干擾能力以及較快的反應速度，能夠支持系統內部數據信息的穩定傳輸。結合施工現場實際應用操作狀況分析，遠程控制系統具有良好運行效果，操作中可以遠離工程現場，遠程控制壓裂工作，改善工作環境。

參考文獻

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[3]陳冬冬，王建利.碎軟煤層頂板梳狀長鉆孔水力壓裂區域瓦斯高效抽采模式[J].煤田地質與勘探，2022，50（08）：29-36.

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[6]林應之，林啟才.深層砂巖裂縫性氣藏縫網壓裂裂縫導流能力分析[J].油氣井測試，2021，30（05）：9-17.

作者單位：中國石油集團西部鉆探工程有限公司井下作業公司