油田压裂车组控制系统优化改造

2019-02-17仉学宇

设备管理与维修 2019年14期

仉学宇

（大庆油田有限责任公司井下作业分公司压裂大队，黑龙江大庆 163000）

0 引言

随着科技技术的不断发展，越来越多的先进科技技术也在油田行业中逐渐得到了广泛的应用，其中水力压裂技术就是一种现代化技术类型，此技术的应用主要是通过压裂车组控制系统实现的，而随着时代的发展，压裂车组控制系统也逐渐显露出控制能力的滞后性和不足性，因此本文就对油田压裂车组控制系统中存在的不足进行分析，并提出一定的优化改造措施，来提升其使用的性能。

1 水力压裂技术作用

在中低的渗透油田进行钻井作业中，由于受到泥浆污染和储层条件等限制，就会导致自然的产能低和效益差等情况，这就需要借助压裂处理才能够进行正常的投产，因此水力压裂技术为勘探开发和低渗透率的油田工程生产必要手段。水力压裂技术能够实现油水井内的分层化改造，来提升中低的渗透层吸水的效果以及产量，并对非均质以及多油层油田的开发过程层间的冲突和平面的矛盾进行调整，从而为分层开发提供技术保障。水力压裂技术可以于油气的储层内进行一强导流能力缝隙的开辟，能够有效降低井筒中油气流体渗流的阻力，并实现对产量的提升，因此次技术能够有效增加产能和增加注水[1]。压裂技术也是中低的渗透油井进行作业的有效手段，它通过对油层孔隙密度与供给液体排量进行控制，来形成足量大炮眼的摩阻，并于井筒内产生显著压力，实现对近似破裂压力油层的连续压开。

2 油田压裂车组控制系统优化改造背景

在现阶段非常规的油气资源开发越来越频繁，一些低渗和超低渗的油气藏等油气资源已经成为重要的补充资源，也是世界未来发展中的能源支撑，因此这对超大规模的压裂和整体压裂等技术要求就比较高，油田压裂车组需要有多台的设备进行配合，且机组的功率也比较大，如果是单一的车组就不能独立进行工作的完成，需要其多车组进行协同作业。想要实现设备的协同作业，就需要做好控制系统的优化和改造，设计出一体化的压裂施工集中控制系统，从而实现其各车型间联控和联调。对其控制系统实施深入全面的分析，按照控制要求进行总体控制的方案制定，对现有的压裂装备进行配套组合的优化，同时对多级的供液体系和地面中高低压的流程进行配置优化，并实现施工数据的采集系统对接，来达到多车组的联合作业，从而使其能够满足大排量和大液量的压裂施工[2]。此种系统也在一些工程中得到了一定的应用，如长宁页岩气大规模压裂。

3 优化改造原则

在优化改造中，需要遵循相应的原则。要保证借助网络系统能够实现其压裂车组系统的集中和统一性控制，需要其系统能够对数台泵车、压裂单元以及混砂单元实现集中控制，主要包括有机组设备启动、显示参数、换挡、自动化压力控制以及自动的排量控制等。同时还需要其能够对压裂过程的数据与参数进行实时的采集、记录和显示等，且数据的采集单元还能够和网络内任一设备进行连接，从而实现数据的采集与分析。各个单台设备数据的采集以及控制能够借助数据线进行传输和共享，并对压裂的作业数据实施处理和分析。优化改造还要能够实现对施工中压裂的数据以及控制的参数进行远程的传输，让压裂现场的指挥中心以及后方基地能够对压裂的施工进行实时性的监测[3]。另外，还要保证其车组原来系统具有良好完整性，新改造的系统需要安全和可靠，同时在保证能够对多台设备进行控制的基础上，尽可能的实现系统的经济实用和便于维修。

4 油田压裂车组控制系统优化改造

4.1 改造方案

对现阶段不同的厂商和不同型号仪表车、混砂车和压裂基础等设备的控制情况，一般都是互不兼容的，本文就通过硬件屏蔽和软件协议的开放技术，来对其不同设备的控制信号进行分析和解码，借助中间件的网络处理技术，把不同车组压裂泵车以及混砂车和管汇具有的压力、密度、排量等参数实施解码，并和压裂工艺的要求进行结合，对各压裂泵车实施调控，在仪表车中进行计算机的系统安装来与电缆连接，从而实现协同性作业。在此系统中，能够实现对不同的压裂车组内混砂车、仪表车与压裂泵车的任意组合，且压裂设备能够互换或者同步联机进行工作[4]。

4.2 系统的总体结构改造

此整套系统主要包括数据采集、通信、网络、同步的控制和显示等系统组成。目前所使用压裂车组的类型是很多的，而不同的压裂车组控制系统的数据格式也是不同的，不同压裂车组的信号系统都借助网络化服务器进行对方的压裂设备施工控制，由于不同通信系统具有通信协议也是不同的，就会导致其数据格式的不匹配，进而导致资源的浪费、压裂的效率低等情况。

4.2.1 不同压裂车组间的数据采集系统

对于不同压裂车组的数据格式类型，主要通过网络化中间件的技术，将其数据调制为统一性的格式，其数采系统把施工中存在的数据和控制参数等进行采集，并上传到施工的现场指挥中心内，从而实现对数据实时的监测与控制。在数据的采集中，一般有3 种方式来实现，分别是仪表车的网络接口信息获取、FPA 储存文件内数据的模仿采集和从共享文件内进行数据采集，且其第3种的方式也是现场的指挥中心对现场的实时数据接收的软件性接口。把所采集不同的格式数据借助中间件的格式将其转化为同一类型的格式，并实时向现场的指挥中心进行传输，则后台人员就能够对此数据实现读取和分析等，进而输出格式统一的参数进行控制，并借助中间件将其解码为泵车的工控机以及混砂车的工控机能够识别的控制参数，来对相应的工控机进行控制。

4.2.2 不同压裂车组间的通信系统

对于不同压裂车组间的通信系统主要包括不同的压裂车组间系统的通信和与后方的专家监控相应平台间通信，也被称作内网与外网，它们分别使用的是无线Wi-Fi 的传输与3G 或者4G 通信的系统，来实现对不同的压裂车组之间和与后方的专家间数据流的传输和通信等。

（1）内网。对不同的压裂车组进行内网通信改造，主要是对不同的压裂车组音频、数据流等进行控制，由于它们的格式存在异构性，其相互间的传输量也十分大，想要实现对不同压裂车组的实时性控制，在内网设计中就使用无线WiFi 技术进行通信，主要是因为其带宽高且传输的速率快。它是基于IEEE802.lib 的协议，因此能够便于使用网络化中间件的技术，实现不同结构特点的电脑和手持终端进行互相连接，来对不同的设备格式数据进行解调和识别，实现内网的通信与控制。

（2）外网。现场和后方专家的监控平台间进行通信使用的是3G 或4G 的外网技术，此种信号系统对不同性压裂车组的现场数据进行解构后再传输至远程监控的平台中，来达到对压裂施工的数据远程性监测目的。本文选择中国电信3G 网络进来实施3G 区域搭建以及中国移动的4G 网络来实施4G 区域搭建。基于保证数据安全的目的，此3G 或4G 网络的接入的为营运商所建立的专网，并借助VPN 的隧道技术来进行虚拟专线的建立，实现多车型压裂车组的全双工通信，且同步实时进行控制，还能够便于现场压裂的指挥工程师以及监控平台来对多车型的压裂车组进行的同步压裂进行指挥。

4.2.3 不同压裂车组间的网络系统设计

不同性压裂车组的物理信道使用中，为了保证其信号不发生衰减，于数据传输的底层信道中进行了900M 的路由器架设，来进行放大器的增益并增加信号，借助仪表车以及工控机接口来对控制的数据实施采集，并利用现场Wi-Fi 的通信系统来对数据进行存储，于总控的服务器中进行中间件的软件配置，来对数据实施调制与解码，对不同性混砂车的工控机以及泵车的工控机进行数据开放性输出的控制，同时对不同性压裂的指挥车人员具有透明性，能够实现对现场的全部泵车以及混砂车同步的协调和控制。

4.2.4 不同压裂车组间同步控制系统设计

由于不同厂家和不同型号压裂机组与混砂车间的控制是不兼容的，可以通过网络集中控制技术来进行解决。借助计算机的系统与连接的电缆进行协同性作业，通过中间件的技术来对多家的压裂泵车的数据格式实现兼容，并可以任意进行配套组合，从而于压裂车组没有变动原有的控制系统情况下，来对多车型控制系统实现统一性和同步性控制。

4.3 系统软件功能框架

主运行的监控和单泵运行的监控：在主控机中进行中间件的软件配置和，通过网络分层的体系架构来进行不同性压裂车组异构数据的解码，使此类数据是透明的，并显示出施工参数的图形，和联网实时同步来对不同性压裂泵车进行控制；在单泵运行的监控中，主要对当前泵详细的参数值以及警告进行提示显示，同时显示目前的大泵排量以及大泵的压力曲线等。

（1）大泵校准。主要设置有试压的时间、大泵压力的校准、大泵排量的校准、发动机与大泵系统参数、油门控制等。

（2）报警校准。主要校准内容包括传动箱的油温和油压、大泵的油温和油压、传动箱的高油温设定报警值、低油压设定报警值、大泵设定高油温的报警值、低油压设定报警值设定、发动机设定高水温的报警值、低油压设定报警值、泵车牌号以及大泵柱塞的尺寸设定等。

（3）单泵的单独控制。主要有发动机的启动和停止、发动机的急停和快捷停、挡位的设定、油门的升降、超压的复位和试压的测试等。

（4）机组的编组控制。主要是把某些泵车进行一组的设置，在编组后进行控制，包括有挡位的控制、油门的控制和快捷停的控制等。

（5）定排量和定压力的控制。主要是把某些泵车进行自动模式的设置，并设定相应排量值和压力值，按照其压力值的设定，进行区间的划分。

（6）对机组的总快捷停进行控制。进行快捷停的按键，确认后对网络中全部泵车实施快捷停的控制，再次进行确认按键后，就会对快捷停的保持状态进行取消，在快捷停的状态进行取消后，再对泵车实施挡位以及油门的控制。

（7）对报警信号监测。监测部位主要为发动机、大泵和传动箱等核心的部件，信号监测涉及的报警内容为发动机、大泵和传动箱的高油温与低油压报警以及大泵的排出口超压报警等。