壓裂車組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

高洪山，葉定兵，張洪光，馬程，苑承波

（渤海石油裝備制造有限公司中成裝備制造分公司，天津 300280）

水力壓裂技術(shù)屬于油氣井開發(fā)過(guò)程當(dāng)中，向井體內(nèi)部進(jìn)行注水操作，屬于油井開發(fā)過(guò)程當(dāng)中非常重要的施工方式。壓裂車和混砂車是進(jìn)行油井壓裂操作過(guò)程當(dāng)中重點(diǎn)的工作設(shè)備，壓裂車主要是由底盤、臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器、傳動(dòng)系統(tǒng)、壓裂泵、液壓系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等構(gòu)成，在實(shí)際的工作過(guò)程當(dāng)中，主要是向井體內(nèi)部注入大量的壓裂液，通過(guò)這種操作方式可以有效的提高井體內(nèi)部的最大壓力將地層完全壓開，同時(shí)將支撐劑輸送到裂縫內(nèi)部。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力驅(qū)動(dòng)油泵，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的形式將泥沙有效的輸送到裂縫當(dāng)中，通過(guò)攪拌、吸入和高壓注入等操作流程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井體內(nèi)部裂縫的填充和擴(kuò)張。但是在實(shí)際的操作過(guò)程當(dāng)中，由于在野外工作環(huán)境以及氣候問(wèn)題的影響，施工過(guò)程當(dāng)中受到自然環(huán)境的大氣壓力，在壓力值超過(guò)100MPa 的現(xiàn)場(chǎng)操作當(dāng)中，壓裂車與混砂車的工作難度較高，存在安全隱患，需要對(duì)壓裂車組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了改造，在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中重點(diǎn)包含了PLC 主站系統(tǒng)，壓裂車與混砂車系統(tǒng)構(gòu)成等。

1 壓裂施工流程簡(jiǎn)介

壓裂車組在施工過(guò)程當(dāng)中，主要的工作包含了壓力劑的擠入壓裂操作，加砂操作以及替換操作等步驟。在進(jìn)行試劑的通路操作當(dāng)中，通常情況下使用的是1 ～2 臺(tái)的壓裂車組，通過(guò)小排量的計(jì)入方式，有效的判斷地下管道是否完全通暢，同時(shí)對(duì)地層的壓裂液吸收能力進(jìn)行判斷。壓裂操作過(guò)程主要是在壓裂液通入的過(guò)程中，充分證明地表層具有較高的吸收能力，然后不斷的提升排量大小，讓壓裂液在井底內(nèi)部具有強(qiáng)大的壓力，將地層進(jìn)行壓力施加形成地層裂縫。加砂操作主要是在地層已經(jīng)形成了斷裂縫之后，通過(guò)壓裂液也有一定含量的支撐劑，沿著裂縫慢慢的向地層裂縫當(dāng)中進(jìn)行輸送，完成該項(xiàng)操作之后需要通過(guò)泵體將不帶支撐劑的壓裂液輸送其中，將井體內(nèi)部的支撐完全替換進(jìn)入到地層的裂縫當(dāng)中。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 Profibus- DP 通訊網(wǎng)

通過(guò)對(duì)Profibus- DP 現(xiàn)場(chǎng)總線的使用和設(shè)計(jì)，使用了雙向電纜線路來(lái)作為數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境，實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速度在9.6kbps ～12Mbps 范圍內(nèi)。電纜的總長(zhǎng)度直接關(guān)系到了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，在最大站點(diǎn)的數(shù)量設(shè)置上可以達(dá)到127 個(gè)以上，通過(guò)單體構(gòu)成的控制站與主站系統(tǒng)進(jìn)行銜接，實(shí)現(xiàn)了以阻斷

系統(tǒng)為控制點(diǎn)的輪回控制模式，從近站控制進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)輸送，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)當(dāng)中所使用的單體控制系統(tǒng)，以儀器PLC 監(jiān)控系統(tǒng)作為主要的控制點(diǎn)，以壓裂車和混砂車PLC 控制系統(tǒng)作為輔助，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)置以及主站數(shù)據(jù)的快速傳輸，實(shí)現(xiàn)了一種操控上的穩(wěn)定性以及高效化，同時(shí)還可以有效提高數(shù)據(jù)的最大傳輸距離與效率。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在壓裂車組的結(jié)構(gòu)構(gòu)成上，主要包含了1 臺(tái)儀器控制車、3 臺(tái)壓裂車以及1 臺(tái)混砂車，通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的有效運(yùn)用，通過(guò)儀器車上的PLC 作為監(jiān)控主站系統(tǒng)，通過(guò)壓裂車和混砂車的4 個(gè)PLC 監(jiān)控作為輔助控制，以Profibus- DP 作為現(xiàn)場(chǎng)總線路的控制構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了人工智能化控制以及遠(yuǎn)程操控的工作模式，PLC 使用的是西門子S7-300 系列CPU315-2DP 處理器，在工作過(guò)程當(dāng)中，可以直接接入到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中，通過(guò)PLC 為主站控制臺(tái)來(lái)進(jìn)行模塊化操作。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)電源

在實(shí)際的施工現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)中，由于施工環(huán)境比較復(fù)雜，同時(shí)電網(wǎng)內(nèi)部的電力波動(dòng)比較明顯，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一些外界諧波的影響，同時(shí)在進(jìn)行遠(yuǎn)距離的電源輸送上難度較高，同時(shí)也存在一定的安全隱患，所以說(shuō)在儀器車的配置方面設(shè)定了發(fā)電機(jī)以及不間斷電源供應(yīng)。壓裂車組上通過(guò)24V 電瓶作為供電電源，為PLC 控制站提供充足的電源，每一個(gè)PLC 都具有電源控制模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源系統(tǒng)的有效控制以及電源供應(yīng)。

3.2 PLC 主站

在PLC 主站系統(tǒng)當(dāng)中，通過(guò)模塊分割控制方式，實(shí)現(xiàn)了每一個(gè)輔助控制站臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)的獨(dú)立，在操作平臺(tái)上將控制臺(tái)分成4 組，控制模式、控制旋鈕、控制開關(guān)指示燈等作為主要的控制點(diǎn)，所產(chǎn)生的波段在壓裂車當(dāng)中實(shí)現(xiàn)了6 個(gè)檔位的掌控，與壓裂車組內(nèi)部的連續(xù)性控制按鈕分別對(duì)壓裂車的油門大小以及發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)控。壓裂車的按鍵開關(guān)直接控制壓裂車熄火和啟動(dòng)操作指示燈方面以PLC 控制站來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了超壓防護(hù)等相關(guān)功能。通過(guò)系統(tǒng)模塊內(nèi)部對(duì)動(dòng)力供應(yīng)數(shù)據(jù)的收集，保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的參數(shù)和壓力值的測(cè)量。在工作過(guò)程當(dāng)中如果控制模塊的狀態(tài)指示燈正常工作，則在輸出高頻率變頻的過(guò)程當(dāng)中系統(tǒng)指示燈亮起，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)實(shí)施了準(zhǔn)確的預(yù)防和監(jiān)控。

3.3 PLC 從站

壓裂車組在控制計(jì)數(shù)器的有效控制下，對(duì)連接在內(nèi)部的轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行了操控，通過(guò)模塊的有效連接，對(duì)壓裂車組工作過(guò)程當(dāng)中的環(huán)境溫度以及局部的壓力進(jìn)行了數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)對(duì)壓裂車組的工作狀態(tài)的有效監(jiān)控，有效提高了壓裂車組操控人員的工作效率，同時(shí)保證了工作人員的人身安全。通過(guò)模塊輸出的控制方式，對(duì)連接在壓裂車組的油門控制器以及發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)器進(jìn)行了實(shí)時(shí)性的監(jiān)控，有效保證了設(shè)備工作過(guò)程當(dāng)中的安全性與穩(wěn)定性。模塊檢測(cè)工作在實(shí)際的操作過(guò)程當(dāng)中，是否實(shí)現(xiàn)了良好的遠(yuǎn)程操控功能，主要基于高電平條件下的遠(yuǎn)程控制效果，對(duì)于模塊輸出控制當(dāng)中壓裂車組的整體工作狀態(tài)，包含了換擋操作、熄火停車以及啟動(dòng)等各個(gè)方面的工作環(huán)節(jié)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件系統(tǒng)的編制工作當(dāng)中，通過(guò)混合程序編制以及系統(tǒng)化模塊設(shè)計(jì)的方式，將一些比較復(fù)雜的操作流程有效的分解成多個(gè)獨(dú)立的工作區(qū)域，通過(guò)這種劃分方式可以方便壓裂車組在后續(xù)的調(diào)試以及保養(yǎng)過(guò)程當(dāng)中的工作開展，通過(guò)軟件接入實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互式的數(shù)據(jù)采集，將控制模塊和系統(tǒng)程序進(jìn)行有效的對(duì)接，將內(nèi)部的功能模塊、系統(tǒng)模塊和數(shù)據(jù)控制模塊之間進(jìn)行聯(lián)合使用，有效達(dá)到了人機(jī)交互式的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)運(yùn)用，真正實(shí)現(xiàn)了壓裂車組的遠(yuǎn)程操控功能。在進(jìn)行壓裂車組的工作當(dāng)中，壓力的大小和壓裂液的含沙比例存在一定的差異，所以需要從壓裂車的油門和換擋操作當(dāng)中，有效改變對(duì)地層內(nèi)部的壓力大小，有效調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及改變壓裂液內(nèi)部的含砂比例，通過(guò)這種操作對(duì)實(shí)現(xiàn)壓裂車組施工當(dāng)中的壓力控制至關(guān)重要。壓裂車組在工作過(guò)程當(dāng)中，如果遇到一些特殊型地質(zhì)條件，比如地質(zhì)較硬的巖石層，則不能對(duì)其施加較高的壓力，否則會(huì)直接對(duì)地層中巖石產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞，使得壓裂施工無(wú)法正常進(jìn)行。在此過(guò)程當(dāng)中，需要針對(duì)壓裂車的油門控制以及換擋調(diào)節(jié)的控制程度進(jìn)行設(shè)定。保障壓裂車組在針對(duì)一些特殊性地質(zhì)條件壓力大小的準(zhǔn)確控制，保護(hù)層條件的安全性和可靠性，如果壓裂車組在正常工作過(guò)程中產(chǎn)生異常響動(dòng)的問(wèn)題，需要及時(shí)對(duì)壓裂車組進(jìn)行停火檢查，通過(guò)程序檢測(cè)的方式來(lái)進(jìn)行故障分析，在故障檢測(cè)過(guò)程當(dāng)中需要對(duì)環(huán)境因素加以充分的考慮，同時(shí)對(duì)車組內(nèi)部的系統(tǒng)安全進(jìn)行全面的檢測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文對(duì)壓裂車組的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的分析和研究，從中可以看出通過(guò)對(duì)Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線的有效設(shè)置，形成一個(gè)整體工作流程的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，有效實(shí)現(xiàn)了壓力車主的遠(yuǎn)程化操控?，F(xiàn)場(chǎng)施工人員可以依照車體內(nèi)部的具體操作流程通，針對(duì)壓裂車工作過(guò)程當(dāng)中的一些噪聲較大或者是溫差較大的區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)離，通過(guò)這種監(jiān)控方式保證了工作人員的人身安全。