探討油田壓裂車組控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造

王生蘭 (勝利油田高原石油裝備有限責(zé)任公司 山東 東營 257000)

近年來，水力壓裂技術(shù)的發(fā)展成熟使得其在油田生產(chǎn)中得到了極大的推廣應(yīng)用，油田通過采用水力壓裂技術(shù)有效解決了非均質(zhì)、多套層系油層的同井開采問題，增加了油井產(chǎn)量，提升了油田儲量動用程度，尤其是低滲透油層的儲量動用，尤為關(guān)鍵的是大大改善了油田開發(fā)。隨著水力壓裂技術(shù)的廣泛應(yīng)用，壓裂車組設(shè)備的不足也逐漸顯現(xiàn)，主要問題是該設(shè)備的自動化程度很低，壓裂車的轉(zhuǎn)速、壓力、混砂車轉(zhuǎn)速、排量等還是靠人工來操作。文章針對油田壓裂車組控制系統(tǒng)的不足，提出幾點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)措施。

一、水力壓裂技術(shù)在油田開發(fā)中的作用

（1）由于中、低滲透油田在鉆井作業(yè)時受泥漿污染及儲層條件限制，使得自然產(chǎn)能低、效益差，需要經(jīng)過壓裂處理方能正常投產(chǎn)，故壓裂技術(shù)是勘探開發(fā)中、低滲透率油田工程的重要手段；（2）壓裂技術(shù)通過對油水井內(nèi)分層改造，使得中、低滲透層的吸水效果與產(chǎn)量得到提升，從而在非均質(zhì)與多油層的油田開發(fā)中實(shí)現(xiàn)層間沖突、平面矛盾的有效調(diào)整，是完成分層開發(fā)的重要技術(shù)措施；（3）水力壓裂作業(yè)能夠在油氣儲層之中開辟出一條導(dǎo)流能力較高的縫隙，減小井筒內(nèi)油氣流體的滲流阻力，大大提升產(chǎn)量，所以壓裂還是油水井，尤其是低滲透率的油水井，增加產(chǎn)能、增加注水的重要技術(shù)手段；（4）壓裂技術(shù)是完井工程中對中低滲透油井作業(yè)的重要作業(yè)手段。其主要實(shí)現(xiàn)手段是控制油層的孔隙密度以及供給液體的排量，從而形成足夠大的炮眼摩阻，在井筒內(nèi)形成很大的壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對破裂壓力近似的油層連續(xù)壓開的目的。

二、壓裂車組控制系統(tǒng)改進(jìn)措施

（1）、功能設(shè)計(jì)優(yōu)化

在功能方面，經(jīng)過改造后，壓裂車組的自動控制系統(tǒng)應(yīng)具有的基本功能有：數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測功能和數(shù)據(jù)處理管理功能?？刂葡到y(tǒng)硬件部分的核心是工業(yè)化控制一體機(jī)，通過采集數(shù)據(jù)、實(shí)時監(jiān)測、狀態(tài)控制及顯示最后數(shù)據(jù)結(jié)果等步驟，最終實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。控制系統(tǒng)的監(jiān)控程序主要承擔(dān)著實(shí)時控制井下壓裂施工過程以及通過數(shù)據(jù)聯(lián)系保持與主控計(jì)算機(jī)的通信，主要由數(shù)據(jù)I/O模塊、光電隔離式數(shù)據(jù)傳感器模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理模塊和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等單元組成?？刂葡到y(tǒng)軟件部分的核心是Windows操作系統(tǒng)，采用Delphi 5開發(fā)完成，主要承擔(dān)著實(shí)現(xiàn)壓裂車組檔位轉(zhuǎn)換控制、轉(zhuǎn)速調(diào)整控制以及油門控制等功能。通過硬件與軟件系統(tǒng)的協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)了整個控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測、管理與調(diào)整的功能，其數(shù)據(jù)的來源主要是通過對井下壓裂作業(yè)設(shè)計(jì)的各個參數(shù)進(jìn)行的采集，與此同時還有完成即時報(bào)警輸出功能、數(shù)字與模擬信號互相轉(zhuǎn)換功能、控制數(shù)據(jù)輸出功能等，并將發(fā)動機(jī)、柱塞泵、減速器以及液壓系統(tǒng)等的控制信號全部集成到1939通訊協(xié)議之中，從而通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。

（2）、系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過對國內(nèi)外有關(guān)車組控制系統(tǒng)科學(xué)的設(shè)計(jì)思路以及先進(jìn)的安裝與連線方式的學(xué)習(xí)與借鑒，考慮到壓裂車組控制系統(tǒng)繁復(fù)程度和獨(dú)立使用的要求，可以將整個控制系統(tǒng)劃分為幾個相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)。主要結(jié)構(gòu)有：井下壓裂施工作業(yè)實(shí)時監(jiān)測及調(diào)整系統(tǒng)、井下壓裂車組遠(yuǎn)距離自動控制部分、井下混合砂礫車遠(yuǎn)距離實(shí)時控制系統(tǒng)、井下壓裂作業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)反饋與調(diào)整系統(tǒng)、超高壓自動保護(hù)系統(tǒng)、電源電路系統(tǒng)等。

井下壓裂施工作業(yè)實(shí)時監(jiān)測及調(diào)整系統(tǒng)承擔(dān)著對壓裂車組作業(yè)工程的實(shí)時監(jiān)測，另外還裝置了專門的施工作業(yè)實(shí)時監(jiān)督系統(tǒng)，并在控制中心通過顯示器數(shù)字化顯示出各個監(jiān)控的參數(shù)；井下壓裂車組遠(yuǎn)距離自動控制部分除了主要實(shí)現(xiàn)對壓裂車組作業(yè)的自動化控制，另外還將手動操作控制作業(yè)的功能保存了下來；井下混合砂礫車遠(yuǎn)距離實(shí)時控制系統(tǒng)，在其操作面板上可以選擇手動或自動控制功能，可以完成對混砂車整套系統(tǒng)各個子單元的實(shí)時控制；井下壓裂作業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)反饋與調(diào)整系統(tǒng)的主要功能是錄入保存與調(diào)用轉(zhuǎn)換壓裂作業(yè)的各個設(shè)計(jì)參數(shù)；超高壓自動保護(hù)系統(tǒng)主要承擔(dān)著實(shí)時監(jiān)控井下壓裂作業(yè)過程當(dāng)中管匯流體壓力的任務(wù)，一旦壓力超過設(shè)定值時壓裂車組立即轉(zhuǎn)換到空擋并進(jìn)行剎車；電源電路系統(tǒng)為壓裂施工作業(yè)提供能量來源，并通過電路實(shí)現(xiàn)電能向各部分的傳遞。

在壓裂車組控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)過程中，要求系統(tǒng)的參數(shù)與作業(yè)實(shí)時監(jiān)測到的數(shù)據(jù)要確保一致性與準(zhǔn)確性，各子系統(tǒng)單元在實(shí)現(xiàn)自身功能的同時，相互之間也要有著一定的關(guān)聯(lián)性。為此，通過網(wǎng)絡(luò)分配裝置為每個聯(lián)機(jī)的電腦網(wǎng)卡分配地址，組成一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（3）、功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化

油田壓裂車組控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包含有：車組油門調(diào)整機(jī)構(gòu)、檔位轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以及其它一些控制參數(shù)反饋調(diào)整裝置等。

車組油門調(diào)整機(jī)構(gòu)要設(shè)置有手動與自動兩種可供選擇的控制方式，并且通過計(jì)算機(jī)將自動調(diào)節(jié)的控制程序和模式預(yù)先設(shè)置好，以使油門調(diào)節(jié)達(dá)到對油田壓裂車組系統(tǒng)各個發(fā)動機(jī)的最優(yōu)控制效果。

檔位轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)也要設(shè)置有手動與自動兩套可供選擇的操作模式，主要是通過編碼控制程序和頻率控制開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對井下壓裂車各個檔位之間的轉(zhuǎn)換。

控制參數(shù)反饋與調(diào)整裝置應(yīng)該將對各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制模式預(yù)先編制好，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)自動控制。如果需要轉(zhuǎn)換到手動操作模式，則可以利用控制數(shù)據(jù)輸出模塊、對面板電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

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[2]喬曉東.油田壓裂車組控制系統(tǒng)的改進(jìn)[J].科技傳播，2011（7 下）83.

[3]閔建秋.從美國壓裂車看壓裂車的設(shè)計(jì)，1980（4）37-46.