壓裂車組多車型聯(lián)控聯(lián)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

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(中國石油集團渤海鉆探工程公司，天津 300280 )

壓裂車組多車型聯(lián)控聯(lián)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

呂選鵬，徐克彬，向榮，郭懷玉，王江，劉玉海，朱傳寶，徐昊洋

(中國石油集團渤海鉆探工程公司，天津 300280 )

針對油氣田大規(guī)模水力壓裂，采用不同型號的壓裂車組進行聯(lián)合壓裂作業(yè)時，難以同步協(xié)調(diào)控制的問題，采用網(wǎng)絡(luò)體系中的中間件技術(shù)，對不同車組的壓裂車進行分布式控制、通信信道寬頻帶無線傳輸，全雙工通信，容錯機制檢驗，實現(xiàn)不同格式數(shù)據(jù)比特流的傳輸，用于數(shù)據(jù)格式語義統(tǒng)一標(biāo)識和標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換，保證不同壓裂車組數(shù)據(jù)彼此透明，實現(xiàn)不同壓裂車組實時精確控制。

壓裂車組；控制系統(tǒng)；方案；設(shè)計

隨著國內(nèi)外非常規(guī)油氣資源的開發(fā)規(guī)模日益增大，低滲、超低滲油氣藏及致密氣、煤層氣、頁巖氣體等非常規(guī)油氣資源被認(rèn)為是最有希望的補充能源，成為世界未來能源和經(jīng)濟發(fā)展的主要支撐，帶來了全球范圍內(nèi)超大規(guī)模壓裂、整體壓裂、體積壓裂等技術(shù)需求。因其需要多臺設(shè)備配合、機組功率大且復(fù)雜多樣，單一車組很難獨立完成，多車組協(xié)同作業(yè)成為必然趨勢[1]。實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備是控制系統(tǒng)，需要對現(xiàn)場多臺壓裂車組、混砂車等設(shè)備進行壓力、排量、砂比等施工參數(shù)控制，但由于多種復(fù)雜原因，不同廠家、同廠不同型號的壓裂設(shè)備目前還不能由同一控制系統(tǒng)監(jiān)控，這給大規(guī)模施工帶來諸多困難，一定程度上影響了作業(yè)設(shè)備的控制協(xié)調(diào)及施工數(shù)據(jù)的采集，并存在重大施工安全隱患，影響施工質(zhì)量，嚴(yán)重時造成施工失敗[2-3]。因此，迫切需要開發(fā)壓裂施工一體化集中控制調(diào)配系統(tǒng)，實現(xiàn)各車型間的聯(lián)控聯(lián)調(diào)。

1 方案設(shè)計原則

為達到集成壓裂機組控制要求，實現(xiàn)施工作業(yè)全過程的統(tǒng)一控制操作，就必須對控制系統(tǒng)進行深入的分析與研究，根據(jù)控制要求提出有效的總體控制方案與設(shè)計，滿足大排量、大液量壓裂施工的要求，實現(xiàn)對油田現(xiàn)有壓裂裝備優(yōu)化配套組合，并對多級供液體系、地面高低壓流程的優(yōu)化配置以及施工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行技術(shù)對接，實施多車組聯(lián)合作業(yè)施工，使多套壓裂機組實現(xiàn)集中控制。

因此，在設(shè)計控制系統(tǒng)時，應(yīng)遵循以下基本原則：

1) 通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)壓裂車組整個系統(tǒng)的統(tǒng)一控制。集中控制數(shù)臺泵車及壓裂單元和混砂單元，包括機組設(shè)備的啟動、換擋、參數(shù)顯示、自動壓力控制和自動排量控制。實現(xiàn)施工作業(yè)全過程的統(tǒng)一控制操作[4]。

2) 能夠?qū)崟r采集、顯示、記錄壓裂作業(yè)全過程資料數(shù)據(jù)和參數(shù)，其數(shù)據(jù)采集單元可與網(wǎng)絡(luò)中任意一臺設(shè)備連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析。各單臺設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制通過數(shù)據(jù)線傳輸實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，對壓裂作業(yè)數(shù)據(jù)進行分析、處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用國際標(biāo)準(zhǔn)接口，具有互換性和通用性[5]。

3) 能夠?qū)⑹┕がF(xiàn)場壓裂數(shù)據(jù)、控制參數(shù)遠(yuǎn)程傳輸，實現(xiàn)壓裂現(xiàn)場指揮中心和后方基地對壓裂施工的實時監(jiān)測。

4) 保證車組原系統(tǒng)的完整性，所開發(fā)的新的控制系統(tǒng)要求安全、可靠。在滿足多臺設(shè)備控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、實用及維修方便。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

針對目前不同廠商、不同型號的儀表車、壓裂機組及混砂車等設(shè)備控制互不兼容問題，采用“硬件屏蔽、軟件協(xié)議開放”的技術(shù)體系，對不同設(shè)備控制信號分析與解碼，利用中間件網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將不同車組的壓裂泵車、混砂車及管匯的壓力、排量、密度等參數(shù)進行解碼，結(jié)合壓裂工藝要求對各個壓裂泵車進行調(diào)控，通過安裝在儀表車內(nèi)的計算機系統(tǒng)和連接電纜協(xié)同作業(yè)，開發(fā)壓裂施工一體化同步控制系統(tǒng)，實現(xiàn)不同壓裂車組壓裂泵車、混砂車和儀表車，任意組合配套，壓裂設(shè)備可互換或同步聯(lián)機工作，保證在壓裂車組原有控制系統(tǒng)不變的情況下實現(xiàn)多車型異構(gòu)控制系統(tǒng)的同步實時控制。

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計

整套系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)(泵車工控機和混砂車工控機)以及顯示系統(tǒng)等構(gòu)成。

目前國內(nèi)同一家油氣工程技術(shù)服務(wù)公司使用的壓裂車組類型很多，不同壓裂車組指揮車控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式不同，這里分別以A型、B型、C型來代表不同廠家壓裂車組數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)壓裂車組控制系統(tǒng)

不同的壓裂車組信號系統(tǒng)，都通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器控制對方壓裂施工設(shè)備，而且這兩套信號系統(tǒng)試圖都通過同一套網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采集不同施工設(shè)備的工作參數(shù)。因為兩套不同的通信系統(tǒng)采用不同的通信協(xié)議，數(shù)據(jù)格式彼此不同，而且不同的施工設(shè)備工作參數(shù)編碼格式也不同，這樣，不僅造成雙方無法使用對方的數(shù)據(jù)，造成資源浪費，而且也不便控制對方設(shè)備，協(xié)同工作，造成事實上壓裂效率降低。

2.1.1不同壓裂車組間的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

針對不同的壓裂車組數(shù)據(jù)格式，采用網(wǎng)絡(luò)中間件技術(shù)，調(diào)制成統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式[6]。數(shù)采系統(tǒng)主要將施工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、控制參數(shù)采集到施工現(xiàn)場的指揮中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和控制。數(shù)據(jù)采集主要通過3種方式實現(xiàn)：①通過儀表車網(wǎng)絡(luò)接口(沒有網(wǎng)絡(luò)接口的老式儀表車使用串口)獲得；②從儲存在FPA文件中的數(shù)據(jù)來模仿數(shù)據(jù)采集；③從一個共享文件采集數(shù)據(jù)。其中第3種方式是現(xiàn)場指揮中心接收現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的軟件接口。將采集到的不同格式的數(shù)據(jù)通過中間件格式轉(zhuǎn)化成同一格式的dbs庫文件，實時傳輸?shù)浆F(xiàn)場指揮中心，后臺的技術(shù)人員便可對該數(shù)據(jù)文件進行讀取、分析等，最后輸出統(tǒng)一格式的控制參數(shù)，通過中間件解碼成泵車工控機和混砂車工控機各自識別的參數(shù)，控制工控機相應(yīng)行為。

2.1.2不同壓裂車組間的通信系統(tǒng)

不同壓裂車組系統(tǒng)間的通信以及與后方專家監(jiān)控平臺之間的通信，分為內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)，分別采用無線WIFI傳輸和3G(或4G)通信系統(tǒng)，實現(xiàn)不同壓裂車組間與后方專家間的數(shù)據(jù)流傳輸、通信等。施工現(xiàn)場通信示意如圖2所示。

圖2 施工現(xiàn)場通信示意

1) 內(nèi)網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計。

設(shè)計不同壓裂車組內(nèi)網(wǎng)通信的目的，主要針對控制不同壓裂車組的音頻、視頻、數(shù)據(jù)流等，格式異構(gòu)，彼此之間傳輸時信息量大，而實際現(xiàn)場施工時要求不同的壓裂車組能夠?qū)崟r控制，因此現(xiàn)場不同壓裂車組間通信采用無線WIFI傳輸技術(shù)。這是因為WIFI帶寬高、傳輸速率快、誤碼率底、抗干擾能力強，俗稱無線寬帶。WIFI信號覆蓋半徑為100 m，能夠覆蓋整個施工井場周圍無衰減，現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到54 Mbp/s，符合工業(yè)控制和傳輸?shù)囊骩7]。它基于IEEE802.11協(xié)議，施工現(xiàn)場可以應(yīng)用成熟的IEEE802.11b協(xié)議，方便采用網(wǎng)絡(luò)中間件技術(shù)，可以將不同結(jié)構(gòu)的個人電腦、手持終端互連，將不同設(shè)備格式的數(shù)據(jù)解調(diào)識別，達到不同壓裂車組相互間通信和控制的目的。

2) 外網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計。

針對WIFI傳輸距離短、信號衰減快的缺陷，現(xiàn)場與后方專家監(jiān)控平臺之間的通信設(shè)計3G(4G)外網(wǎng)傳輸技術(shù)。3G(4G)信號系統(tǒng)主要用于將不同壓裂車組現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)解構(gòu)后傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控平臺，實現(xiàn)壓裂施工數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。根據(jù)對不同運營商的3G(4G)網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況(包括覆蓋范圍、信號質(zhì)量等)、實際帶寬的比較、評估，主要選擇中國電信(CDMA2000)的3G網(wǎng)絡(luò)進行3G應(yīng)用區(qū)域搭建和中國移動4G網(wǎng)絡(luò)進行4G區(qū)域的搭建。在3G(4G)網(wǎng)絡(luò)實施中結(jié)合各業(yè)務(wù)場景應(yīng)用帶寬真實需求，測試本地3G信號質(zhì)量、帶寬情況，根據(jù)帶寬要求進行適當(dāng)選擇，必要時將要求運營商提供必要的信號和最小帶寬保障，以保證業(yè)務(wù)的正常開展。為確保數(shù)據(jù)安全，3G(4G)網(wǎng)絡(luò)接入的是營運商構(gòu)建的“專網(wǎng)”，運營商通過VPN隧道技術(shù)，建立一條虛擬專線，實現(xiàn)3G(4G)的專網(wǎng)通信。3G(4G)專用通信網(wǎng)絡(luò)VPN虛擬隧道數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，干擾少、高帶寬、并行傳輸誤碼率底、保密性強，可以保證多車型壓裂車組實現(xiàn)全雙工通信，同步實時控制，方便現(xiàn)場壓裂指揮工程師和監(jiān)控平臺指揮多車型壓裂車組同步壓裂，最終促使成功實施高質(zhì)量的非常規(guī)油氣大規(guī)模體積壓裂[8]。

2.1.3不同壓裂車組間的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計。

為了保證不同壓裂車組物理信道之間信號不衰減，抗干擾，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)讓游锢硇诺郎?，施工現(xiàn)場架設(shè)900兆路由器，增加信號增益放大器，使用有線和WIFI網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過儀表車和工控機RJ45接口對控制數(shù)據(jù)進行采集[9]，通過現(xiàn)場專設(shè)的WIFI通信系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，在總控服務(wù)器上配置中間件軟件對數(shù)據(jù)進行調(diào)制和解碼[10]，實現(xiàn)不同混砂車工控機和泵車工控機控制數(shù)據(jù)開放輸出，對不同壓裂指揮車技術(shù)人員實現(xiàn)透明，達到現(xiàn)場所有泵車和混砂車進行同步協(xié)調(diào)控制目的。

2.1.4不同壓裂車組間同步控制系統(tǒng)設(shè)計。

針對目前不同廠家、不同型號的壓裂機組及混砂車等現(xiàn)場設(shè)備的控制互不兼容問題，選擇網(wǎng)絡(luò)集中式控制技術(shù)，通過計算機系統(tǒng)和連接電纜協(xié)同作業(yè)，采用中間件技術(shù)，兼容多家主流壓裂泵車數(shù)據(jù)格式，任意組合配套，保證最終輸出的數(shù)據(jù)開放、透明，在壓裂車組原有控制系統(tǒng)不動的情況下實現(xiàn)多車型的控制系統(tǒng)的統(tǒng)一同步控制，實現(xiàn)聯(lián)合作業(yè)，提升整套壓裂設(shè)備的整體壓裂效果。系統(tǒng)功能設(shè)計如表1所示。

表1 壓裂泵車聯(lián)合控制同步系統(tǒng)功能設(shè)計

2.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)與功能框架設(shè)計

中間件網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功能涵蓋與主流泵車控制系統(tǒng)所有功能，GUI界面設(shè)置符合用戶習(xí)慣[11]。主界面運行結(jié)果如圖3所示。

圖3 主運行監(jiān)控界面

單泵運行監(jiān)控結(jié)果如圖4所示。

圖4 單泵運行監(jiān)控界面

軟件功能框架設(shè)計如下：

1) 主運行監(jiān)控及單泵運行監(jiān)控。主控機上配置了中間件軟件，采用網(wǎng)絡(luò)分層體系架構(gòu)，負(fù)責(zé)解碼不同壓裂車組的異構(gòu)數(shù)據(jù)，保證這些數(shù)據(jù)對壓裂工程師透明，不同壓裂車組開放，顯示施工參數(shù)圖形，實時同步聯(lián)網(wǎng)控制不同壓裂泵車。單泵運行監(jiān)控：顯示當(dāng)前泵的詳細(xì)參數(shù)值和警告提示，并顯示當(dāng)前大泵排量和大泵壓力的曲線[12-13]。

2) 大泵校準(zhǔn)。試壓時間設(shè)置，大泵壓力校準(zhǔn)，大泵排量校準(zhǔn)，發(fā)動機和大泵的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置以及油門控制的設(shè)置。

3) 報警校準(zhǔn)。傳動箱油溫校準(zhǔn)，傳動箱油壓校準(zhǔn)，大泵油溫校準(zhǔn)，大泵油壓校準(zhǔn)，傳動箱高油溫報警值設(shè)定、低油壓報警值設(shè)定，大泵高油溫報警值設(shè)定、低油壓報警值設(shè)定，發(fā)動機高水溫報警值設(shè)定、低油壓報警值設(shè)定，以及泵車牌號和大泵柱塞尺寸設(shè)定。

4) 限值設(shè)置?？偝瑝罕Ｗo值設(shè)定、總大泵效率設(shè)定。

5) 單泵單獨控制。包括發(fā)動機啟動，發(fā)動機停止，發(fā)動機急停，快捷停(一健怠速，空擋，剎車)，擋位設(shè)定，油門升降，超壓復(fù)位，試壓測試。

6) 機組編組控制。編組控制就是將某些泵車設(shè)置為一組，編組后的控制包括擋位控制，油門控制，快捷停控制。

7) 定排量定壓力控制。泵車自動定排量、定壓力控制就是將某些泵車設(shè)置為自動模式，然后設(shè)定一個排量值，設(shè)定一個壓力值，根據(jù)設(shè)定的壓力值，劃分為3個區(qū)間。

8) 機組總急停控制。按鍵“急停”，并確認(rèn)后將對網(wǎng)絡(luò)上所有泵車進行發(fā)動機急?？刂?。

9) 機組總快捷?？刂啤０存I“快捷?！保⒋_認(rèn)后將對網(wǎng)絡(luò)上所有泵車進行快捷?？刂?空擋，怠速，剎車同時完成)。再次按鍵并確認(rèn)后，將取消快捷停保持狀態(tài)。只有快捷停狀態(tài)取消后，才可能對泵車進行擋位和油門控制。

10) 監(jiān)測報警信號。主要是發(fā)動機、傳動箱、大泵3大核心部件，包括大泵報警(包括高油溫和低油壓)、傳動箱報警(包括高油溫和低油壓)、發(fā)動機故障(包括高水溫和低油壓等，)、超壓報警(大泵排出口壓力超過設(shè)定值)。

11) 對發(fā)動機控制。通過輸出對應(yīng)信號給ECM模塊來實現(xiàn)，主要有發(fā)動機的啟停、急停和油門調(diào)節(jié)。

12) 對傳動箱控制。主要是換擋與解鎖，通過給不同的擋位電磁閥通斷電來實現(xiàn)N-7擋間的切換；鎖定指示為安全換擋提供保證。

13) 界面顯示設(shè)置。主要是顏色設(shè)置。

14) 作業(yè)過程提示。包括：有泵離線提示，通訊線斷開提示、吸入口壓力低提示等。

3 泵車測試及現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 不同車組壓裂泵車同步測試

采用A型車組2000型泵車軟件系統(tǒng)版本3.5，分別測試兩臺JR5381TYL型壓裂車，A型車組2000型泵車的通訊控制，經(jīng)過多次測試，均測試成功。

3.2 測試過程

1) 8號泵車與筆記本電腦軟件單獨連接網(wǎng)線測試，界面如圖5～6所示。

圖5 8號泵車觸屏顯示儀表數(shù)據(jù)界面

圖6 8號筆記本電腦顯示儀表數(shù)據(jù)界面

2) 17號泵車與筆記本電腦軟件單獨連接網(wǎng)線測試，界面如圖7～8所示。

圖7 17號泵車觸屏顯示儀表數(shù)據(jù)界面

圖8 17號筆記本電腦顯示儀表數(shù)據(jù)界面

通過上面的兩步通信測試，經(jīng)過泵車軟件和筆記本測試軟件的比對，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的參數(shù)項數(shù)值是一致的，說明數(shù)據(jù)項通訊測試成功。通過上面控制系統(tǒng)測試，在筆記本電腦監(jiān)控軟件上設(shè)置擋位后，A型車組泵車觸屏軟件也同步為相同的擋位；在A型車組泵車觸屏軟件上設(shè)置擋位后，筆記本電腦監(jiān)控軟件也同步為相同的擋位，說明控制項測試成功。

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用

該系統(tǒng)在長寧頁巖氣大規(guī)模壓裂現(xiàn)場成功應(yīng)用，實現(xiàn)了不同壓裂車組施工油壓、套壓、砂比、排出流量、階段排量、排出總量、砂流量、砂量階段累計和輸砂總量實時參數(shù)的采集，應(yīng)用壓裂曲線、實時數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控多種手段監(jiān)測壓裂過程，形成了壓裂單次作業(yè)報告。現(xiàn)場壓裂作業(yè)曲線及監(jiān)控界面如圖9～10所示。

圖9 壓裂作業(yè)報告曲線界面

圖10 壓裂作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控界面

4 工藝效果分析

通過泵車測試以及現(xiàn)場應(yīng)用，此套壓裂車組多車型聯(lián)控聯(lián)調(diào)控制系統(tǒng)得到了驗證。通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)了對整個壓裂車組統(tǒng)一控制，系統(tǒng)能夠?qū)ψ鳂I(yè)全過程中的數(shù)據(jù)和參數(shù)實行實時采集、顯示與記錄，而且實現(xiàn)了對作業(yè)數(shù)據(jù)參數(shù)的遠(yuǎn)程傳輸，使整套系統(tǒng)更加人性化[14-15]。最主要的是此套系統(tǒng)保證了原系統(tǒng)的完整性，而且簡單、可靠，操作成本及維修成本低，具有很好的工程應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

通過方案設(shè)計實施，解決了各壓裂車組不能互相兼容的問題，實現(xiàn)了復(fù)雜大型壓裂施工的30多路主壓設(shè)備的有序調(diào)控和數(shù)據(jù)采集，形成壓裂酸化施工過程的現(xiàn)場控制調(diào)配和基地遠(yuǎn)程指揮相結(jié)合的工作模式，提高了現(xiàn)場信息傳遞的及時性，也提高了信息的準(zhǔn)確性，便于技術(shù)人員、生產(chǎn)管理人員、專家等直觀、方便地進行研究和遠(yuǎn)程決策，指導(dǎo)壓裂施工。特別是對特殊緊急情況和異常情況，可以集中群體智慧進行評價和決策，并可通過監(jiān)控系統(tǒng)實時與現(xiàn)場人員進行交流并下達指令。聯(lián)控系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場試驗運行，性能穩(wěn)定，通用性強，其功能作用明顯，大幅提高了工作效率。

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DesignandApplicationofControllingSystemforCombinedControlandAdjustmentofMultiple-typedFracturingPumpUnits

LYU Xuanpeng，XU Kebin，XIANG Rong，GUO Huaiyu，WANG Jiang，
LIU Yuhai，ZHU Chuanbao，XU Haoyang

(CNPCBohaiDrillingEngineeringCompanyLimited，Tianjin300280，China)

Based on massive hydraulic fracturing for oil & gas field，it is difficult to synchronously coordinate controlling problems when using different typed fracturing pump units.Adopting middleware technology in network system to conduct distributed control for different fracturing pump units，broadband wireless transmission for communication channel，full duplex communication and fault-tolerant inspection，and realize bit stream transmission of data in different formats.And it is used for semantics unified identification of data format and transformation of standard format，and it can guarantee that the data is transparent among different fracturing pump units，so to achieve accurate real-time control for different fracturing pump units.

fracturing pump unit；controlling system；program；design

1001-3482(2017)06-0075-07

2017-05-27

中國石油集團渤海鉆探工程公司重大科技研發(fā)項目“大型壓裂控制及專家決策系統(tǒng)研發(fā)”(2015ZD06K)

呂選鵬(1972-)，男，陜西咸陽人，高級工程師，主要從事油氣田勘探開發(fā)研究與管理設(shè)計工作，E-mail：lvxuanpeng@cnpc.com.cn

TE928

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.016