煤礦井下水力壓裂自動控制系統(tǒng)設(shè)計

劉波

（北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399）

0 引言

水力壓裂技術(shù)是煤礦井下堅硬頂板弱化、高應(yīng)力巷道圍巖卸壓、沖擊地壓防治及煤巖層增透的有效方法[1]。在成套壓裂機(jī)具和裝備中，壓裂泵將壓裂介質(zhì)加載至高壓狀態(tài)，是水力壓裂的核心裝備，其電氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)整套壓裂泵的運(yùn)行邏輯及電力驅(qū)動。

目前水力壓裂技術(shù)主要應(yīng)用于石油、頁巖氣開采領(lǐng)域，地面壓裂裝備向著大功率、變頻電驅(qū)方向發(fā)展[1-13]。煤層水力壓裂與地面石油壓裂在裝備規(guī)模、施工工藝要求、控制要求等方面存在差異，主要體現(xiàn)在：煤層水力壓裂裝備體積較石油壓裂裝備小，以便于在煤礦巷道施工；煤層水力壓裂工藝包括低壓封孔、高壓壓裂、注水保壓、快速卸壓，需要更加精確地控制注入水流量和壓力；煤層水力壓裂安全風(fēng)險更高，需要遠(yuǎn)距離安全、可靠、便捷的控制效果。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了煤礦水力壓裂技術(shù)及裝備的研究。文獻(xiàn)[14-16]研制了井下定向長鉆孔水力壓裂技術(shù)與成套裝備。文獻(xiàn)[17-18]研制了超高壓水力割縫煤層增透成套裝置。文獻(xiàn)[19]研制了井下高壓水力壓裂泵組。文獻(xiàn)[20-21]提出的井下定向鉆孔水力壓裂技術(shù)已初步形成，但仍存在很多技術(shù)問題，需要深入研究自動化壓裂設(shè)備、實時監(jiān)測與可視化平臺等。文獻(xiàn)[22]指出需研發(fā)具有系統(tǒng)化、安全化、便捷化和自動化特點的水力化技術(shù)裝備。

目前煤礦井下水力壓裂系統(tǒng)面臨的技術(shù)難題包括：①壓裂泵輸出壓力和流量不能快速、精確調(diào)節(jié)。目前一般采用液力變速箱換擋方式實現(xiàn)壓裂泵轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，分為空擋和1～5 擋，采取步進(jìn)式換擋方式，當(dāng)變速箱油溫、油位滿足特定要求時方可換擋，每次換擋需15 s 以上的時間間隔，且各擋位對應(yīng)固定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，無法實現(xiàn)注水量和壓裂壓力的快速、精確、平滑調(diào)節(jié)。②遠(yuǎn)程安全監(jiān)測和控制效果需提升。壓裂作業(yè)存在安全風(fēng)險，需要操作人員遠(yuǎn)離壓裂施工區(qū)域和高壓設(shè)備，因此需要安全可靠的遠(yuǎn)程監(jiān)控方案。目前一般采用單條通信鏈路傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令，單一通信鏈路中斷或數(shù)據(jù)丟失時整套系統(tǒng)無法正常工作。另外，當(dāng)前采用的旁路球閥需人工手動調(diào)節(jié)或遠(yuǎn)程粗略調(diào)節(jié)，存在高壓泄漏風(fēng)險和壓力調(diào)控不準(zhǔn)確問題。③系統(tǒng)自動化水平有待提高。當(dāng)前現(xiàn)場操作人員需依次手動開啟冷卻泵電動機(jī)、水箱增壓泵電動機(jī)、壓裂泵主電動機(jī)等設(shè)備，并實時觀察液力變速箱的油溫、油位等傳感器，還需手動切換氣動換擋閥門，時刻關(guān)注壓裂壓力和流量，操作繁瑣且易出錯。

現(xiàn)有煤礦井下水力壓裂裝備控制模式已無法保障壓裂工程的安全性、實時性。對此，本文設(shè)計了一種基于變頻電力驅(qū)動的煤礦井下水力壓裂自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以變頻電動機(jī)作為驅(qū)動核心，用變頻器實時調(diào)節(jié)變頻電動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，以嵌入式本安型控制器為控制核心，可遠(yuǎn)程快速精確調(diào)節(jié)壓裂壓力和流量，實現(xiàn)整套壓裂工藝的自動化流程，為煤礦井下水力壓裂工程實施提供有力保障。

1 控制系統(tǒng)功能需求

煤礦井下水力壓裂工藝可分為封孔、高壓壓裂、注水保壓、停水卸壓4 個階段[23]?？焖儆行У姆饪准夹g(shù)是壓裂成功的硬件要素。在封孔階段，緩慢注入壓裂介質(zhì)，使封孔器壓力達(dá)到5 MPa 左右，封孔器依靠雙封結(jié)構(gòu)間的拉力及封孔器徑向壓力實現(xiàn)封孔，從而固定深鉆孔管路。在高壓壓裂階段，壓裂介質(zhì)填滿煤巖層縫隙后，繼續(xù)注入壓裂介質(zhì)，促使封孔器周圍壓力陡增，當(dāng)注入壓力大于煤巖層縫隙起裂壓力時，煤巖層開裂。在注水保壓階段，持續(xù)不斷注入壓裂介質(zhì)，注入量與煤層出水量保持平衡，以維持煤巖層縫隙壓力。在停水卸壓階段，停止注入壓裂介質(zhì)，逐步釋放系統(tǒng)壓力。

水力壓裂系統(tǒng)主要由高壓大流量壓裂泵、壓裂泵主電動機(jī)、多功能水箱、電動開度球閥、高精度清水過濾站等組成，如圖1 所示。高壓大流量壓裂泵配備安全閥、溢流閥。與普通水箱相比，多功能水箱具備進(jìn)液/出液流量監(jiān)測、注水量實時監(jiān)測、雙側(cè)液位監(jiān)測、根據(jù)坡度變化自動切換吸液口、自動補(bǔ)水功能。高精度清水過濾站配備精密濾桶、反沖洗裝置。

圖1 煤礦井下水力壓裂系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of underground hydraulic fracturing system in coal mine

水力壓裂系統(tǒng)工作流程：井下原水通過高精度清水過濾站過濾為清水后注入多功能水箱。水箱利用增壓泵將清水注入高壓大流量壓裂泵的吸液端。壓裂泵在主電動機(jī)的驅(qū)動下，將低壓清水加載至高壓狀態(tài)。高壓清水通過深鉆孔管路注入待壓裂區(qū)域。

根據(jù)煤礦井下水力壓裂工藝、水力壓裂系統(tǒng)工作流程及系統(tǒng)構(gòu)成，水力壓裂自動控制系統(tǒng)需研究高壓大流量壓裂泵輸出流量和壓力的快速精確調(diào)節(jié)，遠(yuǎn)程高可靠性安全、高速實時監(jiān)控，一鍵啟停及圖形化分析等技術(shù)。

高壓大流量壓裂泵輸出流量和壓力的快速精確調(diào)節(jié)通過變頻器對壓裂泵主電動機(jī)進(jìn)行快速變頻及無級調(diào)速來實現(xiàn)。變頻器頻率范圍為5～50 Hz，變頻調(diào)節(jié)精度為0.1 Hz，變頻調(diào)速誤差不超過0.5%。在封孔階段，通過維持5～10 Hz 低頻輸出，使深鉆孔內(nèi)封孔區(qū)域注入小流量水，且控制封孔器壓力維持在5 MPa 左右；在高壓壓裂階段，通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，快速、精確調(diào)整主電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)壓裂泵快速大流量注水、精確識別壓裂壓力、控制保壓壓力，以滿足煤層壓裂要求。

遠(yuǎn)程高可靠性安全、高速實時監(jiān)控技術(shù)采用光纖加CAN 總線的雙線冗余通信方案。光纖主要傳輸傳感器采集數(shù)據(jù)，CAN 總線主要傳輸全部控制指令，二者互為冗余備份，充分利用光纖傳輸帶寬大、速度快及CAN 總線穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。當(dāng)其中一條傳輸鏈路中斷時，可立即將全部傳感信息和控制指令切換到另一條鏈路。2 條通信鏈路的傳輸數(shù)據(jù)互相校驗，以保障數(shù)據(jù)的完整性和真實性。采用遠(yuǎn)控電動開度球閥，可遠(yuǎn)程控制球閥開關(guān)及開度，開度信息實時反饋至控制系統(tǒng)，實現(xiàn)旁路泄液的精確閉環(huán)控制。以光纖加CAN 總線的雙線冗余通信替換現(xiàn)有的單一傳輸鏈路，實現(xiàn)了安全可靠的設(shè)備遠(yuǎn)程操作；采用遠(yuǎn)控電動開度球閥代替人工近距離調(diào)節(jié)閥門或遠(yuǎn)程粗略調(diào)節(jié)閥門，提高了閥門控制精度，降低了人員安全風(fēng)險。

一鍵啟停及圖形化分析技術(shù)采用多維傳感監(jiān)控及故障診斷方式對壓裂泵輸出水壓和流量，水箱水位、水溫、進(jìn)出口流量，增壓泵水壓，壓裂泵油壓、油溫、油位、振動幅度和加速度、齒輪油黏度、含水量、顆粒度等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，并根據(jù)各參數(shù)變化趨勢進(jìn)行故障診斷。將冷卻泵電動機(jī)、水箱增壓泵電動機(jī)、壓裂泵主電動機(jī)、電動開度球閥、泵頭溢流閥、水箱補(bǔ)水閥等被控元件進(jìn)行控制邏輯關(guān)聯(lián)，操作人員只需按下啟動/停止按鈕即可完成一次完整的壓裂過程。根據(jù)壓裂工藝特點，開發(fā)了壓裂壓力曲線自動識別功能，并自動生成壓裂數(shù)據(jù)報表，為壓裂過程提供數(shù)據(jù)分析功能。

根據(jù)上述分析，設(shè)計煤礦井下水力壓裂自動控制系統(tǒng)功能架構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 煤礦井下水力壓裂自動控制系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.2 Functional architecture of hydraulic fracturing automatic control system in underground coal mine

2 控制系統(tǒng)整體設(shè)計

根據(jù)水力壓裂系統(tǒng)控制要求，該控制系統(tǒng)總體包括電力驅(qū)動模塊、傳感監(jiān)測模塊、邏輯控制模塊、執(zhí)行元件模塊，整體設(shè)計方案如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案Fig.3 The total design schema of the control system

電力驅(qū)動模塊包括壓裂泵主電動機(jī)、礦用變頻器、多回路組合開關(guān)、水箱增壓泵電動機(jī)、潤滑油泵電動機(jī)。其中壓裂泵主電動機(jī)為壓裂泵提供電力驅(qū)動；礦用變頻器用于啟停主電動機(jī)并實現(xiàn)變頻無級調(diào)速功能；多回路組合開關(guān)控制所有輔助電動機(jī)的啟停；水箱增壓泵電動機(jī)將水箱的清水預(yù)增壓后注入壓裂泵吸液端；潤滑油泵電動機(jī)為齒輪箱提供潤滑動力。

傳感監(jiān)測模塊包括壓裂泵傳感監(jiān)測單元、系統(tǒng)輸出監(jiān)測單元、水箱監(jiān)測單元、故障診斷單元。其中壓裂泵傳感監(jiān)測單元包括齒輪油的油溫、油壓、油位傳感器和電動機(jī)溫度傳感器；系統(tǒng)輸出監(jiān)測單元包括系統(tǒng)高壓出口的輸出水壓傳感器、輸入/輸出流量傳感器；水箱監(jiān)測單元包括水位、水溫傳感器和增壓泵水壓傳感器；故障診斷單元包括齒輪油黏度、含水量、金屬顆粒度、振動幅度、振動加速度傳感器。

邏輯控制模塊包括KXH12 型礦用本安型泵站控制器、監(jiān)控主機(jī)、水箱補(bǔ)水閥、遠(yuǎn)控電動開度球閥。泵站控制器用于模擬量采集、設(shè)備啟停邏輯控制、電磁閥驅(qū)動等，其采用32 位指令集ARM7 處理器，具有最高60 MHz 時鐘頻率、外設(shè)存儲器容量1 MiB 的FLASH 芯片和512 KiB 的SRAM 芯片。水箱補(bǔ)水閥用于在水箱水位不足時進(jìn)行補(bǔ)水。電動開度球閥用于調(diào)節(jié)回流旁路的開度，閥門開度可遠(yuǎn)程控制并實時反饋。

主要邏輯控制元件為3 臺KXH12 型控制器。其中壓裂泵控制器采集曲軸箱齒輪油的油壓、油溫、油位、黏度、含水率、金屬顆粒度，以及電動機(jī)溫度、泵體振動幅值及加速度等信息，控制主電動機(jī)啟停和變頻調(diào)速、潤滑油泵啟停、電磁卸荷閥動作，通過雙總線與其他控制器交互數(shù)據(jù)，并匯總數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控主機(jī)。水箱控制器采集水溫、雙側(cè)水位、系統(tǒng)壓力、增壓泵水壓等信息，控制水箱增壓泵電動機(jī)及補(bǔ)水電磁閥、電動開度球閥動作。中央控制器負(fù)責(zé)接收操作人員的啟停指令，將控制指令下發(fā)至其他控制器，將系統(tǒng)各采集參數(shù)、動作執(zhí)行情況上報到監(jiān)控主機(jī)。

監(jiān)控主機(jī)負(fù)責(zé)實時監(jiān)控3 臺控制器的心跳信號，監(jiān)控系統(tǒng)整體工作狀態(tài)。當(dāng)控制器出現(xiàn)故障時，監(jiān)控主機(jī)報警，并提示故障點位置，方便維護(hù)人員及時維修。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況時，操作人員按下任意一臺控制器的急停按鈕，即可使整套控制系統(tǒng)停止工作，避免發(fā)生安全事故。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。泵站控制器采用DC12 V 隔爆兼本安型穩(wěn)壓電源供電。傳感采集接口采用4～20 mA 精密電流環(huán)接收器將采集信號傳輸至MCU 的10 位A/D 轉(zhuǎn)換接口。數(shù)字量輸出接口采用繼電器輸出方式。數(shù)字量輸入接口采用光耦輸入方式?？刂破鞯碾p總線通信接口與其他控制器的雙總線接口通過光纖和CAN 收發(fā)芯片連接。礦用變頻器主回路采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，逆變觸發(fā)信號采用光纖隔離，直流回路采用無感設(shè)計，頻率范圍為5～50 Hz。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.4 Hardware structure design of the control system

當(dāng)操作人員發(fā)出啟動壓裂泵指令后，變頻器執(zhí)行啟動命令，變頻器帶動壓裂泵主電動機(jī)啟動，按照設(shè)定的頻率運(yùn)行。監(jiān)控主機(jī)實時顯示系統(tǒng)各參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

壓裂泵控制器、水箱控制器及中央控制器的程序集成在同一個程序中，可在控制器菜單中選擇本臺控制器的程序功能，實現(xiàn)各控制器硬件互換。

控制系統(tǒng)軟件包括通信傳輸模塊、傳感采集模塊、邏輯控制模塊、人機(jī)交互模塊、安全保護(hù)模塊，如圖5 所示。通信傳輸模塊支持Modbus-TCP 和CAN2.0 通信協(xié)議。傳感采集模塊支持0～5 V 電壓和4～20 mA 電流模擬量采集、數(shù)字量輸入信號采集。邏輯控制模塊可實現(xiàn)潤滑油泵電動機(jī)、水箱增壓泵電動機(jī)、主電動機(jī)的一鍵啟停，可控制電磁補(bǔ)水閥、電磁卸載閥通斷等功能。人機(jī)交互模塊可通過矩陣鍵盤操作菜單，通過顯示屏觀察菜單中系統(tǒng)參數(shù)的修改。系統(tǒng)自帶安全保護(hù)功能，在監(jiān)測到爆管導(dǎo)致管路壓力急劇下降等異常情況時，自動停機(jī)并報警。

圖5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計方案Fig.5 Software design scheme of the control system

4.1 壓裂泵控制器程序

壓裂泵控制器主要功能是啟停壓裂泵主電動機(jī)、監(jiān)控壓裂泵傳感器和電磁閥，其程序流程如圖6所示。

圖6 壓裂泵控制器程序流程Fig.6 Program flow of fracturing pump controller

壓裂泵控制器先啟動潤滑油泵電動機(jī)，當(dāng)油壓監(jiān)測值達(dá)到規(guī)定值時，通知水箱控制器打開增壓泵電動機(jī)，使增壓泵水壓達(dá)到規(guī)定值。在油壓和水壓均正常的情況下，才能啟動變頻器和主電動機(jī)。啟動壓裂泵后，壓裂泵控制器持續(xù)監(jiān)測各傳感器參數(shù)，發(fā)生異常時隨時停機(jī)保護(hù)并向操作人員報警。在運(yùn)行過程中，隨時接收頻率指令，按照給定的頻率調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，實現(xiàn)壓裂泵輸出流量的實時調(diào)節(jié)。將所有控制邏輯集成在一起，實現(xiàn)壓裂設(shè)備一鍵啟停功能。

4.2 水箱控制器程序

水箱控制器主要功能是監(jiān)控水箱水位、開關(guān)水箱補(bǔ)水閥、啟停增壓泵電動機(jī)、調(diào)節(jié)電控閥門開度、監(jiān)控系統(tǒng)水壓，其程序流程如圖7 所示。

圖7 水箱控制器程序流程Fig.7 Program flow of water tank controller

水箱控制器接收到啟動增壓泵指令后，先判斷當(dāng)前水位是否處于合理區(qū)間，若水位充足則開啟增壓泵電動機(jī)，增壓泵水壓正常的情況下，通知壓裂泵控制器。水箱控制器接收到電動開度球閥的控制指令后，將閥門調(diào)整至預(yù)設(shè)的開度?？刂破骺蓪崟r監(jiān)測系統(tǒng)壓力并將其實時發(fā)送至壓裂泵控制器和中央控制器。如果系統(tǒng)壓力超限，則壓裂泵控制器將電磁卸荷閥切換至卸載狀態(tài)。

4.3 中央控制器程序

中央控制器主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互、接收操作人員指令、控制整套系統(tǒng)運(yùn)行，其程序流程如圖8 所示。

圖8 中央控制器程序流程Fig.8 Program flow of central controller

中央控制器接收來自其他控制器的傳感器參數(shù)，并將其發(fā)送至主機(jī)集中顯示。中央控制器主要收發(fā)4 類指令：參數(shù)設(shè)置指令、電動開度球閥調(diào)節(jié)指令、變頻操作指令、主機(jī)啟停指令。中央控制器內(nèi)置壓裂工藝流程控制算法，自動完成封孔、壓裂、保壓、卸壓4 個工藝流程。根據(jù)壓裂壓力曲線，實時動態(tài)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率、電動開度球閥開度，保證輸出流量和壓力的準(zhǔn)確調(diào)控。

5 工業(yè)性試驗

先后在陜西省榆林市大梁灣煤礦有限公司和陜西彬長礦業(yè)集團(tuán)有限公司孟村煤礦、胡家河煤礦對煤礦井下水力壓裂自動控制系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)性試驗。

5.1 壓裂壓力曲線分析

壓裂過程中存在起裂壓力峰值，系統(tǒng)壓力達(dá)到起裂壓力峰值后會陡降。壓裂過程中的壓力曲線如圖9 所示。壓力尖峰共計14 次，對應(yīng)實際進(jìn)行的14 次壓裂過程。

圖9 壓裂壓力曲線Fig.9 Fracturing pressure curve

從圖9 可看出：在封孔階段，通過維持變頻器低頻輸出，能夠精確控制封孔器壓力，實現(xiàn)良好的封孔效果；在壓裂階段，通過快速提升變頻器頻率，系統(tǒng)壓力陡增，壓力曲線出現(xiàn)明顯尖峰，實現(xiàn)快速壓裂；在注水保壓階段，當(dāng)監(jiān)測到系統(tǒng)壓力尖峰突然下降時，及時精確調(diào)整變頻器輸出頻率，使系統(tǒng)壓力保持短暫平穩(wěn)；在卸壓階段，快速降低變頻器頻率，壓力陡降，實現(xiàn)快速卸壓。根據(jù)后臺數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)壓力控制精度為0.1 MPa。

5.2 壓裂流量曲線分析

注入流量曲線反映每次壓裂過程注入介質(zhì)的流量。壓裂過程中流量曲線如圖10 所示。流量突變共計14 次。

圖10 壓裂流量曲線Fig.10 Fracturing flow curve

從圖10 可看出：在封孔階段，變頻器維持低頻輸出，能夠精確控制較小的注水量，使封孔器膨脹，為后續(xù)壓裂做好準(zhǔn)備；在壓裂階段，變頻器快速提升輸出頻率，壓裂泵快速提供大量注水，流量曲線陡升；壓裂過程中出現(xiàn)流量細(xì)微變化，原因是系統(tǒng)識別到煤層開裂時，變頻器及時、精確地控制輸出轉(zhuǎn)速，從而控制注水流量，實現(xiàn)保壓；在卸壓階段，控制變頻器轉(zhuǎn)速快速降低，流量曲線快速下降。根據(jù)后臺數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)流量控制精度為0.1 m3/h。

5.3 累計注水量曲線分析

累計注水量曲線呈階梯遞增狀態(tài)，每完成一次壓裂，注水量就遞增一次。累計注水量曲線如圖11所示。14 個臺階對應(yīng)實際壓裂14 次。

圖11 累計注水量曲線Fig.11 Water injection accumulation curve

從圖11 可看出，單次注水量呈斜率較大的直線上升狀態(tài)，說明變頻器能夠快速增大頻率，從而快速增加注水量。根據(jù)后臺數(shù)據(jù)可知，單次注水量最小為1.2 m3，最大為7.4 m3，實現(xiàn)了注水量精確控制。

6 結(jié)論

1）設(shè)計開發(fā)了適用于煤礦井下水力壓裂設(shè)備的自動控制系統(tǒng)，完成了該系統(tǒng)的整體方案及軟硬件系統(tǒng)設(shè)計。重點攻克了高壓大流量壓裂泵輸出流量和壓力的快速精密調(diào)節(jié)，遠(yuǎn)程高可靠性安全、高速實時監(jiān)控，一鍵啟停及圖形化分析等關(guān)鍵技術(shù)。

2）該控制系統(tǒng)基于變頻電驅(qū)方案，通過變頻無級調(diào)速和電動開度球閥控制聯(lián)動，可快速精準(zhǔn)控制輸出壓力和流量，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程一鍵啟停、自動化分析等功能，操作方便、安全性高。

3）井下工業(yè)性試驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)壓力控制精度為0.1 MPa，流量控制精度為0.1 m3/h，連續(xù)完成14 次壓裂過程中，每次煤巖層開裂后均能實現(xiàn)較好的保壓效果，滿足煤礦井下水力壓裂工藝要求。