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)過程當中，向井體內(nèi)部進行注水操作，屬于油井開發(fā)過程當中非常重要的施工方式。壓裂車和混砂車是進行油井壓裂操作過程當中重點的工作設(shè)備，壓裂車主要是由底盤、臺上發(fā)動機、液力變矩器、傳動系統(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，在實際的工作過程當中，主要是向井體內(nèi)部注入大量的壓裂液，通過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，同時將支撐劑輸送到裂縫內(nèi)部。發(fā)動機輸出動力驅(qū)動油泵，馬達驅(qū)動的形式將泥沙有效的輸送到裂縫當中，通過攪拌、吸入和高壓注入等操作流程，實現(xiàn)了對井體內(nèi)部裂縫的填充和擴張。但是在實際的操作過程當中，由于在野外工作環(huán)境以及氣候問題的影響，施工過程當中受到自然環(huán)境的大氣壓力，在壓力值超過100MPa 的現(xiàn)場操作當中，壓裂車與混砂車的工作難度較高，存在安全隱患，需要對壓裂車組遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行了改造，在遠程監(jiān)控系統(tǒng)當中重點包含了PLC 主站系統(tǒng)，壓裂車與混砂車系統(tǒng)構(gòu)成等。

1 壓裂施工流程簡介

壓裂車組在施工過程當中，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。在進行試劑的通路操作當中，通常情況下使用的是1 ～2 臺的壓裂車組，通過小排量的計入方式，有效的判斷地下管道是否完全通暢，同時對地層的壓裂液吸收能力進行判斷。壓裂操作過程主要是在壓裂液通入的過程中，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)部具有強大的壓力，將地層進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中進行輸送，完成該項操作之后需要通過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入到地層的裂縫當中。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 Profibus- DP 通訊網(wǎng)

通過對Profibus- DP 現(xiàn)場總線的使用和設(shè)計，使用了雙向電纜線路來作為數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境，實際的數(shù)據(jù)傳輸速度在9.6kbps ～12Mbps 范圍內(nèi)。電纜的總長度直接關(guān)系到了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，在最大站點的數(shù)量設(shè)置上可以達到127 個以上，通過單體構(gòu)成的控制站與主站系統(tǒng)進行銜接，實現(xiàn)了以阻斷

系統(tǒng)為控制點的輪回控制模式，從近站控制進行周期性的數(shù)據(jù)輸送，實現(xiàn)了該系統(tǒng)當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，以壓裂車和混砂車PLC 控制系統(tǒng)作為輔助，通過對現(xiàn)場總線的設(shè)置以及主站數(shù)據(jù)的快速傳輸，實現(xiàn)了一種操控上的穩(wěn)定性以及高效化，同時還可以有效提高數(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 臺儀器控制車、3 臺壓裂車以及1 臺混砂車，通過對遠程監(jiān)控系統(tǒng)的有效運用，通過儀器車上的PLC 作為監(jiān)控主站系統(tǒng)，通過壓裂車和混砂車的4 個PLC 監(jiān)控作為輔助控制，以Profibus- DP 作為現(xiàn)場總線路的控制構(gòu)成，實現(xiàn)了人工智能化控制以及遠程操控的工作模式，PLC 使用的是西門子S7-300 系列CPU315-2DP 處理器，在工作過程當中，可以直接接入到計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當中，通過PLC 為主站控制臺來進行模塊化操作。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)電源

在實際的施工現(xiàn)場當中，由于施工環(huán)境比較復雜，同時電網(wǎng)內(nèi)部的電力波動比較明顯，經(jīng)常會產(chǎn)生一些外界諧波的影響，同時在進行遠距離的電源輸送上難度較高，同時也存在一定的安全隱患，所以說在儀器車的配置方面設(shè)定了發(fā)電機以及不間斷電源供應(yīng)。壓裂車組上通過24V 電瓶作為供電電源，為PLC 控制站提供充足的電源，每一個PLC 都具有電源控制模塊，實現(xiàn)了對電源系統(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)當中，通過模塊分割控制方式，實現(xiàn)了每一個輔助控制站臺的功能實現(xiàn)的獨立，在操作平臺上將控制臺分成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，所產(chǎn)生的波段在壓裂車當中實現(xiàn)了6 個檔位的掌控，與壓裂車組內(nèi)部的連續(xù)性控制按鈕分別對壓裂車的油門大小以及發(fā)動機的轉(zhuǎn)速進行監(jiān)控。壓裂車的按鍵開關(guān)直接控制壓裂車熄火和啟動操作指示燈方面以PLC 控制站來進行遠程操控，同時還實現(xiàn)了超壓防護等相關(guān)功能。通過系統(tǒng)模塊內(nèi)部對動力供應(yīng)數(shù)據(jù)的收集，保證發(fā)動機轉(zhuǎn)動過程中的參數(shù)和壓力值的測量。在工作過程當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程當中系統(tǒng)指示燈亮起，對整個系統(tǒng)的狀態(tài)實施了準確的預防和監(jiān)控。

3.3 PLC 從站

壓裂車組在控制計數(shù)器的有效控制下，對連接在內(nèi)部的轉(zhuǎn)速傳感器進行了操控，通過模塊的有效連接，對壓裂車組工作過程當中的環(huán)境溫度以及局部的壓力進行了數(shù)據(jù)的采集，通過對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，同時保證了工作人員的人身安全。通過模塊輸出的控制方式，對連接在壓裂車組的油門控制器以及發(fā)動機監(jiān)測器進行了實時性的監(jiān)控，有效保證了設(shè)備工作過程當中的安全性與穩(wěn)定性。模塊檢測工作在實際的操作過程當中，是否實現(xiàn)了良好的遠程操控功能，主要基于高電平條件下的遠程控制效果，對于模塊輸出控制當中壓裂車組的整體工作狀態(tài)，包含了換擋操作、熄火停車以及啟動等各個方面的工作環(huán)節(jié)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在軟件系統(tǒng)的編制工作當中，通過混合程序編制以及系統(tǒng)化模塊設(shè)計的方式，將一些比較復雜的操作流程有效的分解成多個獨立的工作區(qū)域，通過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)過程當中的工作開展，通過軟件接入實現(xiàn)了人機交互式的數(shù)據(jù)采集，將控制模塊和系統(tǒng)程序進行有效的對接，將內(nèi)部的功能模塊、系統(tǒng)模塊和數(shù)據(jù)控制模塊之間進行聯(lián)合使用，有效達到了人機交互式的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)運用，真正實現(xiàn)了壓裂車組的遠程操控功能。在進行壓裂車組的工作當中，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中，有效改變對地層內(nèi)部的壓力大小，有效調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及改變壓裂液內(nèi)部的含砂比例，通過這種操作對實現(xiàn)壓裂車組施工當中的壓力控制至關(guān)重要。壓裂車組在工作過程當中，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，則不能對其施加較高的壓力，否則會直接對地層中巖石產(chǎn)生嚴重的損壞，使得壓裂施工無法正常進行。在此過程當中，需要針對壓裂車的油門控制以及換擋調(diào)節(jié)的控制程度進行設(shè)定。保障壓裂車組在針對一些特殊性地質(zhì)條件壓力大小的準確控制，保護層條件的安全性和可靠性，如果壓裂車組在正常工作過程中產(chǎn)生異常響動的問題，需要及時對壓裂車組進行?；饳z查，通過程序檢測的方式來進行故障分析，在故障檢測過程當中需要對環(huán)境因素加以充分的考慮，同時對車組內(nèi)部的系統(tǒng)安全進行全面的檢測。

5 結(jié)語

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