趙 歡 劉有平 陳遠(yuǎn)建 么恩翔 侯勇俊

①四川寶石機(jī)械專用車有限公司 ②川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司 ③西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

我國(guó)壓裂裝備經(jīng)歷了從國(guó)外引進(jìn)到自主集成的發(fā)展歷程，并已形成柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)為主、本地控制的成熟技術(shù)體系，但在信息化、智能化方面的發(fā)展相對(duì)落后，特別是在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警與智能診斷方面，一直缺乏專業(yè)、系統(tǒng)、高效的綜合數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。運(yùn)用在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)開發(fā)了壓裂設(shè)備的遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了壓裂設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)及維護(hù)保養(yǎng)數(shù)據(jù)等的遠(yuǎn)程傳輸及故障實(shí)時(shí)報(bào)警等功能，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中得到了較好應(yīng)用。壓裂設(shè)備遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)打破了原有設(shè)備管理模式，方便用戶收集、整理及統(tǒng)計(jì)壓裂設(shè)備運(yùn)行情況，減低設(shè)備作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，使設(shè)備管理更智能高效具有重要的意義。

水力壓裂是油氣井增產(chǎn)重要措施，在油氣田生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，特別是近年來(lái)的頁(yè)巖油氣開發(fā)，大規(guī)模的水力壓裂是關(guān)鍵措施[1]；在油氣井的開采中，水力壓裂也是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)[1]。壓裂施工的壓裂車組包括數(shù)臺(tái)泵車、混砂車、罐車、儀表車、水泥車等多種設(shè)備。為保證壓裂施工的安全可靠進(jìn)行，壓裂機(jī)組的控制系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)為本地控制和遠(yuǎn)程控制兩套控制系統(tǒng)[2-3]。油氣生產(chǎn)企業(yè)對(duì)壓裂施工中的工藝數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)施工遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)更感興趣，其運(yùn)用的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要以數(shù)據(jù)的采集和傳輸為主，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的壓裂車組的工況等并不實(shí)施監(jiān)控[1,4-7]；壓裂機(jī)組運(yùn)行的遠(yuǎn)程控制一般僅限于施工現(xiàn)場(chǎng)的近距離的無(wú)線控制[8-11]，僅實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)設(shè)備的運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)和控制。油田設(shè)備管理部門日常管理中，壓裂車組的生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)備運(yùn)維中，都急需壓裂車組的工況數(shù)據(jù)，因此研制壓裂車組的運(yùn)行工況遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析和處理研究系統(tǒng)及遠(yuǎn)程管理中心組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

1.1 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)

采集到的壓裂車組數(shù)據(jù)主要包括：井口壓力、液添瞬時(shí)流量及累計(jì)流量、干添瞬時(shí)流量及累計(jì)流量、壓裂吸入排出壓力、壓裂瞬時(shí)排量及累計(jì)排量、絞龍流量等數(shù)據(jù)，不僅對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了存儲(chǔ)，并進(jìn)行了分析處理，在施工結(jié)束后，可隨時(shí)查看數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)利用PLC通過(guò)CAN總線讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度、機(jī)油壓力、運(yùn)行小時(shí)、變速箱檔位、報(bào)警代碼等運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)讀取現(xiàn)有控制系統(tǒng)PLC內(nèi)的壓裂泵運(yùn)行數(shù)據(jù)，并保存于CPU數(shù)據(jù)采集專用數(shù)據(jù)塊中，不影響控制系統(tǒng)的可靠性以及穩(wěn)定性，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集過(guò)程

1.2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)控系統(tǒng)按照傳輸方式分為有線傳輸和無(wú)線傳輸。跟有線傳輸相比，無(wú)線傳輸組網(wǎng)靈活且連接方便，不僅減少現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的線路連接，而且降低現(xiàn)場(chǎng)施工的工作量，所以選擇了無(wú)線傳輸?shù)谋O(jiān)控方式。目前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商提供的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方式主要有：3G、4G、5G、衛(wèi)星這四種方式，考慮到5G基站的建設(shè)還不完整，而衛(wèi)星系統(tǒng)使用成本過(guò)高等問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境的特殊性并進(jìn)行了分析對(duì)比，最終采用4G網(wǎng)絡(luò)為主，3G網(wǎng)絡(luò)為輔，同時(shí)兼容現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線AP網(wǎng)絡(luò)。安裝在壓裂車控制箱內(nèi)的網(wǎng)關(guān)可通過(guò)交換機(jī)與數(shù)據(jù)采集PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并將采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器終端。考慮到少數(shù)井場(chǎng)存在無(wú)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)情況較差（丟包率高）情況下，該網(wǎng)關(guān)可在本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)自動(dòng)上傳，在上傳時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)將發(fā)送數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳，從而保證數(shù)據(jù)的完整性和穩(wěn)定性。為了對(duì)上傳的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的保護(hù)，鏈路采取了VPN技術(shù)保證數(shù)據(jù)傳輸安全，同時(shí)具備強(qiáng)大防火墻和短信用戶白名單功能。網(wǎng)關(guān)內(nèi)自帶GPS定位系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備分布情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.3 數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)顯示平臺(tái)利用TIA Portal WinCC軟件進(jìn)行組態(tài)，軟件系統(tǒng)采用多語(yǔ)言混合編程方法和系統(tǒng)化、模塊化設(shè)計(jì)思想，將任務(wù)按功能設(shè)計(jì)成獨(dú)立模塊，便與調(diào)試維護(hù)；軟件主要由觸摸屏人機(jī)交互、數(shù)據(jù)采集和控制模塊組成，系統(tǒng)程序通過(guò)組織塊、功能塊和數(shù)據(jù)塊等之間的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)觸摸屏人機(jī)交互、采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅和平滑濾波處理，將數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等通過(guò)圖像、表格等形式進(jìn)行直觀顯示。運(yùn)用WebNavigator技術(shù)，使得用戶利用普通的IE瀏覽器即可對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行Web訪問(wèn)。

針對(duì)非本公司品牌的壓裂車本地信號(hào)采集，需安裝一個(gè)數(shù)據(jù)采集箱，箱內(nèi)由Siemens PLC、無(wú)線網(wǎng)關(guān)和無(wú)線硬盤錄像機(jī)組成。采集到的壓裂車組數(shù)據(jù)，可傳輸?shù)綄?shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，用于預(yù)測(cè)分析車組運(yùn)行狀況，如圖3所示。

圖3 非本公司的壓裂車信號(hào)采集

視頻信號(hào)由NVR采集、存儲(chǔ)，再發(fā)送到大華螢石云。內(nèi)存支持4臺(tái)攝像頭存儲(chǔ)至少6個(gè)月的視頻數(shù)據(jù)。NVR可直接查看實(shí)時(shí)視頻流，并對(duì)視頻進(jìn)行分析、處理。實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)不僅做本地保存，平臺(tái)管理中心也可以隨時(shí)訪問(wèn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析及處理研究系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析及處理研究系統(tǒng)，通過(guò)壓裂車組的實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù)，構(gòu)建壓裂車的數(shù)字孿生，對(duì)關(guān)鍵的指標(biāo)進(jìn)行基于上下限、動(dòng)態(tài)閾值、發(fā)生頻次等狀態(tài)的告警，并給予告警的結(jié)果核對(duì)特征庫(kù)，對(duì)故障進(jìn)行智能的診斷，并根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果和真實(shí)數(shù)據(jù)之間的偏差，對(duì)故障進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)分析及處理研究系統(tǒng)

1.5 遠(yuǎn)程管理中心

系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)采用Siemens的WINCC監(jiān)控組態(tài)平臺(tái)開發(fā)，WINCC監(jiān)控平臺(tái)是西門子專門針對(duì)自動(dòng)化工控行業(yè)開發(fā)的二次開發(fā)平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于全球各個(gè)行業(yè)，具有性能穩(wěn)定，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，選用該平臺(tái)搭建數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，不僅能與壓裂車控制系統(tǒng)完美融合，還能為后期的系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)提供便利。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該壓裂設(shè)備遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，是以壓裂設(shè)備加裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及視頻采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并在本地控制系統(tǒng)進(jìn)行備份后，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，由服務(wù)器進(jìn)行收集、整理與統(tǒng)計(jì)后發(fā)布至指定網(wǎng)頁(yè)或APP上，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行顯示、故障報(bào)警、預(yù)防性維護(hù)、歷史數(shù)據(jù)查看、統(tǒng)計(jì)報(bào)表生成、視頻監(jiān)控及GPS定位等功能。目前該系統(tǒng)已應(yīng)用于川慶鉆探和長(zhǎng)城鉆探等公司的壓裂設(shè)備的遠(yuǎn)程管理，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好。

3 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、PLC技術(shù)和壓裂控制技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了壓裂車組的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，使工程師不用到現(xiàn)場(chǎng)也可以對(duì)壓裂工作進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)和建議，數(shù)據(jù)庫(kù)也方便了后期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)。由此可見(jiàn)，基于4G傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控極大提高了生產(chǎn)效率，真正做到了降本增效和安全可靠，很適用于對(duì)有地域限制的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和記錄。