何建 高博 郭云飛

摘要：工程化壓裂作為石油工程項目的重要環(huán)節(jié)，會直接影響石油開采成效。傳統(tǒng)人工操作模式下，自動化水平較低，需要進行人工啟閉，從而降低了作業(yè)精度。為進一步優(yōu)化工程化壓裂作業(yè)水平，融合先進科技手段打造遠程控制系統(tǒng)。針對常規(guī)井遠程壓裂系統(tǒng)進行創(chuàng)新研發(fā)，進一步改善不同地域網(wǎng)絡傳輸問題，支持遠程壓裂操作，為實現(xiàn)遠程控制奠定良好基礎。以某項目為例介紹了工程化壓裂遠程控制系統(tǒng)設計，包括遠程壓裂現(xiàn)場網(wǎng)絡構建、混砂設備遠程系統(tǒng)構建、壓裂車遠程控制系統(tǒng)構建、儀表車遠程控制系統(tǒng)構建、實際應用成果和結論建議。

關鍵詞：工程化壓裂；遠程控制；系統(tǒng)設計

一、前言

通過針對工程化壓裂遠程控制系統(tǒng)進行創(chuàng)新研發(fā)設計，能夠針對工程現(xiàn)場各種核心裝置的操作狀況和運行狀態(tài)展開實時監(jiān)控，提升工程現(xiàn)場的設備施工安全性和作業(yè)穩(wěn)定性，常規(guī)井遠程控制系統(tǒng)支持下能夠促進現(xiàn)場作業(yè)裝置和操作技術人員全面隔離，有效創(chuàng)新優(yōu)化傳統(tǒng)壓裂作業(yè)施工模式，提高工程現(xiàn)場施工作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。

二、項目概況

隨著科技發(fā)展，進一步促進壓裂工藝的技術創(chuàng)新，優(yōu)化材料性能，改善現(xiàn)場壓裂設備操作性能，水平井體積壓力得到全面應用和推廣，千方砂萬方液相關壓裂工作成為某種常態(tài)。在新時期發(fā)展背景下需要致力于提高工廠化水平井壓裂作業(yè)水平，統(tǒng)籌兼顧常規(guī)井，重點關注探井、評價井相關壓裂施工，激發(fā)EISC核心功能，增強控制系統(tǒng)對于工程現(xiàn)場支持力度，進一步減少施工成本，縮減工程建設周期，提高設備操作效率，保障工程設備和施工人員安全性，為后期壓裂施工奠定良好基礎。此次遠程壓裂性相關研發(fā)項目需要針對混砂裝置對應PLC控制系統(tǒng)以及各種基礎硬件設施實施全面改造升級[1]。

三、工程化壓裂遠程控制系統(tǒng)設計分析

（一）遠程壓裂現(xiàn)場網(wǎng)絡構建

因為壓裂作業(yè)場所主要分布于荒漠戈壁區(qū)域，普遍存在人員稀少、布點分散以及通訊不暢等特征，在油田現(xiàn)場進行網(wǎng)絡建設中很難鋪設光纖電纜，但不管是壓裂施工中回傳現(xiàn)場視頻還是壓裂系統(tǒng)裝置的同步操控以及運行狀態(tài)監(jiān)控都具有重要作用，結合遠程壓裂施工要求和主要問題，可以選擇全新數(shù)字微波通信技術。數(shù)字微波通信主要是將微波作為基礎載體傳播數(shù)字信息的基礎通信措施，因為微波技術的傳播覆蓋范圍廣，傳播距離長，同時網(wǎng)絡帶寬高，網(wǎng)絡延遲較低，進一步擴大了微波通信技術的應用范圍。隨著無線網(wǎng)絡傳輸接入裝置的不斷發(fā)展、完善和成熟，無線網(wǎng)絡憑借其自身快捷、便利的優(yōu)勢，廣泛應用于各種地形環(huán)境較差的區(qū)域內(nèi)。無線網(wǎng)絡系統(tǒng)裝置能夠合理提供108M、54M以及11M穩(wěn)定帶寬，進而滿足遠程壓裂中的數(shù)據(jù)傳送要求，未來將會廣泛應用于油田作業(yè)現(xiàn)場。壓裂施工作業(yè)現(xiàn)場相關設備組成具體如表1。

壓裂施工現(xiàn)場各種系統(tǒng)裝置主要包括壓裂車組、混砂設備以及儀表車，工程現(xiàn)場各種監(jiān)控視頻需要進行全面組網(wǎng)連接。利用工業(yè)級網(wǎng)線將壓裂車組、混砂裝置和儀表車進行全面連接，促進儀表車針對現(xiàn)場壓裂車組、混砂裝置實現(xiàn)遠程控制和運行狀態(tài)監(jiān)測目標。視頻監(jiān)控系統(tǒng)和儀表車相關硬盤錄像裝置進行順暢連接，支持采集作業(yè)現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)?？刂浦行暮妥鳂I(yè)現(xiàn)場相距較遠，距離從幾公里、幾十公里至上百公里不等，先行方案主要包括微波和光纖兩種形式。結合現(xiàn)場控制網(wǎng)絡實際要求，需要進一步將延遲控制在20ms之內(nèi)，密切聯(lián)系現(xiàn)場需求對自動控制系統(tǒng)架設難度、設備數(shù)量、價格以及可重復利用性進行全面監(jiān)測控制。綜合考慮后可以選擇微波傳輸，在現(xiàn)場開展試驗。經(jīng)實驗證明，微波傳輸能夠進一步達到網(wǎng)絡延遲要求，并將網(wǎng)絡延遲率控制在20ms之內(nèi)。微波帶寬能夠進一步聯(lián)系工程建設要求實施針對性設計定制，當前在施工現(xiàn)場主要應用20MB專用微波傳輸線路[2]。

（二）混砂設備遠程系統(tǒng)構建

針對混砂的遠程控制系統(tǒng)能夠利用遠端系統(tǒng)和混砂裝置內(nèi)部交換機進行實時通信，針對混砂裝置相關供砂模塊、供液性、輸砂模塊、動力系統(tǒng)、化添系統(tǒng)以及各種輔助系統(tǒng)實施本地遠端同步控制，針對不同功能系統(tǒng)運行狀態(tài)進行遠程實時監(jiān)控?；焐把b置相關遠程控制系統(tǒng)擁有某種自動控制能力，可以在系統(tǒng)內(nèi)對運行參數(shù)進行提前設置，支持現(xiàn)場混砂裝置實施相關操作，發(fā)揮自動泵注添加劑、自動化加砂以及自動供液相關功能。

通過分析混砂裝置施工現(xiàn)狀可以進一步發(fā)現(xiàn)在常規(guī)井壓裂作業(yè)中，混砂裝置技術操作人員在正式施工前結束巡回檢查作業(yè)后，對設備不同關鍵節(jié)點進行全面啟動調(diào)試，從而促進設備維持待啟動狀態(tài)，等候相關指揮通知。正常施工環(huán)節(jié)，操作人員利用現(xiàn)場通信裝置接收命令，但設備自動化水平不足，需要技術人員親自操作，甚至技術人員無法對其中關鍵節(jié)點狀態(tài)進行準確判斷。技術人員檢查各種連接線路全面連接后，從混砂裝置控制室內(nèi)開啟發(fā)動機，等待現(xiàn)場通知，接收指揮信息后按照標準工序流程按順序人工啟動閥門，開啟吸入泵、排送泵、攪拌系統(tǒng)和進液蝶閥，利用旋鈕調(diào)控不同泵開度以及閥位，現(xiàn)場操作者通過親自觀察以及現(xiàn)場臨時監(jiān)控判斷混砂罐整體液位變化，避免液體產(chǎn)生溢罐現(xiàn)象?；焐把b置主要通訊模式是利用工業(yè)級網(wǎng)線和儀表車交換機進行連接，現(xiàn)場指揮利用儀表車信息采集系統(tǒng)手機運行數(shù)據(jù)，實時采集混砂裝置運行工況和各種作業(yè)參數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)全面整合分析各種數(shù)據(jù)信息，聯(lián)系施工狀況繪制曲線圖，展示給現(xiàn)場指揮者，指揮操控人員結合曲線圖和工程設計對實際施工狀況進行準確判斷。設備操作人員在對下砂口實際出砂狀況、攪拌罐液位、機械儀表盤等狀況進行細致觀察基礎上，傾聽液壓馬達、液壓泵、發(fā)動機運行聲音，聯(lián)系以往工程經(jīng)驗，準確判斷混砂裝置運行狀況，科學判斷系統(tǒng)中的異常問題[3]。

實施PLC改造前，混砂管匯控制閥門部分主要是手動操作單元，另一部分是氣動操作單元。發(fā)動機的油門控制則是以手動旋鈕方式為主進行控制，發(fā)動機運行狀態(tài)是以摩菲表裝置進行直感監(jiān)控。傳感器、攪拌罐、絞龍、排送泵、吸收泵等全部實施手動啟閉操作，將運行命令傳輸至PLC控制系統(tǒng)，隨后通過PLC控制設備運行。經(jīng)過PLC改造后，混砂裝置各個核心部件相關運行操作和狀態(tài)檢測主要通過兩套PLC系統(tǒng)實施操作，同時系統(tǒng)擁有充足的升級改造空間。管匯法門在實施改造前僅能實施手動控制，經(jīng)過管匯閥門改造后，可以增設啟動執(zhí)行單元和接近開關，支持管匯開關，實現(xiàn)遠程控制，并針對開關狀態(tài)進行遠程監(jiān)控。壓力傳感器在進行改造前，發(fā)動機啟動氣瓶壓力以及油壓主要依賴于本地直感表實施人工監(jiān)控。針對壓力傳感器實施創(chuàng)新改造后，可以針對設備實施遠程運行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)異常狀況，做好信息預警工作，保障整個系統(tǒng)設備穩(wěn)定運行。

（三）壓裂車遠程控制系統(tǒng)構建

遠程壓裂系統(tǒng)具體可以分成三種內(nèi)容，分別是遠程控制層、數(shù)據(jù)通信層以及壓裂現(xiàn)場業(yè)務層。其中壓裂業(yè)務層，壓裂車現(xiàn)場操作者負責對壓裂車進行檢查判斷是否滿足實際施工要求，對現(xiàn)場設備網(wǎng)絡進行細致檢查，判斷網(wǎng)絡連接穩(wěn)定性。本地壓裂操控系統(tǒng)可以支持壓裂施工作業(yè)，借助遠程通信設備通知操控人員開展遠程壓裂操作。數(shù)據(jù)通信層內(nèi)，壓裂泵控系統(tǒng)利用現(xiàn)場網(wǎng)絡和壓裂裝置內(nèi)PLC裝置進行連接，實現(xiàn)車輛變速箱、發(fā)動機以及柱塞泵的控制檢測，遠控系統(tǒng)和本地系統(tǒng)利用網(wǎng)絡向壓裂車組對硬PLC系統(tǒng)發(fā)送操作命令，控制現(xiàn)場壓裂作業(yè)車實施各項壓裂作業(yè)。遠程控制層設計中因為接入微波網(wǎng)絡能夠促進實現(xiàn)壓裂車組作業(yè)的遠程控制，加強質(zhì)量監(jiān)控，支持設備遠程控制，靈活調(diào)節(jié)發(fā)送機運行轉速，對壓裂車組對應發(fā)動機系統(tǒng)進行合理控制，利用自動控制PLC可以對發(fā)動機的轉速、壓力以及溫度狀況進行全面監(jiān)控，通過儀表盤的方式展示遠程控制系統(tǒng)。同時顯示變速箱的溫度狀況和傳動箱壓力，對傳動箱操作檔位實施遠程控制，通過實時監(jiān)控，準確顯示壓裂泵以及相關參數(shù)[4]。

（四）儀表車遠程控制系統(tǒng)構建

遠程控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由三個部分構成，分別是遠程控制層、數(shù)據(jù)通信層以及數(shù)采現(xiàn)場業(yè)務層。壓裂現(xiàn)場技術人員檢查網(wǎng)絡連接狀態(tài)是否出現(xiàn)異常，本地數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以對施工數(shù)據(jù)進行正常采集，利用遠程控制系統(tǒng)聯(lián)系信息采集人員，支持現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)的遠程采集。數(shù)據(jù)通信層，數(shù)據(jù)采集裝置利用現(xiàn)場網(wǎng)絡和混砂裝置、壓裂車PLC系統(tǒng)進行全面連接，對不同系統(tǒng)裝置的PLC控制運行參數(shù)進行自動讀取，結合現(xiàn)場指揮命令展示相應的變化曲線，導出數(shù)據(jù)信息，實施數(shù)據(jù)轉發(fā)。遠程控制層方面，為保障和本地系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集結果保持一致，需要利用本地系統(tǒng)實施數(shù)據(jù)存儲，滿足數(shù)據(jù)交換、信息同步以及數(shù)據(jù)遷移等多樣現(xiàn)場數(shù)據(jù)集成，基于大量復雜數(shù)據(jù)信息環(huán)境內(nèi)合理創(chuàng)建數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)，提供有效技術支持[5]。

（五）實際應用成果

創(chuàng)新研發(fā)設計遠程混砂控制系統(tǒng)，可以利用PLC技術對車輛管匯、發(fā)動機、干添泵、液柱泵、左右絞龍、攪拌裝置以及進液蝶閥實施有效監(jiān)測控制，借助遠程操控以及現(xiàn)場操作將運行指令傳輸至現(xiàn)場混砂裝置和作業(yè)車內(nèi)，指導混砂設備運行，滿足遠程壓裂施工的標準要求。針對遠程壓裂裝置，合理設計研發(fā)相關控制軟件，以支持現(xiàn)場壓裂車組實施遠程控制和運行監(jiān)控，對發(fā)動機的啟停操作進行遠程控制，靈活調(diào)節(jié)發(fā)動機運行轉速，操控壓裂車組對應發(fā)動機，利用PLC能夠對發(fā)動機轉速、運行壓力和溫度狀態(tài)進行實時監(jiān)控，通過儀表盤顯示遠程監(jiān)控系統(tǒng)。針對所采集信息數(shù)據(jù)實施全面存儲、準確計算和過濾，并利用圖表方式呈現(xiàn)，滿足遠程壓裂的標準施工要求。

新疆智慧油田某井總計兩層壓裂施工，其中設計砂量總和是90方，液量總和達到746.8方。該井由儲層改造中心壓裂六隊承擔項目任務，整個項目過程應用遠程控制技術，在遠程控制中心設置控制點，與施工現(xiàn)場相距43公里。針對作業(yè)現(xiàn)場各種設備裝置實施全面連接后，控制權轉移到遠程控制中心，對于儀表操作裝置、混砂操作裝置、泵空操作設備、設計人員和施工指揮都在EISC中心實施遠程控制。該井從7月30日13時56分啟泵，并在18時57分停泵，在接近五個小時的現(xiàn)場作業(yè)后，總計加砂量達到90.29方，泵送液量達到723方，各種參數(shù)均滿足設計指標要求，順利完成遠程壓裂施工任務[6]。

（六）結論和建議

結合此次工程研究，在遠程壓裂作業(yè)中應用光纖網(wǎng)絡和微波網(wǎng)絡進行信息通訊，常規(guī)井實現(xiàn)遠程壓裂控制的基礎系統(tǒng)是混砂裝置自動控制系統(tǒng)。常規(guī)井在實施遠程壓裂作業(yè)中需要合理配置數(shù)量充足的運行監(jiān)測點和視頻監(jiān)控點，方便系統(tǒng)操作人員充分把握整個系統(tǒng)設備運行狀態(tài)。常規(guī)井在壓裂施工中基礎業(yè)務成本增加，運行壓力不斷擴大，基于此可以嘗試創(chuàng)新調(diào)整現(xiàn)有施工作業(yè)模式，打造出一組操作工對應多樣工作面的作業(yè)施工模式，進一步降低現(xiàn)場作業(yè)處理成本。通過服務器運行模式來取代傳統(tǒng)模式下的壓裂作業(yè)控制模式，促進現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息采集工作得到進一步創(chuàng)新優(yōu)化。

四、結語

綜上所述，結合工程現(xiàn)場作業(yè)要求針對工程化壓裂遠程控制系統(tǒng)實施創(chuàng)新研究設計能夠促進工程化壓裂實現(xiàn)遠程控制目標，提高現(xiàn)場作業(yè)控制的靈活性和操作便利性，整個系統(tǒng)控制具有較強的抗干擾能力以及較快的反應速度，能夠支持系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定傳輸。結合施工現(xiàn)場實際應用操作狀況分析，遠程控制系統(tǒng)具有良好運行效果，操作中可以遠離工程現(xiàn)場，遠程控制壓裂工作，改善工作環(huán)境。

參考文獻

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作者單位：中國石油集團西部鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司