壓裂車組遠程監控系統設計分析

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）

水力壓裂技術屬于油氣井開發過程當中，向井體內部進行注水操作，屬于油井開發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備，壓裂車主要是由底盤、臺上發動機、液力變矩器、傳動系統、壓裂泵、液壓系統、氣路系統以及控制系統等構成，在實際的工作過程當中，主要是向井體內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部。發動機輸出動力驅動油泵，馬達驅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，實現了對井體內部裂縫的填充和擴張。但是在實際的操作過程當中，由于在野外工作環境以及氣候問題的影響，施工過程當中受到自然環境的大氣壓力，在壓力值超過100MPa 的現場操作當中，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控系統進行了改造，在遠程監控系統當中重點包含了PLC 主站系統，壓裂車與混砂車系統構成等。

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，將井體內部的支撐完全替換進入到地層的裂縫當中。

2 系統結構設計

2.1 Profibus- DP 通訊網

通過對Profibus- DP 現場總線的使用和設計，使用了雙向電纜線路來作為數據傳輸環境，實際的數據傳輸速度在9.6kbps ～12Mbps 范圍內。電纜的總長度直接關系到了數據傳輸的速度，在最大站點的數量設置上可以達到127 個以上，通過單體構成的控制站與主站系統進行銜接，實現了以阻斷

系統為控制點的輪回控制模式，從近站控制進行周期性的數據輸送，實現了該系統當中所使用的單體控制系統，以儀器PLC 監控系統作為主要的控制點，以壓裂車和混砂車PLC 控制系統作為輔助，通過對現場總線的設置以及主站數據的快速傳輸，實現了一種操控上的穩定性以及高效化，同時還可以有效提高數據的最大傳輸距離與效率。

2.2 系統結構

在壓裂車組的結構構成上，主要包含了1 臺儀器控制車、3 臺壓裂車以及1 臺混砂車，通過對遠程監控系統的有效運用，通過儀器車上的PLC 作為監控主站系統，通過壓裂車和混砂車的4 個PLC 監控作為輔助控制，以Profibus- DP 作為現場總線路的控制構成，實現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絡系統當中，通過PLC 為主站控制臺來進行模塊化操作。

3 系統硬件設計

3.1 系統電源

在實際的施工現場當中，由于施工環境比較復雜，同時電網內部的電力波動比較明顯，經常會產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定了發電機以及不間斷電源供應。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，實現了對電源系統的有效控制以及電源供應。

3.2 PLC 主站

在PLC 主站系統當中，通過模塊分割控制方式，實現了每一個輔助控制站臺的功能實現的獨立，在操作平臺上將控制臺分成4 組，控制模式、控制旋鈕、控制開關指示燈等作為主要的控制點，所產生的波段在壓裂車當中實現了6 個檔位的掌控，與壓裂車組內部的連續性控制按鈕分別對壓裂車的油門大小以及發動機的轉速進行監控。壓裂車的按鍵開關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，同時還實現了超壓防護等相關功能。通過系統模塊內部對動力供應數據的收集，保證發動機轉動過程中的參數和壓力值的測量。在工作過程當中如果控制模塊的狀態指示燈正常工作，則在輸出高頻率變頻的過程當中系統指示燈亮起，對整個系統的狀態實施了準確的預防和監控。

3.3 PLC 從站

壓裂車組在控制計數器的有效控制下，對連接在內部的轉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境溫度以及局部的壓力進行了數據的采集，通過對壓裂車組的工作狀態的有效監控，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動機監測器進行了實時性的監控，有效保證了設備工作過程當中的安全性與穩定性。模塊檢測工作在實際的操作過程當中，是否實現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，包含了換擋操作、熄火停車以及啟動等各個方面的工作環節。

4 系統軟件設計

在軟件系統的編制工作當中，通過混合程序編制以及系統化模塊設計的方式，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域，通過這種劃分方式可以方便壓裂車組在后續的調試以及保養過程當中的工作開展，通過軟件接入實現了人機交互式的數據采集，將控制模塊和系統程序進行有效的對接，將內部的功能模塊、系統模塊和數據控制模塊之間進行聯合使用，有效達到了人機交互式的數據采集和數據運用，真正實現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，有效改變對地層內部的壓力大小，有效調節發動機轉速以及改變壓裂液內部的含砂比例，通過這種操作對實現壓裂車組施工當中的壓力控制至關重要。壓裂車組在工作過程當中，如果遇到一些特殊型地質條件，比如地質較硬的巖石層，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節的控制程度進行設定。保障壓裂車組在針對一些特殊性地質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生異常響動的問題，需要及時對壓裂車組進行停火檢查，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境因素加以充分的考慮，同時對車組內部的系統安全進行全面的檢測。

5 結語

通過本文對壓裂車組的遠程監控系統的分析和研究，從中可以看出通過對Profibus 現場總線的有效設置，形成一個整體工作流程的監控網絡，有效實現了壓力車主的遠程化操控。現場施工人員可以依照車體內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域進行遠離，通過這種監控方式保證了工作人員的人身安全。