探討油田壓裂車組控制系統的優化改造

王生蘭 (勝利油田高原石油裝備有限責任公司 山東 東營 257000)

近年來，水力壓裂技術的發展成熟使得其在油田生產中得到了極大的推廣應用，油田通過采用水力壓裂技術有效解決了非均質、多套層系油層的同井開采問題，增加了油井產量，提升了油田儲量動用程度，尤其是低滲透油層的儲量動用，尤為關鍵的是大大改善了油田開發。隨著水力壓裂技術的廣泛應用，壓裂車組設備的不足也逐漸顯現，主要問題是該設備的自動化程度很低，壓裂車的轉速、壓力、混砂車轉速、排量等還是靠人工來操作。文章針對油田壓裂車組控制系統的不足，提出幾點優化改進措施。

一、水力壓裂技術在油田開發中的作用

（1）由于中、低滲透油田在鉆井作業時受泥漿污染及儲層條件限制，使得自然產能低、效益差，需要經過壓裂處理方能正常投產，故壓裂技術是勘探開發中、低滲透率油田工程的重要手段；（2）壓裂技術通過對油水井內分層改造，使得中、低滲透層的吸水效果與產量得到提升，從而在非均質與多油層的油田開發中實現層間沖突、平面矛盾的有效調整，是完成分層開發的重要技術措施；（3）水力壓裂作業能夠在油氣儲層之中開辟出一條導流能力較高的縫隙，減小井筒內油氣流體的滲流阻力，大大提升產量，所以壓裂還是油水井，尤其是低滲透率的油水井，增加產能、增加注水的重要技術手段；（4）壓裂技術是完井工程中對中低滲透油井作業的重要作業手段。其主要實現手段是控制油層的孔隙密度以及供給液體的排量，從而形成足夠大的炮眼摩阻，在井筒內形成很大的壓力，進而實現對破裂壓力近似的油層連續壓開的目的。

二、壓裂車組控制系統改進措施

（1）、功能設計優化

在功能方面，經過改造后，壓裂車組的自動控制系統應具有的基本功能有：數據實時監測功能和數據處理管理功能。控制系統硬件部分的核心是工業化控制一體機，通過采集數據、實時監測、狀態控制及顯示最后數據結果等步驟，最終實現整個系統的功能。控制系統的監控程序主要承擔著實時控制井下壓裂施工過程以及通過數據聯系保持與主控計算機的通信，主要由數據I/O模塊、光電隔離式數據傳感器模塊、網絡數據管理模塊和計算機系統等單元組成。控制系統軟件部分的核心是Windows操作系統，采用Delphi 5開發完成，主要承擔著實現壓裂車組檔位轉換控制、轉速調整控制以及油門控制等功能。通過硬件與軟件系統的協同工作，從而實現了整個控制系統對數據實時數據監測、管理與調整的功能，其數據的來源主要是通過對井下壓裂作業設計的各個參數進行的采集，與此同時還有完成即時報警輸出功能、數字與模擬信號互相轉換功能、控制數據輸出功能等，并將發動機、柱塞泵、減速器以及液壓系統等的控制信號全部集成到1939通訊協議之中，從而通過網絡數據進行控制。

（2）、系統原理與結構改進

通過對國內外有關車組控制系統科學的設計思路以及先進的安裝與連線方式的學習與借鑒，考慮到壓裂車組控制系統繁復程度和獨立使用的要求，可以將整個控制系統劃分為幾個相互獨立又相互關聯的子系統。主要結構有：井下壓裂施工作業實時監測及調整系統、井下壓裂車組遠距離自動控制部分、井下混合砂礫車遠距離實時控制系統、井下壓裂作業設計數據反饋與調整系統、超高壓自動保護系統、電源電路系統等。

井下壓裂施工作業實時監測及調整系統承擔著對壓裂車組作業工程的實時監測，另外還裝置了專門的施工作業實時監督系統，并在控制中心通過顯示器數字化顯示出各個監控的參數；井下壓裂車組遠距離自動控制部分除了主要實現對壓裂車組作業的自動化控制，另外還將手動操作控制作業的功能保存了下來；井下混合砂礫車遠距離實時控制系統，在其操作面板上可以選擇手動或自動控制功能，可以完成對混砂車整套系統各個子單元的實時控制；井下壓裂作業設計數據反饋與調整系統的主要功能是錄入保存與調用轉換壓裂作業的各個設計參數；超高壓自動保護系統主要承擔著實時監控井下壓裂作業過程當中管匯流體壓力的任務，一旦壓力超過設定值時壓裂車組立即轉換到空擋并進行剎車；電源電路系統為壓裂施工作業提供能量來源，并通過電路實現電能向各部分的傳遞。

在壓裂車組控制系統功能實現過程中，要求系統的參數與作業實時監測到的數據要確保一致性與準確性，各子系統單元在實現自身功能的同時，相互之間也要有著一定的關聯性。為此，通過網絡分配裝置為每個聯機的電腦網卡分配地址，組成一個網絡系統。

（3）、功能執行機構優化

油田壓裂車組控制系統實現其功能的執行機構主要包含有：車組油門調整機構、檔位轉換機構以及其它一些控制參數反饋調整裝置等。

車組油門調整機構要設置有手動與自動兩種可供選擇的控制方式，并且通過計算機將自動調節的控制程序和模式預先設置好，以使油門調節達到對油田壓裂車組系統各個發動機的最優控制效果。

檔位轉換機構也要設置有手動與自動兩套可供選擇的操作模式，主要是通過編碼控制程序和頻率控制開關來實現對井下壓裂車各個檔位之間的轉換。

控制參數反饋與調整裝置應該將對各個執行機構的控制模式預先編制好，通過計算機進行設置，從而實現自動控制。如果需要轉換到手動操作模式，則可以利用控制數據輸出模塊、對面板電位器進行調節來實現對現場執行機構的控制。

[1]劉有平.提高過程壓裂車技術裝備水平的建議[J].石油機械.1997（7）44-46.

[2]喬曉東.油田壓裂車組控制系統的改進[J].科技傳播，2011（7 下）83.

[3]閔建秋.從美國壓裂車看壓裂車的設計，1980（4）37-46.