玉門油田壓裂泵車和混砂車控制系統升級改造

畢恩梓，曹衛東，陳全柱

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅蘭州 730000）

1 設備概況

壓裂車組是玉門油田作業公司購進的主要設備之一，主要包括壓裂泵車、混砂車和儀表車，廣泛用于油、氣、水井的壓裂、酸化作業。壓裂車組功能是向井內注入大排量的高壓液體，使地層形成高導流裂縫，溝通油氣儲集區，擴大供油面積，改變井筒周圍滲流特征，降低滲流阻力，達到提高產量的目的。

2 存在的問題及改造目標

2.1 YLC105-1490 型壓裂泵車控制系統存在的問題

目前YLC105-1490 型壓裂泵車的SJ 500 控制系統不穩定，SLC500 型CPU 存在丟程序缺陷，易引起壓裂車組控制系統癱瘓，對現場壓裂施工帶來很大安全隱患。該型號CPU 國外廠家已停止生產，無法保證供貨，給系統維修帶來極大不便。現有SJ 500 控制系統無法實現全過程自動化作業，不具備遠程控制功能。因此對YLC105-1490 型壓裂車的控制系統進行升級十分必要。

2.2 SJX5301THS 型混砂車AB 500 控制系統存在的問題

（1）液位控制不夠精確，當施工排量發生變化時容易出現抽空或漫罐。

（2）砂比響應速度無法滿足復雜施工響應速度的需要。

（3）控制系統覆蓋不全面，無法完全滿足壓裂作業的工藝要求。

3 改造內容

3.1 YLC105-1490 型壓裂泵車改造

更換YLC105-1490 型壓裂泵車控制箱內的電源模塊、CPU模塊、模擬輸入模塊、模擬輸出模塊、繼電器輸出模塊、直流輸入模塊和網關。根據電路圖重新接線，用扎帶扎緊固定（圖1）；更換控制箱顯示屏，升級操作軟件（圖2）；設置CPU、網關的IP 地址（圖3）；將控制箱側面的六芯網線接頭，全部更換為五芯網線接頭（圖4），配備一套五芯線輥（圖5）。

圖1 YLC105-1490 型壓裂泵車控制箱

3.2 SJX5301THS 型混砂車改造

3.2.1 SJX5301THS 型混砂車控制箱改造

更換SJX5301THS 型混砂車控制箱內的所有PLC 模塊，控制箱內原有12 個輸入/輸出信號模塊，由于空間有限，只安裝7 個輸入/輸出信號模塊（圖6）；另增加15 個信號變送器（圖7），將信號轉換成PLC 模塊可以接收的信號，根據電路圖重新接線，用扎帶扎緊固定；更換顯示屏，升級操控軟件；加裝1個24 V 轉10 V 的直流變換器（圖8），使控制系統能夠區分當前處于自動/手動狀態，并在顯示屏顯示（圖9）；調整混砂車控制系統參數，使其符合施工要求。

3.2.2 SJX5301THS 型混砂車傳感器改造

將SJX5301THS 型混砂車原有的超聲波液位計更換為雷達液位計（圖10），加裝緊急開閥控制器，若液位計出現故障，可以關閉報警裝置，手動開閥。

3.3 SEV5112TYB 型儀表車改造

為使儀表車的控制系統能夠和改造后的混砂車、壓裂泵車的控制系統匹配，需要對儀表車的控制系統進行升級改造。升級儀表車控制箱內的CPU 模塊軟件，重設IP地址（圖11）；升級車內電腦上的泵車操作軟件、壓裂數據采集軟件，調試軟件參數，使其符合施工要求（圖12 和圖13）；由于混砂車、壓裂泵車的控制系統變化，更換顯示屏順序，方便員工操作（圖14）；給儀表車配備一套五芯信號線輥（圖15）。

圖2 更新顯示屏軟件

圖3 設置網關、CPU 的IP 地址

圖4 五芯接線頭

圖5 新的五芯信號線輥

圖6 混砂車PLC 模塊

圖7 加裝的15 個信號變送器

4 改造效果

4.1 YLC105-1490 型壓裂泵車改造效果

（1）本次改造采用美國AB 公司的1756 系列PLC 模塊性能穩定，不存在程序丟失問題。PLC 模塊均處于生產狀態，不存在供貨難的問題。

（2）將Logix 1100 模塊更換為CAN 總線網關模塊，采用SAE J1939 協議進行通信，該協議的通信速率可達250 kbps，具有抗干擾能力強、性能穩定、成本低等優點。

（3）經現場調試，YLC105-1490 型壓裂泵車控制系統可以與改造后的混砂車、儀表車控制系統兼容，進行編組配套使用。

4.2 SJX5301THS 型混砂車改造效果

（1）混砂車安裝的新顯示屏與舊顯示屏相比，新增砂比顯示參數，新顯示屏反應更迅速，啟動時間只需1 min，而舊顯示屏啟動時間需要3 min。

（2）原先的控制箱內PLC 有12 個輸入/輸出信號的模塊，現在只安裝7 個輸入/輸出信號的模塊。同時加裝15 個信號變送器來接收信號，經現場操作，控制系統使用正常。

（3）改造后的混砂車控制系統能夠區分當前處于自動/手動狀態，并在顯示屏顯示。

圖8 加裝的24 V 轉10 V 直流變換器（小）

圖9 新顯示屏

圖10 加裝的雷達液位計

（4）升級改造后的混砂車自動控制系統，采用自適應模糊控制算法，能夠實時精確控制各項施工參數和施工作業階段，并及時應對和處理作業過程中發生的各種調整和變化。

（5）新安裝的雷達液位計相較于原有的超聲波液位計，其工作性能不會受到水蒸汽、粉塵影響，且測量范圍更廣、更能適應復雜工況、精度更高。給雷達液位計加裝手動開閥裝置，若液位計出現故障，可以關閉報警裝置，緊急開閥。經現場試用，雷達液位計工作正常。

（6）經現場操作驗證，改造后的混砂車，成功與改造后的壓裂泵車和儀表車進行編組配套使用。

4.3 SEV5112TYB 型儀表車改造效果

（1）升級后的CPU 軟件和顯示屏操作軟件，響應速度更快、性能更穩定。

（2）經現場使用，壓裂、酸化的數據采集軟件和壓裂泵車操控軟件使用正常，能夠滿足壓裂隊施工要求。

圖11 遠程升級CPU 軟件

圖12 更新顯示屏軟件

圖13 調試采集軟件參數

圖14 儀表車內操作屏

（3）經現場操作驗證，改造后的儀表車，可以與改造后的壓裂泵車、混砂車進行編組配套使用。

5 結語

（1）此次控制系統升級改造，有效提高了壓裂車組控制系統的自動化、智能化程度，控制系統性能更穩定、響應速度更快、精確度更高。為壓裂施工提供了更加安全可靠的設備保障，能夠更好地滿足壓裂施工的需求。

（2）解決了往年壓裂設備控制系統存在的問題，有效降低設備故障率，保證壓裂施工的高質量、安全性。

圖15 新換的五芯信號線輥