壓裂裝備智能化作業管理系統設計應用*

姚 孔,蘇文昌,魏 杰,路海龍

(1.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730714；2.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730714；3.機械工業油氣鉆井裝備工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730314；4.甘肅省油氣鉆采裝備工程研究中心，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

近年來，隨著頁巖油氣鉆探水平和壓裂技術的不斷成熟，非常規油氣開始成為重要的增儲領域，非常規油氣資源勘探開采相關技術儲備與創新將是未來該領域大規模商業開發的關鍵。我國新發現的油氣儲量中，深層、超深層及頁巖氣等非常規油氣資源約占2/3，而常規壓裂裝備已經不能滿足我國極為復雜的地質和地表條件下資源安全高效開發的需求。利用大型壓裂裝備對油氣儲層進行改造是解決“孔滲低，埋深大，壓力高”油氣開發的決定性手段。

壓裂裝備作為非常規油氣開發的關鍵設備，其自動化和智能化程度決定裝備的作業效率和安全性，尤其在壓裂裝備高端化、智能化、綠色化技術創新方面[1]。隨著中國油、氣井深度的不斷增加及壓裂工藝的日益強化和復合化，壓裂裝備不斷向高壓力、大排量、大功率、自動化以及與配套設備的良好聯動性的方向發展。伴隨 5G 通信技術的不斷發展，高速信息網絡逐漸實現城鄉全覆蓋，野外或偏遠地區作業設備的遠程數據監測、運維和診斷等技術不再受限于信息網絡。壓裂施工作業通常由數十臺壓裂車、幾臺混砂車協同作業，整體系統復雜度高、關鍵信息數據量大，傳統方式的數據監測已無法滿足業務要求，遠程運維和數據遠程采集以及壓裂施工數據形成數據云，從而指導壓裂施工作業將是未來重要的發展方向。

基于現有壓裂裝備智能化發展需求，針對其現場作業中存在無法遠程實時查看現場設備運行情況、維保和故障維修針對性不強、組網方式單一、信息化管理水平低等現狀，文中重點介紹了壓裂裝備作業管理系統的技術方案及網絡架構，通過將5G無線通訊技術、混合現實(MR)、遠程運維等技術應用于壓裂車組的技術方案實施，達到提升設備整體智能化水平的目標。

1 技術方案

開發基于本地化部署的壓裂過程數據采集軟件和基于云部署/本地部署的壓裂裝備遠程運維平臺。其中壓裂裝備遠程運維平臺采用IoT物聯網架構，系統分為儀表通訊層、網絡傳輸層和平臺應用層。儀表通訊層主要是通過傳感器將現場作業過程中的參數上傳到網關或PLC，采集的數據通過本地 SCADA 系統存儲在數據庫服務器，為網絡傳輸提供標準化數據。網絡傳輸層主要是利用5G無線通信技術的高速率、高可靠性、低時延，以及5G網絡靈活、可擴展的網絡架構特性，根據壓裂作業現場的實際網絡情況和用戶的需求，既可以選擇運營商的5G網絡通訊，也可以選擇相應的5G設備進行自組網。平臺應用層主要是在云平臺的基礎上搭建遠程運維平臺，提供關鍵設備的狀態監測、三維數據可視化、設備管理和 AR 遠程運維服務。平臺支持指揮中心運營級看板、手機 APP 等不同方式隨時隨地查看設備運行情況。網絡系統架構圖如圖1所示。

圖1 網絡系統架構

2 關鍵技術

2.1 數據采集與分析技術

壓裂工藝過程數據采集軟件采用B/S模式，實現儀表車數據庫采集功能，支持項目、曲線、施工階段的自定義定制，支持實時數據可視化，支持項目報表自動生成功能，并擁有獨立的用戶、權限管理功能。在前端顯示頁面及 UI 設計中，使用了最新的前端框架，可以兼容PC、手機、平板等不同終端設備，實現跨屏一致性訪問。壓裂工藝過程數據采集及分析軟件實現了不同壓裂車組施工油壓、套壓、砂比、排出流量、階段排量、排出總量、砂流量、砂量階段累計和輸砂總量實時參數的采集，應用壓裂曲線、實時數據和視頻監控多種手段監測壓裂過程，形成壓裂單次作業報告。采集軟件中的砂比和砂濃度由砂量和排量來計算，通過對砂量和排量的修改來完成砂比和砂濃度的增減。

2.2 5G無線通訊技術

5G 高帶寬、低延時的網絡特性，是壓裂裝備(包括壓裂車、混砂車、儀表車)之間實時通信的理想網絡，5G網絡可以達到低至 1 ms 的端到端通信時延，并且支持 99.999%的連接可靠性，強大的網絡能力能夠極大滿足壓裂裝備之間相互通信對時延和可靠性的挑戰。

根據壓裂現場對無線網絡上的實際需要，采用SA和NSA組合的方式開展網絡規劃。可以在網關與云平臺之間有效利用運營商的網絡，在作業現場車組之間通過無線設備搭建SA網絡。選擇帶有5G通信模塊的工業物聯網網關，將現場數據經協議轉換之后上送至云平臺。這種組網方式投入小，部署快，傳輸速率高，兼容性高，完全能夠滿足壓裂作業現場的需求。

2.3 數據可視化技術

通過3D MAX 建立壓裂車組場景及模型，搭建混合現實場景，通過模型渲染，完成相應的交互制作，實現數據的三維可視化。3D數據可視化是在建立壓裂車數字模型的基礎上，將壓裂車的實時數據添加到模型的物理特性和行為邏輯后，真實、生動的展現在數字模型對應的位置，對壓裂車進行遠程實時監控，反映壓裂車的運行狀況。結合 混合現實(MR)技術，能夠將數字大屏搭建在任意墻面，數字沙盤搭建在任意桌面，不占用實際空間，體驗者輕松查看壓裂車運行狀況。

2.4 AR遠程運維技術

AR遠程運維系統主要由AR眼鏡客戶端、專家客戶端、服務器組成，主要模塊有音視頻實時通訊，遠程標注，文字、圖片傳輸等。其中，平板電腦或PC部署專家指導客戶端，主要實現音視頻實時傳輸，遠程標注，文字、圖片發送等功能。AR 眼鏡客戶端，主要實現音視頻實時傳輸，遠程標注接收及空間三維展示，文字、圖片接收顯示等功能。服務器主要實現數據管理轉發等功能。實現系統中網絡配置功能、登錄功能、用戶列表功能、語音通訊功能、第三方專家加入功能、HoloLens 眼鏡端頁面跟隨視角功能、三維空間標注功能、現場視頻錄制功能等。AR 遠程運維不受時間和空間的限制，當現場運維人員有需求時，通過 AR 眼鏡呼叫，專家可以在任何有網絡的地方，通過 web 瀏覽器打開運維平臺，與現場的運維人員進行實時音視頻通話。

3 設計驗證

(1)控制系統通訊驗證。PROFINET和PROFIBUS配置，在TIA中對ANYBUS網關GSD文件配置時，配置I/O數目及I/O數據長度和網關中的J1939數據配置一一對應。MODBUS-TCP通訊配置，西門子1500PLC的MODBUS-TCP 通信通過MB_SERVER塊實現。J1939通訊配置，發動機及變速箱網關地址設置為39，通信波特率和總線設置一致為250 K。根據發動機及變速箱通信協議配置相關參數的 PGN、SPN、源地址、目標地址、優先級、發送頻率等數據。

(2)網絡部署驗證。無線網絡配置，本次試驗網絡設備選擇AnyBus AWB2031無線堡，既可作為無線 AP，又可作為無線 Client 使用。選擇兩臺無線堡作為 Client 客戶端，分別安裝于兩臺壓裂車電控箱頂端；選擇一臺無線堡作為無線 AP 端，安裝于儀表車頂部。完成AP端網絡配置、無線Client端網絡配置，完成網絡測試。在壓裂現場，根據上述方案部署相關網絡設備，通過測試，網絡延時和衰減都在可控范圍內，能夠滿足工業現場的使用。

(3)數據遠程通信驗證。通過采用自主研發的具有5G功能的 LS_NOTE2001 網關、網關IP地址配置，將網關轉至在線，實時監測壓裂車數據，反饋數據與實際數據一致，滿足設計要求。

(4)通過壓裂現場應用試驗驗證，底層數據通訊達到了標準化的要求，數據采集分析軟件各項功能有效實現，5G 無線網絡性能達到了設計需求，數據采集與現場數據一致，運維管理平臺各功能基本完善，能夠滿足客戶需求，各項試驗效果良好。

4 設計特點

(1)適用性：網絡規劃及運維平臺設計適用于壓裂作業現場使用。壓裂作業現場常常處于野外，工況環境惡劣，對設備穩定性、防護等級要求較高，所選設備應具有良好的防塵、防水、防震性能。

(2)先進性：遠程運維平臺采用物聯網架構，通過蘭石云部署，借助阿里云的云計算平臺實現數據分析與數據保密。采集層網關選擇蘭石自主研發的物聯網關，可支持多種通訊協議，通過不同通道可采集各種設備的物聯信息，實現數據的互聯互通。

(3)安全可靠性：蘭石云以阿里云為基礎，具有 HTTPS 通訊加密、權限管理等服務，擁有 IOT 安全套件，可有效保障數據傳輸安全。通過軟件和硬件相結合的方式，保障信息安全。

(4)可擴展性：遠程運維平臺可以按照需求靈活配置各種模塊，不同的權限對應不同的模塊，做到既滿足需求，又留有冗余。無線網絡采用可擴展性好的 AP+CPE，使網絡具有較好的伸縮性、可以根據網絡建設需求靈活配置和擴展。

5 結 語

在充分了解用戶對壓裂裝備智能化方面的需求，明確智能化技術開發方向和目標的前提下，在壓裂裝備智能化管理系統中引入5G+MR 技術、AR遠程運維技術和數據可視化技術，提高了設備的安全使用效率，增加了人機交互體驗，是當前和今后一段時間內實現壓裂裝備技術革新和突破的關鍵路徑，對于提升壓裂裝備的高端化、智能化、綠色化具有重要的意義。該技術的應用將為用戶帶來全新的智能化技術使用體驗的同時，對壓裂設備市場推廣起到積極作用。