煤礦井下水力壓裂自動控制系統設計

劉波

（北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399）

0 引言

水力壓裂技術是煤礦井下堅硬頂板弱化、高應力巷道圍巖卸壓、沖擊地壓防治及煤巖層增透的有效方法[1]。在成套壓裂機具和裝備中，壓裂泵將壓裂介質加載至高壓狀態，是水力壓裂的核心裝備，其電氣系統負責整套壓裂泵的運行邏輯及電力驅動。

目前水力壓裂技術主要應用于石油、頁巖氣開采領域，地面壓裂裝備向著大功率、變頻電驅方向發展[1-13]。煤層水力壓裂與地面石油壓裂在裝備規模、施工工藝要求、控制要求等方面存在差異，主要體現在：煤層水力壓裂裝備體積較石油壓裂裝備小，以便于在煤礦巷道施工；煤層水力壓裂工藝包括低壓封孔、高壓壓裂、注水保壓、快速卸壓，需要更加精確地控制注入水流量和壓力；煤層水力壓裂安全風險更高，需要遠距離安全、可靠、便捷的控制效果。

近年來，國內外學者開展了煤礦水力壓裂技術及裝備的研究。文獻[14-16]研制了井下定向長鉆孔水力壓裂技術與成套裝備。文獻[17-18]研制了超高壓水力割縫煤層增透成套裝置。文獻[19]研制了井下高壓水力壓裂泵組。文獻[20-21]提出的井下定向鉆孔水力壓裂技術已初步形成，但仍存在很多技術問題，需要深入研究自動化壓裂設備、實時監測與可視化平臺等。文獻[22]指出需研發具有系統化、安全化、便捷化和自動化特點的水力化技術裝備。

目前煤礦井下水力壓裂系統面臨的技術難題包括：①壓裂泵輸出壓力和流量不能快速、精確調節。目前一般采用液力變速箱換擋方式實現壓裂泵轉速和轉矩調節，分為空擋和1～5 擋，采取步進式換擋方式，當變速箱油溫、油位滿足特定要求時方可換擋，每次換擋需15 s 以上的時間間隔，且各擋位對應固定的轉速和轉矩，無法實現注水量和壓裂壓力的快速、精確、平滑調節。②遠程安全監測和控制效果需提升。壓裂作業存在安全風險，需要操作人員遠離壓裂施工區域和高壓設備，因此需要安全可靠的遠程監控方案。目前一般采用單條通信鏈路傳輸監測數據和發送控制指令，單一通信鏈路中斷或數據丟失時整套系統無法正常工作。另外，當前采用的旁路球閥需人工手動調節或遠程粗略調節，存在高壓泄漏風險和壓力調控不準確問題。③系統自動化水平有待提高。當前現場操作人員需依次手動開啟冷卻泵電動機、水箱增壓泵電動機、壓裂泵主電動機等設備，并實時觀察液力變速箱的油溫、油位等傳感器，還需手動切換氣動換擋閥門，時刻關注壓裂壓力和流量，操作繁瑣且易出錯。

現有煤礦井下水力壓裂裝備控制模式已無法保障壓裂工程的安全性、實時性。對此，本文設計了一種基于變頻電力驅動的煤礦井下水力壓裂自動控制系統。該系統以變頻電動機作為驅動核心，用變頻器實時調節變頻電動機轉速和轉矩，以嵌入式本安型控制器為控制核心，可遠程快速精確調節壓裂壓力和流量，實現整套壓裂工藝的自動化流程，為煤礦井下水力壓裂工程實施提供有力保障。

1 控制系統功能需求

煤礦井下水力壓裂工藝可分為封孔、高壓壓裂、注水保壓、停水卸壓4 個階段[23]。快速有效的封孔技術是壓裂成功的硬件要素。在封孔階段，緩慢注入壓裂介質，使封孔器壓力達到5 MPa 左右，封孔器依靠雙封結構間的拉力及封孔器徑向壓力實現封孔，從而固定深鉆孔管路。在高壓壓裂階段，壓裂介質填滿煤巖層縫隙后，繼續注入壓裂介質，促使封孔器周圍壓力陡增，當注入壓力大于煤巖層縫隙起裂壓力時，煤巖層開裂。在注水保壓階段，持續不斷注入壓裂介質，注入量與煤層出水量保持平衡，以維持煤巖層縫隙壓力。在停水卸壓階段，停止注入壓裂介質，逐步釋放系統壓力。

水力壓裂系統主要由高壓大流量壓裂泵、壓裂泵主電動機、多功能水箱、電動開度球閥、高精度清水過濾站等組成，如圖1 所示。高壓大流量壓裂泵配備安全閥、溢流閥。與普通水箱相比，多功能水箱具備進液/出液流量監測、注水量實時監測、雙側液位監測、根據坡度變化自動切換吸液口、自動補水功能。高精度清水過濾站配備精密濾桶、反沖洗裝置。

圖1 煤礦井下水力壓裂系統架構Fig.1 Architecture of underground hydraulic fracturing system in coal mine

水力壓裂系統工作流程：井下原水通過高精度清水過濾站過濾為清水后注入多功能水箱。水箱利用增壓泵將清水注入高壓大流量壓裂泵的吸液端。壓裂泵在主電動機的驅動下，將低壓清水加載至高壓狀態。高壓清水通過深鉆孔管路注入待壓裂區域。

根據煤礦井下水力壓裂工藝、水力壓裂系統工作流程及系統構成，水力壓裂自動控制系統需研究高壓大流量壓裂泵輸出流量和壓力的快速精確調節，遠程高可靠性安全、高速實時監控，一鍵啟停及圖形化分析等技術。

高壓大流量壓裂泵輸出流量和壓力的快速精確調節通過變頻器對壓裂泵主電動機進行快速變頻及無級調速來實現。變頻器頻率范圍為5～50 Hz，變頻調節精度為0.1 Hz，變頻調速誤差不超過0.5%。在封孔階段，通過維持5～10 Hz 低頻輸出，使深鉆孔內封孔區域注入小流量水，且控制封孔器壓力維持在5 MPa 左右；在高壓壓裂階段，通過調節變頻器輸出頻率，快速、精確調整主電動機轉矩和轉速，實現壓裂泵快速大流量注水、精確識別壓裂壓力、控制保壓壓力，以滿足煤層壓裂要求。

遠程高可靠性安全、高速實時監控技術采用光纖加CAN 總線的雙線冗余通信方案。光纖主要傳輸傳感器采集數據，CAN 總線主要傳輸全部控制指令，二者互為冗余備份，充分利用光纖傳輸帶寬大、速度快及CAN 總線穩定可靠的優點。當其中一條傳輸鏈路中斷時，可立即將全部傳感信息和控制指令切換到另一條鏈路。2 條通信鏈路的傳輸數據互相校驗，以保障數據的完整性和真實性。采用遠控電動開度球閥，可遠程控制球閥開關及開度，開度信息實時反饋至控制系統，實現旁路泄液的精確閉環控制。以光纖加CAN 總線的雙線冗余通信替換現有的單一傳輸鏈路，實現了安全可靠的設備遠程操作；采用遠控電動開度球閥代替人工近距離調節閥門或遠程粗略調節閥門，提高了閥門控制精度，降低了人員安全風險。

一鍵啟停及圖形化分析技術采用多維傳感監控及故障診斷方式對壓裂泵輸出水壓和流量，水箱水位、水溫、進出口流量，增壓泵水壓，壓裂泵油壓、油溫、油位、振動幅度和加速度、齒輪油黏度、含水量、顆粒度等參數進行實時監測，并根據各參數變化趨勢進行故障診斷。將冷卻泵電動機、水箱增壓泵電動機、壓裂泵主電動機、電動開度球閥、泵頭溢流閥、水箱補水閥等被控元件進行控制邏輯關聯，操作人員只需按下啟動/停止按鈕即可完成一次完整的壓裂過程。根據壓裂工藝特點，開發了壓裂壓力曲線自動識別功能，并自動生成壓裂數據報表，為壓裂過程提供數據分析功能。

根據上述分析，設計煤礦井下水力壓裂自動控制系統功能架構，如圖2 所示。

圖2 煤礦井下水力壓裂自動控制系統功能架構Fig.2 Functional architecture of hydraulic fracturing automatic control system in underground coal mine

2 控制系統整體設計

根據水力壓裂系統控制要求，該控制系統總體包括電力驅動模塊、傳感監測模塊、邏輯控制模塊、執行元件模塊，整體設計方案如圖3 所示。

圖3 控制系統整體設計方案Fig.3 The total design schema of the control system

電力驅動模塊包括壓裂泵主電動機、礦用變頻器、多回路組合開關、水箱增壓泵電動機、潤滑油泵電動機。其中壓裂泵主電動機為壓裂泵提供電力驅動；礦用變頻器用于啟停主電動機并實現變頻無級調速功能；多回路組合開關控制所有輔助電動機的啟停；水箱增壓泵電動機將水箱的清水預增壓后注入壓裂泵吸液端；潤滑油泵電動機為齒輪箱提供潤滑動力。

傳感監測模塊包括壓裂泵傳感監測單元、系統輸出監測單元、水箱監測單元、故障診斷單元。其中壓裂泵傳感監測單元包括齒輪油的油溫、油壓、油位傳感器和電動機溫度傳感器；系統輸出監測單元包括系統高壓出口的輸出水壓傳感器、輸入/輸出流量傳感器；水箱監測單元包括水位、水溫傳感器和增壓泵水壓傳感器；故障診斷單元包括齒輪油黏度、含水量、金屬顆粒度、振動幅度、振動加速度傳感器。

邏輯控制模塊包括KXH12 型礦用本安型泵站控制器、監控主機、水箱補水閥、遠控電動開度球閥。泵站控制器用于模擬量采集、設備啟停邏輯控制、電磁閥驅動等，其采用32 位指令集ARM7 處理器，具有最高60 MHz 時鐘頻率、外設存儲器容量1 MiB 的FLASH 芯片和512 KiB 的SRAM 芯片。水箱補水閥用于在水箱水位不足時進行補水。電動開度球閥用于調節回流旁路的開度，閥門開度可遠程控制并實時反饋。

主要邏輯控制元件為3 臺KXH12 型控制器。其中壓裂泵控制器采集曲軸箱齒輪油的油壓、油溫、油位、黏度、含水率、金屬顆粒度，以及電動機溫度、泵體振動幅值及加速度等信息，控制主電動機啟停和變頻調速、潤滑油泵啟停、電磁卸荷閥動作，通過雙總線與其他控制器交互數據，并匯總數據發送至監控主機。水箱控制器采集水溫、雙側水位、系統壓力、增壓泵水壓等信息，控制水箱增壓泵電動機及補水電磁閥、電動開度球閥動作。中央控制器負責接收操作人員的啟停指令，將控制指令下發至其他控制器，將系統各采集參數、動作執行情況上報到監控主機。

監控主機負責實時監控3 臺控制器的心跳信號，監控系統整體工作狀態。當控制器出現故障時，監控主機報警，并提示故障點位置，方便維護人員及時維修。當系統出現緊急情況時，操作人員按下任意一臺控制器的急停按鈕，即可使整套控制系統停止工作，避免發生安全事故。

3 控制系統硬件設計

控制系統硬件結構如圖4 所示。泵站控制器采用DC12 V 隔爆兼本安型穩壓電源供電。傳感采集接口采用4～20 mA 精密電流環接收器將采集信號傳輸至MCU 的10 位A/D 轉換接口。數字量輸出接口采用繼電器輸出方式。數字量輸入接口采用光耦輸入方式。控制器的雙總線通信接口與其他控制器的雙總線接口通過光纖和CAN 收發芯片連接。礦用變頻器主回路采用三電平拓撲結構，逆變觸發信號采用光纖隔離，直流回路采用無感設計，頻率范圍為5～50 Hz。

圖4 控制系統硬件結構設計Fig.4 Hardware structure design of the control system

當操作人員發出啟動壓裂泵指令后，變頻器執行啟動命令，變頻器帶動壓裂泵主電動機啟動，按照設定的頻率運行。監控主機實時顯示系統各參數、運行狀態。

4 控制系統軟件設計

壓裂泵控制器、水箱控制器及中央控制器的程序集成在同一個程序中，可在控制器菜單中選擇本臺控制器的程序功能，實現各控制器硬件互換。

控制系統軟件包括通信傳輸模塊、傳感采集模塊、邏輯控制模塊、人機交互模塊、安全保護模塊，如圖5 所示。通信傳輸模塊支持Modbus-TCP 和CAN2.0 通信協議。傳感采集模塊支持0～5 V 電壓和4～20 mA 電流模擬量采集、數字量輸入信號采集。邏輯控制模塊可實現潤滑油泵電動機、水箱增壓泵電動機、主電動機的一鍵啟停，可控制電磁補水閥、電磁卸載閥通斷等功能。人機交互模塊可通過矩陣鍵盤操作菜單，通過顯示屏觀察菜單中系統參數的修改。系統自帶安全保護功能，在監測到爆管導致管路壓力急劇下降等異常情況時，自動停機并報警。

圖5 控制系統軟件設計方案Fig.5 Software design scheme of the control system

4.1 壓裂泵控制器程序

壓裂泵控制器主要功能是啟停壓裂泵主電動機、監控壓裂泵傳感器和電磁閥，其程序流程如圖6所示。

圖6 壓裂泵控制器程序流程Fig.6 Program flow of fracturing pump controller

壓裂泵控制器先啟動潤滑油泵電動機，當油壓監測值達到規定值時，通知水箱控制器打開增壓泵電動機，使增壓泵水壓達到規定值。在油壓和水壓均正常的情況下，才能啟動變頻器和主電動機。啟動壓裂泵后，壓裂泵控制器持續監測各傳感器參數，發生異常時隨時停機保護并向操作人員報警。在運行過程中，隨時接收頻率指令，按照給定的頻率調節變頻器輸出頻率，實現壓裂泵輸出流量的實時調節。將所有控制邏輯集成在一起，實現壓裂設備一鍵啟停功能。

4.2 水箱控制器程序

水箱控制器主要功能是監控水箱水位、開關水箱補水閥、啟停增壓泵電動機、調節電控閥門開度、監控系統水壓，其程序流程如圖7 所示。

圖7 水箱控制器程序流程Fig.7 Program flow of water tank controller

水箱控制器接收到啟動增壓泵指令后，先判斷當前水位是否處于合理區間，若水位充足則開啟增壓泵電動機，增壓泵水壓正常的情況下，通知壓裂泵控制器。水箱控制器接收到電動開度球閥的控制指令后，將閥門調整至預設的開度。控制器可實時監測系統壓力并將其實時發送至壓裂泵控制器和中央控制器。如果系統壓力超限，則壓裂泵控制器將電磁卸荷閥切換至卸載狀態。

4.3 中央控制器程序

中央控制器主要負責人機交互、接收操作人員指令、控制整套系統運行，其程序流程如圖8 所示。

圖8 中央控制器程序流程Fig.8 Program flow of central controller

中央控制器接收來自其他控制器的傳感器參數，并將其發送至主機集中顯示。中央控制器主要收發4 類指令：參數設置指令、電動開度球閥調節指令、變頻操作指令、主機啟停指令。中央控制器內置壓裂工藝流程控制算法，自動完成封孔、壓裂、保壓、卸壓4 個工藝流程。根據壓裂壓力曲線，實時動態調節變頻器輸出頻率、電動開度球閥開度，保證輸出流量和壓力的準確調控。

5 工業性試驗

先后在陜西省榆林市大梁灣煤礦有限公司和陜西彬長礦業集團有限公司孟村煤礦、胡家河煤礦對煤礦井下水力壓裂自動控制系統進行工業性試驗。

5.1 壓裂壓力曲線分析

壓裂過程中存在起裂壓力峰值，系統壓力達到起裂壓力峰值后會陡降。壓裂過程中的壓力曲線如圖9 所示。壓力尖峰共計14 次，對應實際進行的14 次壓裂過程。

圖9 壓裂壓力曲線Fig.9 Fracturing pressure curve

從圖9 可看出：在封孔階段，通過維持變頻器低頻輸出，能夠精確控制封孔器壓力，實現良好的封孔效果；在壓裂階段，通過快速提升變頻器頻率，系統壓力陡增，壓力曲線出現明顯尖峰，實現快速壓裂；在注水保壓階段，當監測到系統壓力尖峰突然下降時，及時精確調整變頻器輸出頻率，使系統壓力保持短暫平穩；在卸壓階段，快速降低變頻器頻率，壓力陡降，實現快速卸壓。根據后臺數據可知，系統壓力控制精度為0.1 MPa。

5.2 壓裂流量曲線分析

注入流量曲線反映每次壓裂過程注入介質的流量。壓裂過程中流量曲線如圖10 所示。流量突變共計14 次。

圖10 壓裂流量曲線Fig.10 Fracturing flow curve

從圖10 可看出：在封孔階段，變頻器維持低頻輸出，能夠精確控制較小的注水量，使封孔器膨脹，為后續壓裂做好準備；在壓裂階段，變頻器快速提升輸出頻率，壓裂泵快速提供大量注水，流量曲線陡升；壓裂過程中出現流量細微變化，原因是系統識別到煤層開裂時，變頻器及時、精確地控制輸出轉速，從而控制注水流量，實現保壓；在卸壓階段，控制變頻器轉速快速降低，流量曲線快速下降。根據后臺數據可知，系統流量控制精度為0.1 m3/h。

5.3 累計注水量曲線分析

累計注水量曲線呈階梯遞增狀態，每完成一次壓裂，注水量就遞增一次。累計注水量曲線如圖11所示。14 個臺階對應實際壓裂14 次。

圖11 累計注水量曲線Fig.11 Water injection accumulation curve

從圖11 可看出，單次注水量呈斜率較大的直線上升狀態，說明變頻器能夠快速增大頻率，從而快速增加注水量。根據后臺數據可知，單次注水量最小為1.2 m3，最大為7.4 m3，實現了注水量精確控制。

6 結論

1）設計開發了適用于煤礦井下水力壓裂設備的自動控制系統，完成了該系統的整體方案及軟硬件系統設計。重點攻克了高壓大流量壓裂泵輸出流量和壓力的快速精密調節，遠程高可靠性安全、高速實時監控，一鍵啟停及圖形化分析等關鍵技術。

2）該控制系統基于變頻電驅方案，通過變頻無級調速和電動開度球閥控制聯動，可快速精準控制輸出壓力和流量，實現了遠程一鍵啟停、自動化分析等功能，操作方便、安全性高。

3）井下工業性試驗結果表明，該控制系統壓力控制精度為0.1 MPa，流量控制精度為0.1 m3/h，連續完成14 次壓裂過程中，每次煤巖層開裂后均能實現較好的保壓效果，滿足煤礦井下水力壓裂工藝要求。