压裂车组远程监控系统设计分析

高洪山，叶定兵，张洪光，马程，苑承波

（渤海石油装备制造有限公司中成装备制造分公司，天津 300280）

水力压裂技术属于油气井开发过程当中，向井体内部进行注水操作，属于油井开发过程当中非常重要的施工方式。压裂车和混砂车是进行油井压裂操作过程当中重点的工作设备，压裂车主要是由底盘、台上发动机、液力变矩器、传动系统、压裂泵、液压系统、气路系统以及控制系统等构成，在实际的工作过程当中，主要是向井体内部注入大量的压裂液，通过这种操作方式可以有效的提高井体内部的最大压力将地层完全压开，同时将支撑剂输送到裂缝内部。发动机输出动力驱动油泵，马达驱动的形式将泥沙有效的输送到裂缝当中，通过搅拌、吸入和高压注入等操作流程，实现了对井体内部裂缝的填充和扩张。但是在实际的操作过程当中，由于在野外工作环境以及气候问题的影响，施工过程当中受到自然环境的大气压力，在压力值超过100MPa 的现场操作当中，压裂车与混砂车的工作难度较高，存在安全隐患，需要对压裂车组远程监控系统进行了改造，在远程监控系统当中重点包含了PLC 主站系统，压裂车与混砂车系统构成等。

1 压裂施工流程简介

压裂车组在施工过程当中，主要的工作包含了压力剂的挤入压裂操作，加砂操作以及替换操作等步骤。在进行试剂的通路操作当中，通常情况下使用的是1 ～2 台的压裂车组，通过小排量的计入方式，有效的判断地下管道是否完全通畅，同时对地层的压裂液吸收能力进行判断。压裂操作过程主要是在压裂液通入的过程中，充分证明地表层具有较高的吸收能力，然后不断的提升排量大小，让压裂液在井底内部具有强大的压力，将地层进行压力施加形成地层裂缝。加砂操作主要是在地层已经形成了断裂缝之后，通过压裂液也有一定含量的支撑剂，沿着裂缝慢慢的向地层裂缝当中进行输送，完成该项操作之后需要通过泵体将不带支撑剂的压裂液输送其中，将井体内部的支撑完全替换进入到地层的裂缝当中。

2 系统结构设计

2.1 Profibus- DP 通讯网

通过对Profibus- DP 现场总线的使用和设计，使用了双向电缆线路来作为数据传输环境，实际的数据传输速度在9.6kbps ～12Mbps 范围内。电缆的总长度直接关系到了数据传输的速度，在最大站点的数量设置上可以达到127 个以上，通过单体构成的控制站与主站系统进行衔接，实现了以阻断

系统为控制点的轮回控制模式，从近站控制进行周期性的数据输送，实现了该系统当中所使用的单体控制系统，以仪器PLC 监控系统作为主要的控制点，以压裂车和混砂车PLC 控制系统作为辅助，通过对现场总线的设置以及主站数据的快速传输，实现了一种操控上的稳定性以及高效化，同时还可以有效提高数据的最大传输距离与效率。

2.2 系统结构

在压裂车组的结构构成上，主要包含了1 台仪器控制车、3 台压裂车以及1 台混砂车，通过对远程监控系统的有效运用，通过仪器车上的PLC 作为监控主站系统，通过压裂车和混砂车的4 个PLC 监控作为辅助控制，以Profibus- DP 作为现场总线路的控制构成，实现了人工智能化控制以及远程操控的工作模式，PLC 使用的是西门子S7-300 系列CPU315-2DP 处理器，在工作过程当中，可以直接接入到计算机网络系统当中，通过PLC 为主站控制台来进行模块化操作。

3 系统硬件设计

3.1 系统电源

在实际的施工现场当中，由于施工环境比较复杂，同时电网内部的电力波动比较明显，经常会产生一些外界谐波的影响，同时在进行远距离的电源输送上难度较高，同时也存在一定的安全隐患，所以说在仪器车的配置方面设定了发电机以及不间断电源供应。压裂车组上通过24V 电瓶作为供电电源，为PLC 控制站提供充足的电源，每一个PLC 都具有电源控制模块，实现了对电源系统的有效控制以及电源供应。

3.2 PLC 主站

在PLC 主站系统当中，通过模块分割控制方式，实现了每一个辅助控制站台的功能实现的独立，在操作平台上将控制台分成4 组，控制模式、控制旋钮、控制开关指示灯等作为主要的控制点，所产生的波段在压裂车当中实现了6 个档位的掌控，与压裂车组内部的连续性控制按钮分别对压裂车的油门大小以及发动机的转速进行监控。压裂车的按键开关直接控制压裂车熄火和启动操作指示灯方面以PLC 控制站来进行远程操控，同时还实现了超压防护等相关功能。通过系统模块内部对动力供应数据的收集，保证发动机转动过程中的参数和压力值的测量。在工作过程当中如果控制模块的状态指示灯正常工作，则在输出高频率变频的过程当中系统指示灯亮起，对整个系统的状态实施了准确的预防和监控。

3.3 PLC 从站

压裂车组在控制计数器的有效控制下，对连接在内部的转速传感器进行了操控，通过模块的有效连接，对压裂车组工作过程当中的环境温度以及局部的压力进行了数据的采集，通过对压裂车组的工作状态的有效监控，有效提高了压裂车组操控人员的工作效率，同时保证了工作人员的人身安全。通过模块输出的控制方式，对连接在压裂车组的油门控制器以及发动机监测器进行了实时性的监控，有效保证了设备工作过程当中的安全性与稳定性。模块检测工作在实际的操作过程当中，是否实现了良好的远程操控功能，主要基于高电平条件下的远程控制效果，对于模块输出控制当中压裂车组的整体工作状态，包含了换挡操作、熄火停车以及启动等各个方面的工作环节。

4 系统软件设计

在软件系统的编制工作当中，通过混合程序编制以及系统化模块设计的方式，将一些比较复杂的操作流程有效的分解成多个独立的工作区域，通过这种划分方式可以方便压裂车组在后续的调试以及保养过程当中的工作开展，通过软件接入实现了人机交互式的数据采集，将控制模块和系统程序进行有效的对接，将内部的功能模块、系统模块和数据控制模块之间进行联合使用，有效达到了人机交互式的数据采集和数据运用，真正实现了压裂车组的远程操控功能。在进行压裂车组的工作当中，压力的大小和压裂液的含沙比例存在一定的差异，所以需要从压裂车的油门和换挡操作当中，有效改变对地层内部的压力大小，有效调节发动机转速以及改变压裂液内部的含砂比例，通过这种操作对实现压裂车组施工当中的压力控制至关重要。压裂车组在工作过程当中，如果遇到一些特殊型地质条件，比如地质较硬的岩石层，则不能对其施加较高的压力，否则会直接对地层中岩石产生严重的损坏，使得压裂施工无法正常进行。在此过程当中，需要针对压裂车的油门控制以及换挡调节的控制程度进行设定。保障压裂车组在针对一些特殊性地质条件压力大小的准确控制，保护层条件的安全性和可靠性，如果压裂车组在正常工作过程中产生异常响动的问题，需要及时对压裂车组进行停火检查，通过程序检测的方式来进行故障分析，在故障检测过程当中需要对环境因素加以充分的考虑，同时对车组内部的系统安全进行全面的检测。

5 结语

通过本文对压裂车组的远程监控系统的分析和研究，从中可以看出通过对Profibus 现场总线的有效设置，形成一个整体工作流程的监控网络，有效实现了压力车主的远程化操控。现场施工人员可以依照车体内部的具体操作流程通，针对压裂车工作过程当中的一些噪声较大或者是温差较大的区域进行远离，通过这种监控方式保证了工作人员的人身安全。