压裂装备智能化作业管理系统设计应用*

姚 孔,苏文昌,魏 杰,路海龙

(1.兰州兰石石油装备工程股份有限公司，甘肃 兰州 730714；2.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，甘肃 兰州 730714；3.机械工业油气钻井装备工程技术研究中心，甘肃 兰州 730314；4.甘肃省油气钻采装备工程研究中心，甘肃 兰州 730314)

0 引 言

近年来，随着页岩油气钻探水平和压裂技术的不断成熟，非常规油气开始成为重要的增储领域，非常规油气资源勘探开采相关技术储备与创新将是未来该领域大规模商业开发的关键。我国新发现的油气储量中，深层、超深层及页岩气等非常规油气资源约占2/3，而常规压裂装备已经不能满足我国极为复杂的地质和地表条件下资源安全高效开发的需求。利用大型压裂装备对油气储层进行改造是解决“孔渗低，埋深大，压力高”油气开发的决定性手段。

压裂装备作为非常规油气开发的关键设备，其自动化和智能化程度决定装备的作业效率和安全性，尤其在压裂装备高端化、智能化、绿色化技术创新方面[1]。随着中国油、气井深度的不断增加及压裂工艺的日益强化和复合化，压裂装备不断向高压力、大排量、大功率、自动化以及与配套设备的良好联动性的方向发展。伴随 5G 通信技术的不断发展，高速信息网络逐渐实现城乡全覆盖，野外或偏远地区作业设备的远程数据监测、运维和诊断等技术不再受限于信息网络。压裂施工作业通常由数十台压裂车、几台混砂车协同作业，整体系统复杂度高、关键信息数据量大，传统方式的数据监测已无法满足业务要求，远程运维和数据远程采集以及压裂施工数据形成数据云，从而指导压裂施工作业将是未来重要的发展方向。

基于现有压裂装备智能化发展需求，针对其现场作业中存在无法远程实时查看现场设备运行情况、维保和故障维修针对性不强、组网方式单一、信息化管理水平低等现状，文中重点介绍了压裂装备作业管理系统的技术方案及网络架构，通过将5G无线通讯技术、混合现实(MR)、远程运维等技术应用于压裂车组的技术方案实施，达到提升设备整体智能化水平的目标。

1 技术方案

开发基于本地化部署的压裂过程数据采集软件和基于云部署/本地部署的压裂装备远程运维平台。其中压裂装备远程运维平台采用IoT物联网架构，系统分为仪表通讯层、网络传输层和平台应用层。仪表通讯层主要是通过传感器将现场作业过程中的参数上传到网关或PLC，采集的数据通过本地 SCADA 系统存储在数据库服务器，为网络传输提供标准化数据。网络传输层主要是利用5G无线通信技术的高速率、高可靠性、低时延，以及5G网络灵活、可扩展的网络架构特性，根据压裂作业现场的实际网络情况和用户的需求，既可以选择运营商的5G网络通讯，也可以选择相应的5G设备进行自组网。平台应用层主要是在云平台的基础上搭建远程运维平台，提供关键设备的状态监测、三维数据可视化、设备管理和 AR 远程运维服务。平台支持指挥中心运营级看板、手机 APP 等不同方式随时随地查看设备运行情况。网络系统架构图如图1所示。

图1 网络系统架构

2 关键技术

2.1 数据采集与分析技术

压裂工艺过程数据采集软件采用B/S模式，实现仪表车数据库采集功能，支持项目、曲线、施工阶段的自定义定制，支持实时数据可视化，支持项目报表自动生成功能，并拥有独立的用户、权限管理功能。在前端显示页面及 UI 设计中，使用了最新的前端框架，可以兼容PC、手机、平板等不同终端设备，实现跨屏一致性访问。压裂工艺过程数据采集及分析软件实现了不同压裂车组施工油压、套压、砂比、排出流量、阶段排量、排出总量、砂流量、砂量阶段累计和输砂总量实时参数的采集，应用压裂曲线、实时数据和视频监控多种手段监测压裂过程，形成压裂单次作业报告。采集软件中的砂比和砂浓度由砂量和排量来计算，通过对砂量和排量的修改来完成砂比和砂浓度的增减。

2.2 5G无线通讯技术

5G 高带宽、低延时的网络特性，是压裂装备(包括压裂车、混砂车、仪表车)之间实时通信的理想网络，5G网络可以达到低至 1 ms 的端到端通信时延，并且支持 99.999%的连接可靠性，强大的网络能力能够极大满足压裂装备之间相互通信对时延和可靠性的挑战。

根据压裂现场对无线网络上的实际需要，采用SA和NSA组合的方式开展网络规划。可以在网关与云平台之间有效利用运营商的网络，在作业现场车组之间通过无线设备搭建SA网络。选择带有5G通信模块的工业物联网网关，将现场数据经协议转换之后上送至云平台。这种组网方式投入小，部署快，传输速率高，兼容性高，完全能够满足压裂作业现场的需求。

2.3 数据可视化技术

通过3D MAX 建立压裂车组场景及模型，搭建混合现实场景，通过模型渲染，完成相应的交互制作，实现数据的三维可视化。3D数据可视化是在建立压裂车数字模型的基础上，将压裂车的实时数据添加到模型的物理特性和行为逻辑后，真实、生动的展现在数字模型对应的位置，对压裂车进行远程实时监控，反映压裂车的运行状况。结合 混合现实(MR)技术，能够将数字大屏搭建在任意墙面，数字沙盘搭建在任意桌面，不占用实际空间，体验者轻松查看压裂车运行状况。

2.4 AR远程运维技术

AR远程运维系统主要由AR眼镜客户端、专家客户端、服务器组成，主要模块有音视频实时通讯，远程标注，文字、图片传输等。其中，平板电脑或PC部署专家指导客户端，主要实现音视频实时传输，远程标注，文字、图片发送等功能。AR 眼镜客户端，主要实现音视频实时传输，远程标注接收及空间三维展示，文字、图片接收显示等功能。服务器主要实现数据管理转发等功能。实现系统中网络配置功能、登录功能、用户列表功能、语音通讯功能、第三方专家加入功能、HoloLens 眼镜端页面跟随视角功能、三维空间标注功能、现场视频录制功能等。AR 远程运维不受时间和空间的限制，当现场运维人员有需求时，通过 AR 眼镜呼叫，专家可以在任何有网络的地方，通过 web 浏览器打开运维平台，与现场的运维人员进行实时音视频通话。

3 设计验证

(1)控制系统通讯验证。PROFINET和PROFIBUS配置，在TIA中对ANYBUS网关GSD文件配置时，配置I/O数目及I/O数据长度和网关中的J1939数据配置一一对应。MODBUS-TCP通讯配置，西门子1500PLC的MODBUS-TCP 通信通过MB_SERVER块实现。J1939通讯配置，发动机及变速箱网关地址设置为39，通信波特率和总线设置一致为250 K。根据发动机及变速箱通信协议配置相关参数的 PGN、SPN、源地址、目标地址、优先级、发送频率等数据。

(2)网络部署验证。无线网络配置，本次试验网络设备选择AnyBus AWB2031无线堡，既可作为无线 AP，又可作为无线 Client 使用。选择两台无线堡作为 Client 客户端，分别安装于两台压裂车电控箱顶端；选择一台无线堡作为无线 AP 端，安装于仪表车顶部。完成AP端网络配置、无线Client端网络配置，完成网络测试。在压裂现场，根据上述方案部署相关网络设备，通过测试，网络延时和衰减都在可控范围内，能够满足工业现场的使用。

(3)数据远程通信验证。通过采用自主研发的具有5G功能的 LS_NOTE2001 网关、网关IP地址配置，将网关转至在线，实时监测压裂车数据，反馈数据与实际数据一致，满足设计要求。

(4)通过压裂现场应用试验验证，底层数据通讯达到了标准化的要求，数据采集分析软件各项功能有效实现，5G 无线网络性能达到了设计需求，数据采集与现场数据一致，运维管理平台各功能基本完善，能够满足客户需求，各项试验效果良好。

4 设计特点

(1)适用性：网络规划及运维平台设计适用于压裂作业现场使用。压裂作业现场常常处于野外，工况环境恶劣，对设备稳定性、防护等级要求较高，所选设备应具有良好的防尘、防水、防震性能。

(2)先进性：远程运维平台采用物联网架构，通过兰石云部署，借助阿里云的云计算平台实现数据分析与数据保密。采集层网关选择兰石自主研发的物联网关，可支持多种通讯协议，通过不同通道可采集各种设备的物联信息，实现数据的互联互通。

(3)安全可靠性：兰石云以阿里云为基础，具有 HTTPS 通讯加密、权限管理等服务，拥有 IOT 安全套件，可有效保障数据传输安全。通过软件和硬件相结合的方式，保障信息安全。

(4)可扩展性：远程运维平台可以按照需求灵活配置各种模块，不同的权限对应不同的模块，做到既满足需求，又留有冗余。无线网络采用可扩展性好的 AP+CPE，使网络具有较好的伸缩性、可以根据网络建设需求灵活配置和扩展。

5 结 语

在充分了解用户对压裂装备智能化方面的需求，明确智能化技术开发方向和目标的前提下，在压裂装备智能化管理系统中引入5G+MR 技术、AR远程运维技术和数据可视化技术，提高了设备的安全使用效率，增加了人机交互体验，是当前和今后一段时间内实现压裂装备技术革新和突破的关键路径，对于提升压裂装备的高端化、智能化、绿色化具有重要的意义。该技术的应用将为用户带来全新的智能化技术使用体验的同时，对压裂设备市场推广起到积极作用。