油田壓裂車(chē)組控制系統(tǒng)的改進(jìn)

喬曉東

川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西 咸陽(yáng) 712000

1 概述

近年來(lái)，油田水力壓裂技術(shù)得到迅速發(fā)展，水力壓裂在油田得到了高度重視和廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用水力壓裂技術(shù)解決了油層非均質(zhì)的多套層系的同井開(kāi)采的矛盾，不僅油井增產(chǎn)，更重要的是油田開(kāi)發(fā)得到了改善，同時(shí)還提高了儲(chǔ)量動(dòng)用程度，特別將難動(dòng)用的低滲透油層儲(chǔ)量動(dòng)用起來(lái)了，為油田勘探開(kāi)發(fā)作出了重大貢獻(xiàn)。水平井壓裂作為提高水平井開(kāi)發(fā)放果的一項(xiàng)新技術(shù)，是高效開(kāi)采低滲透油藏的有效措施之一，在開(kāi)發(fā)低滲透油氣田過(guò)程中有著很好的效果和廣聞的前景。由于水平井井眼軌跡和直井不同，水平井鉆遇地層與立井相比較為復(fù)雜，其井筒應(yīng)力分布、裂縫起裂和裂縫延伸的規(guī)律、溫度場(chǎng)分布、產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法、裂縫參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與直井壓裂有很大不同。

壓裂車(chē)組控制系統(tǒng)在油田中大量應(yīng)用，以筆者所在單位為例，主壓車(chē)有兩種，一種是四機(jī)廠的2000型，屬于串聯(lián)控制系統(tǒng)；一種美國(guó)SS的2000型，采用的是并聯(lián)控制系統(tǒng)。本文以90年代初引進(jìn)的HQ- 2000型為例，就油田壓裂車(chē)組控制系統(tǒng)的改進(jìn)進(jìn)行探討。

2 水力壓裂在油氣田開(kāi)發(fā)中的作用

2.1 壓裂是中、低滲透油田勘探、開(kāi)發(fā)工程序列中的重要環(huán)節(jié)

由于中、低滲透油田儲(chǔ)層物性條件的限制以及在鉆井過(guò)程中的鉆井液污染等原因，油井射孔后自然產(chǎn)能低，開(kāi)采效益差，必須經(jīng)過(guò)壓裂才能投入正常生產(chǎn)。壓裂改造是科學(xué)評(píng)價(jià)中低滲透油、氣田的重要手段。

2.2 限流法壓裂是中低滲透油田完井工程的一個(gè)重要方法

它通過(guò)控制油層孔密、大排量供液，形成足夠的炮眼摩阻，使井筒內(nèi)保持較高的壓力，從而達(dá)到連續(xù)壓開(kāi)一些破裂壓力相近層的目的。它適用于厚度小、夾層薄、多油層的新井完井壓裂。其特點(diǎn)是射孔方案必須滿足壓裂施工的要求，射孔方案是壓裂方案的一部分。各小層射孔數(shù)量、總的射孔數(shù)量以及孔眼直徑都必須根據(jù)地面所能提供的最大施工排量、施工管柱結(jié)構(gòu)、最大破裂壓力差異值以及各目的層的物性參數(shù)來(lái)確定。

2.3 壓裂是非均質(zhì)、多油層油田調(diào)整層間矛盾、平面矛盾，實(shí)現(xiàn)分層開(kāi)采的重要措施

非均質(zhì)、多油層油田實(shí)施注水開(kāi)發(fā)，雖給油田帶來(lái)了旺盛的生產(chǎn)能力，但也會(huì)造成層間或平面上的突進(jìn)，為調(diào)整這些矛盾，在油水井內(nèi)對(duì)應(yīng)地進(jìn)行分層改造，提高中、低滲透層的吸水能力和產(chǎn)能，對(duì)調(diào)整層間矛盾、平面矛盾，改善油田開(kāi)發(fā)效果將起著重要的作用。

2.4 壓裂是低滲透油水井實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、增注技術(shù)的重要措施

水力壓裂能夠在儲(chǔ)層中形成一條具有較高導(dǎo)流能力的人工裂縫，從而降低油、氣流入井筒內(nèi)的滲流阻力，提高油氣井的產(chǎn)量；從試井分析的角度評(píng)價(jià)，水力壓裂的增產(chǎn)機(jī)理則相當(dāng)于擴(kuò)大了井筒的有效半徑。這對(duì)低滲透油田單井增產(chǎn)增注具有重要的意義。

3 90年代初引進(jìn)的HQ-2000型壓裂車(chē)組控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

90年代初引進(jìn)的HQ-2000型壓裂車(chē)組目前在很多油田中還在大量應(yīng)用，但是其控制系統(tǒng)越來(lái)越不能適應(yīng)目前的油田生產(chǎn)要求。其控制系統(tǒng)自動(dòng)化水平較低，除了超壓保護(hù)部分是自動(dòng)控制之外，混砂車(chē)轉(zhuǎn)速、壓力、壓裂車(chē)轉(zhuǎn)速、排量等這些參數(shù)自動(dòng)化程度低，多為人工調(diào)節(jié)和控制，這無(wú)疑增加了控制系統(tǒng)的誤差性、使壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工難度變得更加困難。

4 控制系統(tǒng)改進(jìn)的措施

4.1 功能設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)改進(jìn)是通過(guò)參考中石化江漢油田四機(jī)廠2500型壓裂機(jī)組技術(shù)，同時(shí)結(jié)合自身工作實(shí)踐來(lái)提出的一個(gè)思路。

控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改進(jìn)之后，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)自動(dòng)化，能夠具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)等功能，其數(shù)據(jù)的采集來(lái)源主要是對(duì)井下壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行采集，同時(shí)還提供報(bào)警輸出、模擬數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換，控制輸出等功能，將發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、柱塞泵、液壓系統(tǒng)控制信號(hào)納入1939通訊協(xié)議當(dāng)中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制。通過(guò)數(shù)據(jù)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化情況等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。主要包括光電隔離數(shù)據(jù)采集模塊、輸入模塊、輸出模塊、計(jì)算機(jī)軟件程序、網(wǎng)絡(luò)管理模塊等。控制系統(tǒng)軟件是用Delphi 5開(kāi)發(fā)完成，以Windows XP操作系統(tǒng)為核心，主要可以完成檔位控制、油門(mén)控制、轉(zhuǎn)速控制等操作。

4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

考慮到油田壓裂車(chē)組控制系統(tǒng)的使用獨(dú)立性和實(shí)際操作的復(fù)雜性，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意參考國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的布線方式、安裝方式和設(shè)計(jì)思路，整個(gè)控制系統(tǒng)可以按照需要來(lái)分成多個(gè)子系統(tǒng)。主要包括∶ 井下混砂車(chē)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、超壓保護(hù)部分、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下壓裂施工部分、電源部分、井下壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整部分、井下壓裂車(chē)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)等。

4.3 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

油田壓裂車(chē)組控制系統(tǒng)的執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)主要有：油門(mén)調(diào)節(jié)裝置、檔位控制裝置和另外的一些控制參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等。

1）檔位的控制可以通過(guò)編碼程序和頻率開(kāi)關(guān)等來(lái)控制井下壓裂車(chē)檔位，可以分為兩套操作部分，即自動(dòng)和手動(dòng)；

2）為了讓油門(mén)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)油田壓裂車(chē)組的各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行最有效的控制，應(yīng)該讓計(jì)算機(jī)通過(guò)預(yù)先設(shè)置好了的控制模式來(lái)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)這兩種控制方式；

3）調(diào)節(jié)控制參數(shù)可以讓計(jì)算機(jī)通過(guò)預(yù)先設(shè)置好了的控制模式來(lái)對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，完成自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)由自動(dòng)方式切換到手動(dòng)方式的時(shí)候，就可以通過(guò)控制輸出模塊、調(diào)節(jié)面板電位器等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制現(xiàn)場(chǎng)機(jī)構(gòu)。所有的控制參數(shù)都能夠在計(jì)算機(jī)操作屏和操作面板上觀察。

5 最新國(guó)產(chǎn)油田壓裂車(chē)組控制系統(tǒng)的應(yīng)用

2500型壓裂機(jī)組是江漢油田四機(jī)廠歷時(shí)8個(gè)月研制成功的，在國(guó)際上首創(chuàng)二類(lèi)汽車(chē)底盤(pán)作為大型壓裂設(shè)備的載運(yùn)車(chē)，對(duì)底盤(pán)選型發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力匹配集成優(yōu)化，提高設(shè)備的移運(yùn)能力，采用該廠具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的輸出功率達(dá)2500馬力的五缸柱塞泵，該泵可抗高疲勞強(qiáng)度，沖擊、韌性好，優(yōu)化設(shè)計(jì)了壓裂泵腔及吸排出口，使吸入排出效率從90%提升到95%，相當(dāng)于將壓裂車(chē)的排量提高5%。該車(chē)采用耐硫化氫高壓管匯，整車(chē)全部采用三維設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)可靠性，第一次美國(guó)底特律公司和雙環(huán)公司對(duì)2500壓裂車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)匹配進(jìn)行了嚴(yán)格測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該車(chē)的動(dòng)力匹配完全達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的匹配要求。測(cè)試專(zhuān)家認(rèn)為，該款車(chē)型控制系統(tǒng)的控制信號(hào)采集方式處在國(guó)際先列。中原油田井下特種作業(yè)處作為該設(shè)備的國(guó)內(nèi)首批訂貨方，多次在東北、普光、中原等油氣田進(jìn)行應(yīng)用，控制系統(tǒng)效果獲得好評(píng)。

6 結(jié)論

總之，油田壓裂車(chē)組控制系統(tǒng)的改進(jìn)是極為必要的，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益，值得大力探討。

[1]彭建業(yè).2237kW動(dòng)力系統(tǒng)在油田壓裂設(shè)備上的應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2008(10).

[2]劉濟(jì)寧.國(guó)內(nèi)壓裂車(chē)制造業(yè)發(fā)展回顧與展望[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004(S1).