壓裂供水自動化裝置的研究與應(yīng)用

楊保良，毛建偉，冉 建

（川西鉆探公司機電工程公司，四川遂寧 629000）

0 引言

川渝地區(qū)頁巖氣的開發(fā)主要采用水力壓裂法，供水是壓裂施工不可缺少的重要環(huán)節(jié)。近年來隨著開發(fā)規(guī)模持續(xù)擴大，壓裂技術(shù)及效果直接決定氣井的產(chǎn)量。受有效水源區(qū)域、工程揚程影響，多采取一級或多級提水泵房并通過管網(wǎng)輸水至各個井場。作業(yè)過程中，各提水泵房需多人進行操作配合，加上供水作業(yè)時間不確定等因素，存在人員勞動強度大、操作失誤造成設(shè)備損壞、供水可靠率低等問題。壓裂液入井筒由于流量達16～25 m3/min，從而需求較大的供水系統(tǒng)為之保障，因此可靠性供水能力直接影響著壓裂進程及效果。

1 研究原因

受有效水源區(qū)域、工程揚程因素影響，供水系統(tǒng)需要一級甚至多級提水至井場，根據(jù)壓裂供水設(shè)計要求，每級提水泵采用潛水泵從水源抽水至大型多級離心泵，水資源增壓后通過地面管網(wǎng)運輸至井場，結(jié)合設(shè)備、管線承壓需求、現(xiàn)場壓裂罐區(qū)容積影響，整個作業(yè)過程需人員通過啟動電機、觀察流量壓力，配合操作閘閥開度等多環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)供水，整個井場壓裂期間操作達數(shù)百次?？總鹘y(tǒng)人力進行操作的方式存在諸多缺陷。

（1）為保證提水泵站安全運行，離心泵安裝選址高于水源歷史水位，受氣蝕余量影響，啟動前操作潛水泵需對其灌液，形成一定管壓后才能啟動并開啟輸出閘閥，多環(huán)節(jié)配合作業(yè)增加操作難度，這在一定程度上影響供水可靠性。

（2）閘閥開度大小根據(jù)管線承壓要求及供液能力進行定位。操作不當(dāng)會造成管線高壓破裂易造成人員傷害。

（3）系統(tǒng)運行中，需依靠人員觀察各型壓力表、流量計及電氣儀表，遇夜間作業(yè)光線不好，監(jiān)控難度較大，發(fā)現(xiàn)問題不及時，造成電氣設(shè)備及其他設(shè)施損壞。

（4）壓裂期間，壓裂現(xiàn)場需求供水總量較大，設(shè)計提水站需每天供液時間達20 h，人員需要倒班，特別是多級提水站供水時，人員需求量大，運維成本較大。

（5）戶外流量計等設(shè)施，受暴雨、水汽侵蝕，損壞后數(shù)據(jù)無法還原，影響供液數(shù)據(jù)統(tǒng)計，造成后續(xù)結(jié)算，影響供水效益。

因此，亟需研究一種安全、可靠、易操作、多功能的自動化裝置。

2 研究目標及內(nèi)容

針對人工手動操作供水系統(tǒng)存在的上述缺陷，結(jié)合現(xiàn)場工作實際需求，新供水系統(tǒng)具備中心平臺遠程操作、在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、安全可靠作為自動化供水裝置的研制目標。研究內(nèi)容主要有以下6 個。

（1）研制一套智能化管理平臺，平臺服務(wù)器以通信總站打造，配置雙電源，磁盤采用陣列配置，同時配置UPS 等相關(guān)輔助設(shè)備。平臺采用B/S 架構(gòu)，服務(wù)器采用Windows 操作系統(tǒng)設(shè)置用戶管理，建立標準數(shù)據(jù)庫，提供豐富的跨平臺交互手段（如Web、APP 等），平臺通過視頻、數(shù)據(jù)采集等方式實現(xiàn)在線監(jiān)控，同時能實時、精準的進行數(shù)據(jù)分析、報警、統(tǒng)計。

（2）系統(tǒng)拓撲。各提水站在系統(tǒng)中以通信子站打造，采用西門子PLC 及Modbus-RTU 通信協(xié)議，通過DI/DO 模塊對設(shè)備進行指令操作，配置AI/AO 模塊，視頻監(jiān)控模塊等實現(xiàn)壓力、流量、溫度、液位等實時監(jiān)測。各提水站配置以太網(wǎng)接口，通過網(wǎng)絡(luò)交換機及路由器等與管理平臺通信總站建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，實現(xiàn)管理平臺遠程操作、數(shù)據(jù)采集等無人化功能。

（3）設(shè)置高效網(wǎng)絡(luò)傳輸。由于各提水站距離相對較遠，各站難以做到專用有限網(wǎng)絡(luò)連接，通過運營商網(wǎng)絡(luò)在各提水站與平臺中心搭建一張IPSec 私有網(wǎng)絡(luò)，同時調(diào)度中心設(shè)置一臺網(wǎng)絡(luò)防火墻以保障內(nèi)網(wǎng)安全，各用戶端均需通過授權(quán)接入才能訪問。

（4）用戶權(quán)限設(shè)置。各用戶端通過通信授權(quán)均可訪問平臺服務(wù)器，設(shè)置監(jiān)控、操作等權(quán)限，實現(xiàn)監(jiān)控用戶只能在線監(jiān)控?zé)o法操作的風(fēng)險，實現(xiàn)供水系統(tǒng)可靠運行。

（5）研制冗余操作系統(tǒng)?？紤]網(wǎng)絡(luò)中斷、故障時，系統(tǒng)無法正常工作對供水功能的影響，增加手動控制系統(tǒng)。擬對操作閘閥進行改造，加裝半自動、手/電動切換機構(gòu)，電動時實現(xiàn)遠程操作、自動復(fù)位，斷電情況下可以用手動功能完成閘閥開關(guān)及調(diào)節(jié)。

（6）研制統(tǒng)計報警急停功能。根據(jù)設(shè)備運行中溫度、壓力、流量、電流等參數(shù)實時監(jiān)控及采集，分析正常有效值，設(shè)置報警值、急停值，能對設(shè)備異常運行第一時間做到提醒與停止，避免設(shè)備惡性故障發(fā)生，實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存分析和操作日志追溯。

3 研究技術(shù)指標

自動化裝置結(jié)構(gòu)整個系統(tǒng)主要分為用戶層、網(wǎng)絡(luò)層、生產(chǎn)運行監(jiān)控層3 個主要部分（圖1）。

圖1 自動化裝置結(jié)構(gòu)

（1）用戶層主要為系統(tǒng)平臺，配置專用服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理、儲存等：根據(jù)IP 地址分配授權(quán)，設(shè)置操作、監(jiān)控權(quán)限；用戶采取移動終端、電腦終端、外拓顯示器實施監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)、通過操作界面實現(xiàn)遠程操作，系統(tǒng)界面能及時對異?，F(xiàn)象做到報警、急停提示；利用控制算法，對存儲數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)界面，實現(xiàn)操作日志追溯。

（2）網(wǎng)絡(luò)作為連接中樞，系統(tǒng)平臺電腦終端與提水站以太網(wǎng)就近通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與運營商建立有線連接，移動客戶端通過運營商提供無線服務(wù)，因此整個系統(tǒng)總站與子站通過運營商建立通信連接，減少了各站點建立專用有限網(wǎng)絡(luò)，同時在運營商網(wǎng)絡(luò)建立VPN專用網(wǎng)絡(luò)，所有通信加密運行，實現(xiàn)遠程訪問功能。另外，數(shù)據(jù)服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間配置高性能防火強，防病毒侵犯、網(wǎng)絡(luò)攻擊等。

（3）生產(chǎn)運行監(jiān)控層作為執(zhí)行反饋終端，根據(jù)操作流程圖及邏輯需求，建立操作梯形圖并進行組態(tài)，實現(xiàn)操作自我診斷功能，PLC 可編程控制器根據(jù)用戶層需求，通過輸入輸出模塊、中間繼電器、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器等原件，實現(xiàn)遠程設(shè)備啟停操作。提水站系統(tǒng)中，設(shè)置有溫度、壓力、流量傳感器及高清攝像頭，統(tǒng)一與交換機連接，最終通過路由器反饋至系統(tǒng)平臺進行處理。

4 自動化裝置主要配置及要求

（1）服務(wù)器。2U 機架式，E5-2603v4（1.7 GHz 主頻/6C 核）/6.4GT/15ML3 處理器2 顆，內(nèi)存16G，24 個內(nèi)存插槽，硬盤3T，主板集成雙口千兆網(wǎng)卡，PCI-E 轉(zhuǎn)接卡套件1 張，DVD 光驅(qū)1 個。

（2）交換機。24 個千兆電口+4 個光口，支持VSU，支持MACC統(tǒng)一管理，交換容量為336 Gbps/3.36 Tbps，包轉(zhuǎn)發(fā)率為51 Mpps/126 Mpps。

（3）防火墻。千兆防火墻，1U 高度，固化10 個千兆電口，1個con 口，1 個USB 口，內(nèi)置專用的硬件VPN 模塊。

（4）網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機NVR。網(wǎng)絡(luò)視頻輸入16 路，同步回放16 路，語音對講輸入1 路，輸出1 路，網(wǎng)絡(luò)接口2 個，RJ45 10M/100M/1000M 自適應(yīng)以太網(wǎng)口，接入帶寬160 Mbps 配置4T 監(jiān)控專用硬盤1 塊。

（5）PLC 可編程控制器。主要技術(shù)參數(shù)有：主機16 入/14 出，晶體管輸出，AC 100～240 V 供電，USB、232、485 接口；可擴展BD 板、ED 模塊和擴展模塊；支持以太網(wǎng)通信。

（6）交換機。工業(yè)用5 口百兆即可滿足使用要求。

（7）無線路由器。2 個以太口，支持3G/4G，支持IPSec VPN、PPTP VPN、L2TP VPN，支持流量管控，支持上網(wǎng)行為管理。

（8）輔助配件，有計算機、AI/AO 模塊、DI/DO 模塊、攝像頭、流量計、貼片式溫度傳感器、壓力變送器、液位計等。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

該自動化裝置已在川南某集中供水片區(qū)進行應(yīng)用，經(jīng)過近一年多運行，實現(xiàn)自動化操作，零失誤操做，人力需求從一個片區(qū)16 人次減少至4 人次，滿足手動和自動操作兩個模式，能通過界面進行在線監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，第一時間對設(shè)備異常發(fā)出報警與急停，設(shè)備惡性損壞的情況得到有效解決，通過歷史數(shù)據(jù)趨勢實現(xiàn)日志追蹤，整個裝置滿足最初研制目標（圖2）。

圖2 操作界面與運行監(jiān)控界面

6 結(jié)論

（1）該自動化裝置的研究及成果應(yīng)用，驗證了壓裂供水工程自動化控制系統(tǒng)的可靠性，解決了集中供水現(xiàn)場難題，同時可以節(jié)省人力70%以上，降低現(xiàn)場人員的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。

（2）自動控制與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)在石油鉆井行業(yè)應(yīng)用前景十分廣闊，潛力巨大。