压裂设备远程监控与管理系统及应用

赵 欢 刘有平 陈远建 么恩翔 侯勇俊

①四川宝石机械专用车有限公司 ②川庆钻探工程有限公司井下作业公司 ③西南石油大学机电工程学院

我国压裂装备经历了从国外引进到自主集成的发展历程，并已形成柴油机驱动为主、本地控制的成熟技术体系，但在信息化、智能化方面的发展相对落后，特别是在设备运行状态远程监测、故障预警与智能诊断方面，一直缺乏专业、系统、高效的综合数据管理平台。运用在线远程监测技术开发了压裂设备的远程管理系统，实现了压裂设备的运行数据、作业数据及维护保养数据等的远程传输及故障实时报警等功能，在现场生产中得到了较好应用。压裂设备远程管理系统打破了原有设备管理模式，方便用户收集、整理及统计压裂设备运行情况，减低设备作业安全风险，使设备管理更智能高效具有重要的意义。

水力压裂是油气井增产重要措施，在油气田生产中得到广泛应用，特别是近年来的页岩油气开发，大规模的水力压裂是关键措施[1]；
在油气井的开采中，水力压裂也是一个非常重要的环节[1]。压裂施工的压裂车组包括数台泵车、混砂车、罐车、仪表车、水泥车等多种设备。为保证压裂施工的安全可靠进行，压裂机组的控制系统一般设计为本地控制和远程控制两套控制系统[2-3]。油气生产企业对压裂施工中的工艺数据和现场施工远程监测更感兴趣，其运用的远程监控系统主要以数据的采集和传输为主，对现场施工的压裂车组的工况等并不实施监控[1,4-7]；
压裂机组运行的远程控制一般仅限于施工现场的近距离的无线控制[8-11]，仅实现现场施工时设备的运行工况监测和控制。油田设备管理部门日常管理中，压裂车组的生产企业在设备运维中，都急需压裂车组的工况数据，因此研制压裂车组的运行工况远程监控系统具有重要的应用价值。

该系统主要由数据采集系统、数据传输网络、数据显示与存储系统、数据分析和处理研究系统及远程管理中心组成，如图1所示。

图1 系统结构拓扑图

1.1 数据采集存储系统

采集到的压裂车组数据主要包括：井口压力、液添瞬时流量及累计流量、干添瞬时流量及累计流量、压裂吸入排出压力、压裂瞬时排量及累计排量、绞龙流量等数据，不仅对采集到的数据进行了存储，并进行了分析处理，在施工结束后，可随时查看数据。数据采集网关利用PLC通过CAN总线读取发动机转速、冷却液温度、机油压力、运行小时、变速箱档位、报警代码等运行数据，同时读取现有控制系统PLC内的压裂泵运行数据，并保存于CPU数据采集专用数据块中，不影响控制系统的可靠性以及稳定性，如图2所示。

图2 数据采集过程

1.2 数据传输网络

监控系统按照传输方式分为有线传输和无线传输。跟有线传输相比，无线传输组网灵活且连接方便，不仅减少现场复杂的线路连接，而且降低现场施工的工作量，所以选择了无线传输的监控方式。目前国内运营商提供的商业网络服务方式主要有：3G、4G、5G、卫星这四种方式，考虑到5G基站的建设还不完整，而卫星系统使用成本过高等问题，对现场施工环境的特殊性并进行了分析对比，最终采用4G网络为主，3G网络为辅，同时兼容现场无线AP网络。安装在压裂车控制箱内的网关可通过交换机与数据采集PLC进行数据交换，并将采集的各项数据通过无线网络发送至远程服务器终端。考虑到少数井场存在无网络或网络情况较差（丢包率高）情况下，该网关可在本地存储数据，并在网络恢复时自动上传，在上传时系统自动将发送数据与采集数据进行比对，实现数据断点续传，从而保证数据的完整性和稳定性。为了对上传的所有数据进行有效的保护，链路采取了VPN技术保证数据传输安全，同时具备强大防火墙和短信用户白名单功能。网关内自带GPS定位系统，可实现对设备分布情况的实时监控。

1.3 数据显示及存储

数据显示平台利用TIA Portal WinCC软件进行组态，软件系统采用多语言混合编程方法和系统化、模块化设计思想，将任务按功能设计成独立模块，便与调试维护；
软件主要由触摸屏人机交互、数据采集和控制模块组成，系统程序通过组织块、功能块和数据块等之间的调用，实现触摸屏人机交互、采集实时数据，并对数据进行限幅和平滑滤波处理，将数据、设备运行状态等通过图像、表格等形式进行直观显示。运用WebNavigator技术，使得用户利用普通的IE浏览器即可对数据服务器的数据进行Web访问。

针对非本公司品牌的压裂车本地信号采集，需安装一个数据采集箱，箱内由Siemens PLC、无线网关和无线硬盘录像机组成。采集到的压裂车组数据，可传输到实时监控系统，用于预测分析车组运行状况，如图3所示。

图3 非本公司的压裂车信号采集

视频信号由NVR采集、存储，再发送到大华萤石云。内存支持4台摄像头存储至少6个月的视频数据。NVR可直接查看实时视频流，并对视频进行分析、处理。实时视频数据不仅做本地保存，平台管理中心也可以随时访问。

1.4 数据分析及处理研究系统

数据分析及处理研究系统，通过压裂车组的实时工作数据，构建压裂车的数字孪生，对关键的指标进行基于上下限、动态阈值、发生频次等状态的告警，并给予告警的结果核对特征库，对故障进行智能的诊断，并根据预测的结果和真实数据之间的偏差，对故障进行预警，实现预测性维护，如图4所示。

图4 数据分析及处理研究系统

1.5 远程管理中心

系统开发平台采用Siemens的WINCC监控组态平台开发，WINCC监控平台是西门子专门针对自动化工控行业开发的二次开发平台，广泛应用于全球各个行业，具有性能稳定，可靠性高等优点，选用该平台搭建数据管理系统，不仅能与压裂车控制系统完美融合，还能为后期的系统运行维护提供便利。

该压裂设备远程管理系统，是以压裂设备加装数据采集系统及视频采集系统为基础，并在本地控制系统进行备份后，通过物联网将数据发送至服务器，由服务器进行收集、整理与统计后发布至指定网页或APP上，能实现实时运行显示、故障报警、预防性维护、历史数据查看、统计报表生成、视频监控及GPS定位等功能。目前该系统已应用于川庆钻探和长城钻探等公司的压裂设备的远程管理，系统运转情况良好。

系统集无线网络传输技术、PLC技术和压裂控制技术于一体，实现了压裂车组的远程实时监控，并将实时数据存入数据库，使工程师不用到现场也可以对压裂工作进行实时指导和建议，数据库也方便了后期进行数据分析和预测。由此可见，基于4G传输网络进行数据实时采集和监控极大提高了生产效率，真正做到了降本增效和安全可靠，很适用于对有地域限制的实时数据采集系统进行监控和记录。