油田压裂车组控制系统的改进

乔晓东

川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西 咸阳 712000

1 概述

近年来，油田水力压裂技术得到迅速发展，水力压裂在油田得到了高度重视和广泛的应用。应用水力压裂技术解决了油层非均质的多套层系的同井开采的矛盾，不仅油井增产，更重要的是油田开发得到了改善，同时还提高了储量动用程度，特别将难动用的低渗透油层储量动用起来了，为油田勘探开发作出了重大贡献。水平井压裂作为提高水平井开发放果的一项新技术，是高效开采低渗透油藏的有效措施之一，在开发低渗透油气田过程中有着很好的效果和广闻的前景。由于水平井井眼轨迹和直井不同，水平井钻遇地层与立井相比较为复杂，其井筒应力分布、裂缝起裂和裂缝延伸的规律、温度场分布、产能预测方法、裂缝参数优化设计与直井压裂有很大不同。

压裂车组控制系统在油田中大量应用，以笔者所在单位为例，主压车有两种，一种是四机厂的2000型，属于串联控制系统；一种美国SS的2000型，采用的是并联控制系统。本文以90年代初引进的HQ- 2000型为例，就油田压裂车组控制系统的改进进行探讨。

2 水力压裂在油气田开发中的作用

2.1 压裂是中、低渗透油田勘探、开发工程序列中的重要环节

由于中、低渗透油田储层物性条件的限制以及在钻井过程中的钻井液污染等原因，油井射孔后自然产能低，开采效益差，必须经过压裂才能投入正常生产。压裂改造是科学评价中低渗透油、气田的重要手段。

2.2 限流法压裂是中低渗透油田完井工程的一个重要方法

它通过控制油层孔密、大排量供液，形成足够的炮眼摩阻，使井筒内保持较高的压力，从而达到连续压开一些破裂压力相近层的目的。它适用于厚度小、夹层薄、多油层的新井完井压裂。其特点是射孔方案必须满足压裂施工的要求，射孔方案是压裂方案的一部分。各小层射孔数量、总的射孔数量以及孔眼直径都必须根据地面所能提供的最大施工排量、施工管柱结构、最大破裂压力差异值以及各目的层的物性参数来确定。

2.3 压裂是非均质、多油层油田调整层间矛盾、平面矛盾，实现分层开采的重要措施

非均质、多油层油田实施注水开发，虽给油田带来了旺盛的生产能力，但也会造成层间或平面上的突进，为调整这些矛盾，在油水井内对应地进行分层改造，提高中、低渗透层的吸水能力和产能，对调整层间矛盾、平面矛盾，改善油田开发效果将起着重要的作用。

2.4 压裂是低渗透油水井实现增产、增注技术的重要措施

水力压裂能够在储层中形成一条具有较高导流能力的人工裂缝，从而降低油、气流入井筒内的渗流阻力，提高油气井的产量；从试井分析的角度评价，水力压裂的增产机理则相当于扩大了井筒的有效半径。这对低渗透油田单井增产增注具有重要的意义。

3 90年代初引进的HQ-2000型压裂车组控制系统存在的问题

90年代初引进的HQ-2000型压裂车组目前在很多油田中还在大量应用，但是其控制系统越来越不能适应目前的油田生产要求。其控制系统自动化水平较低，除了超压保护部分是自动控制之外，混砂车转速、压力、压裂车转速、排量等这些参数自动化程度低，多为人工调节和控制，这无疑增加了控制系统的误差性、使压裂现场施工难度变得更加困难。

4 控制系统改进的措施

4.1 功能设计

控制系统改进是通过参考中石化江汉油田四机厂2500型压裂机组技术，同时结合自身工作实践来提出的一个思路。

控制系统经过改进之后，应该实现控制系统自动化，能够具有实时数据管理、实时数据监测、实时数据调节等功能，其数据的采集来源主要是对井下压裂设计参数进行采集，同时还提供报警输出、模拟数字信号相互转换，控制输出等功能，将发动机、变速箱、柱塞泵、液压系统控制信号纳入1939通讯协议当中进行网络控制。通过数据卡进行数据采集、监控数据变化情况等方法来实现系统的控制。主要包括光电隔离数据采集模块、输入模块、输出模块、计算机软件程序、网络管理模块等。控制系统软件是用Delphi 5开发完成，以Windows XP操作系统为核心，主要可以完成档位控制、油门控制、转速控制等操作。

4.2 系统结构及原理

考虑到油田压裂车组控制系统的使用独立性和实际操作的复杂性，我们在设计时应该注意参考国内外先进的布线方式、安装方式和设计思路，整个控制系统可以按照需要来分成多个子系统。主要包括∶ 井下混砂车的远程控制系统、超压保护部分、实时监测井下压裂施工部分、电源部分、井下压裂设计参数调整部分、井下压裂车的远程实时控制系统等。

4.3 控制执行机构的改进

油田压裂车组控制系统的执行控制机构主要有：油门调节装置、档位控制装置和另外的一些控制参数调节机构等。

1）档位的控制可以通过编码程序和频率开关等来控制井下压裂车档位，可以分为两套操作部分，即自动和手动；

2）为了让油门调节实现对油田压裂车组的各个发动机进行最有效的控制，应该让计算机通过预先设置好了的控制模式来进行自动调节，同时能够实现手动和自动这两种控制方式；

3）调节控制参数可以让计算机通过预先设置好了的控制模式来对各个执行机构进行控制，完成自动调节。当由自动方式切换到手动方式的时候，就可以通过控制输出模块、调节面板电位器等方法来实现控制现场机构。所有的控制参数都能够在计算机操作屏和操作面板上观察。

5 最新国产油田压裂车组控制系统的应用

2500型压裂机组是江汉油田四机厂历时8个月研制成功的，在国际上首创二类汽车底盘作为大型压裂设备的载运车，对底盘选型发动机动力匹配集成优化，提高设备的移运能力，采用该厂具有自主知识产权的输出功率达2500马力的五缸柱塞泵，该泵可抗高疲劳强度，冲击、韧性好，优化设计了压裂泵腔及吸排出口，使吸入排出效率从90%提升到95%，相当于将压裂车的排量提高5%。该车采用耐硫化氢高压管汇，整车全部采用三维设计，提高了设计可靠性，第一次美国底特律公司和双环公司对2500压裂车的动力系统匹配进行了严格测试，测试结果表明该车的动力匹配完全达到发动机和变速箱的匹配要求。测试专家认为，该款车型控制系统的控制信号采集方式处在国际先列。中原油田井下特种作业处作为该设备的国内首批订货方，多次在东北、普光、中原等油气田进行应用，控制系统效果获得好评。

6 结论

总之，油田压裂车组控制系统的改进是极为必要的，具有较高的经济价值和社会效益，值得大力探讨。

[1]彭建业.2237kW动力系统在油田压裂设备上的应用[J].石油机械，2008(10).

[2]刘济宁.国内压裂车制造业发展回顾与展望[J].石油矿场机械，2004(S1).