壓裂機組的控制系統及其控制方法
2023-12-04 10:46:41
專利名稱：壓裂機組的控制系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及油田壓裂技術領域，具體的說是一種壓裂機組的控制系統及其控制方法。
背景技術：
壓裂作業是提高油氣井採收率的有效措施之一，廣泛用於油、氣井增產和注水井 增注。由於壓裂作業所需配備的設備包括泵車組、混砂車、儀表控制室和遙控箱等多個壓裂
專用設備，如何將四類io餘臺設備連網並最終實現機組協同作業，滿足特殊工藝要求，實
現統一、快捷的施工管理和指揮，成為技術研究要點。
發明內容
本發明就是針對上述背景技術中的不足之處，而提供一種壓裂機組的控制系統及 其控制方法，它能夠實現泵車組、混砂車、儀表控制室及遙控箱的數據共享和網絡集中控 制，便於動態、精確地自動控制壓裂作業過程，並為操作人員提供良好安全的操作環境。
本發明的目的是通過如下技術措施來實現的。
—種壓裂機組的控制系統，它包括 中央級控制器，用來下達控制所述壓裂機組操作的控制命令；
系統通信網絡，用來發送中央級控制器下達的各項控制命令； 現場控制器，用來響應通過系統通信網絡發送的控制命令，並通過輸出模塊控制 作業機組的執行機構執行控制命令的操作，所述現場控制器包括混砂車控制器和泵車控制 器； 其中，所述中央級控制器與各現場控制器之間通過網絡通信線連接成一個環網。
在上述技術方案中，所述中央級控制器和各現場控制器均各自連接有一HMI操作屏。 在上述技術方案中，所述中央級控制器包括位於儀表控制室內的中央級控制器和 位於遙控箱內的中央級控制器中的至少一個。 在上述技術方案中，所述中央級控制器和各現場控制器中均還包含有用以採集作 業數據，生成數據報表和圖形報表的數據管理模塊。 本發明還提供了一種應用於上述壓裂機組控制系統的控制方法，該方法包括如下 步驟 步驟5-l進行選擇性網絡連接，在中央級控制器中選擇需要進行壓裂作業的設 備，將其配備的現場控制器連接入系統通信網絡，實現各現場控制器之間，以及現場控制器 與中央級控制器之間的通信連接； 步驟5-2在中央級控制器中輸入控制壓裂機組作業所需的數據； 步驟5-3中央級控制器通過訪問現場控制器的網絡地址對現場控制器進行訪問，
並下達控制命令；
步驟5-4現場控制器根據接收的命令通過輸出模塊控制作業機組的執行機構執 行控制命令的操作。 在上述提供的壓裂機組控制方法的技術方案中，根據該壓裂機組中作業設備的不
同，該控制方法包括混砂車的控制方法和泵車組的控制方法。 按下列步驟實現混砂車的自動控制 步驟7-1將混砂車控制器通過系統通信網絡與中央級控制器相連； 步驟7-2在中央級控制器中輸入混砂車多個階段的作業數據，從階段1開始逐階
段輸入，最多預存20個階段的作業數據，這些數據包括作業階段號、吸入階段體積、支撐
劑起始濃度、支撐劑結尾濃度、液添起始濃度、液添結尾濃度、幹添起始濃度、幹添結尾濃
度、兩絞龍之速比及液位高度，其中吸入階段體積用來判別本階段是否已經完成，當實際階
段體積達到本階段的設定體積且下一個階段的吸入階段體積設置為0時，階段停止，當實
際階段體積達到本階段的設定體積且下一個階段的吸入階段體積不為0時，自動進入下一
個階段； 步驟7-3設備上電，混砂作業開始，中央級控制器通過訪問混砂車控制器的網絡 地址對混砂車控制器進行訪問並下達控制命令，混砂車控制器通過輸出模塊控制混砂車執 行機構 步驟7-3A根據步驟7-2中設定的液位高度採用傳統PID算法來控制吸入泵轉速 從而調節吸入流量； 步驟7-3B比較排出泵實際排出壓力和設定排出壓力上限及設定排出壓力下限，
如果實際排出壓力高於設定排出壓力上限，減小排出泵的輸出電壓以減小排量，如果實際
排出壓力低於設定排出壓力下限，增加排出泵的輸出電壓以增加排量； 步驟7-3C根據實際清水流量、清水總量、支撐劑起始濃度、支撐劑結尾濃度、兩絞
龍之速比及採集的絞龍實際轉速，採用單神經元自適應PID控制算法來控制絞龍的轉速從
而調節支撐劑的濃度； 步驟7-3D根據實際清水流量、清水總量、添加劑起始濃度、支撐劑濃度及採集的 添加劑實際添加速率，採用單神經元自適應PID控制算法來控制添加劑的添加速率從而調 節添加劑濃度； 步驟7-4檢測混砂作業是否已經完成，即檢測當前階段的設定吸入階段體積是否
為0，如果為0，停止各泵，作業完成。 按下列步驟實現泵車組的自動控制 步驟8-1在中央級控制器中選擇需要進行作業的泵車，將所選泵車的泵車控制器 連接入系統通信網絡，實現各泵車控制器之間，以及泵車控制器與中央級控制器之間的通 信連接； 步驟8-2在中央級控制器中設置好作業壓力極限值以及泵車每檔的檔位壓力極 限值； 步驟8-3設備上電，啟動選中作業的泵車發動機，選擇每臺泵車的控制模式
步驟8-3A單泵單獨控制； 步驟8-3B分組控制，選擇需要控制的組，保持該組內所有泵車的油門以及檔位一 致；
步驟8-3C定排量控制，設置設定排量，根據設定排量，設置為定排量控制的泵車 自動計算每臺泵車需要控制的排量而自動調節傳動箱檔位和發動機油門，維持機組內所有 泵車的瞬時排量之和為設定排量； 步驟8-3D定壓力控制，設置設定作業壓力，隨後根據設定作業壓力，設置為定壓 力控制的泵車自動控制傳動箱檔位和發動機油門，讓設置為定壓力控制的泵車其實際壓力 達到設定作業壓力； 步驟8-4中央級控制器通過訪問泵車控制器的網絡地址對泵車控制器進行訪問，
檢測任意一臺泵車是否超過檔位壓力極限值，若超過該值對應泵車檔位將會下降到安全檔
位；檢測任意一臺泵車是否超過作業壓力極限值，若超過作業壓力極限值對應泵車將會自
動回空檔，怠速並處於剎車狀態； 步驟8-5作業完成後，按鍵熄火停泵。 與傳統的壓裂作業過程相比，使用本壓裂機組的控制系統及其方法進行壓裂作業 具有如下優點 1)壓裂機組設備間組網靈活、快捷。 2)設備間採用工業環網結構設計，增加了網絡可靠性。 3)各泵車控制器、混砂車控制器、中央級控制器通過乙太網實現設備間的數據交 換，數據傳輸、交換、共享以及遠程訪問容易、方便，數據處理速度快，動作響應速度快。
4)儀表控制室內設置中央級控制器用來集中控制各現場設備，為操作人員提供安 全、舒適的環境。
圖1是本發明實施例的控制系統示意圖。
圖2是本發明實施例中混砂車的控制方法流程圖。 圖3是本發明實施例中泵車組的控制方法流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的描述。
如圖1所示，本發明壓裂機組的控制系統，包括 中央級控制器l，用來下達控制所述作業機組操作的控制命令； 系統通信網絡2，用來發送中央級控制器1下達的各項控制命令； 現場控制器3，用來響應通過系統通信網絡2發送的控制命令，並通過輸出模塊控
制機組的執行機構執行控制命令的操作； 其中，本實施例採用工業乙太網進行數據通信，各控制器可以直接上全線乙太網， 通信速率達10Mbps，所述中央級控制器1與各現場控制器3之間通過網絡通信線連接成一 個環網，能夠容易、方便的實現數據傳輸、交換、共享以及遠程訪問，其數據處理速度快，動 作響應速度快。 上述中央級控制器1和各現場控制器3均各自連接有一 HMI操作屏4，操作人員通 過HMI操作屏4進行人機對話控制壓裂機組作業所需的數據。 上述中央級控制器1包括位於儀表控制室內的中央級控制器1和位於遙控箱內的中央級控制器1 ，兩者均可以用來下達控制命令，集中控制整個壓裂機組。其中，遙控箱是便
於在儀表控制室之外或現場沒有儀表控制室時，對現場設備進行集中控制和數據管理。 上述中央級控制器1和各現場控制器3還包含有用以採集作業數據，生成數據報
表和圖形報表的數據管理模塊，以便對機組的工作進行實時監督和作業評估。 在本實施例中所述現場控制器3包括混砂車控制器和泵車控制器，其工作原理如
下 混砂車控制器通過其數據管理模塊採集數據；操作人員通過HMI操作屏4輸入作 業所需的數據，並發出作業開始、停止等命令；控制器通過輸出模塊控制混砂車的執行機 構，其控制器通過乙太網與其他各控制器通信並交換主要作業數據。混砂車可以通過本控 制器上連接的HMI操作屏4來控制，也可以通過儀表控制室內與中央級控制器1相連的HMI 操作屏4來控制，還可以通過遙控箱內與中央級控制器1相連的HMI操作屏4來控制。
各泵車控制器通過數據管理模塊採集數據；配備網關模塊來採集泵車發動機和傳 動箱數據，並控制發動機油門和傳動箱換檔，泵車控制器與網關模塊通過乙太網通信，網關 模塊通過J1939通訊方式與發動機控制模塊和傳動箱控制模塊通信；泵車控制器通過輸出 模塊控制泵車的執行機構。泵車可以通過本控制器上連接的HMI操作屏4來控制，也可以 通過儀表控制室內與中央級控制器1相連的HMI操作屏4來控制，還可以通過遙控箱內與 中央級控制器1相連的HMI操作屏4來控制。操作人員取以上三種HMI操作屏4中任何一 個屏可對所有在線泵車進行操作和控制輸入作業所需的數據。 本實施例提供的應用於上述壓裂機組控制系統的控制方法，其具體程序流程如圖 2、圖3所示。 如圖2所示，按下列步驟實現混砂車的自動控制 步驟7-1將混砂車控制器通過系統通信網絡與中央級控制器相連； 步驟7-2在中央級控制器中輸入混砂車多個階段的作業數據，從階段1開始逐階
段輸入，最多預存20個階段的作業數據，這些數據包括作業階段號、吸入階段體積、支撐
劑起始濃度、支撐劑結尾濃度、液添起始濃度、液添結尾濃度、幹添起始濃度、幹添結尾濃
度、兩絞龍之速比及液位高度，其中吸入階段體積用來判別本階段是否已經完成，當實際階
段體積達到本階段的設定體積且下一個階段的吸入階段體積設置為0時，階段停止，當實
際階段體積達到本階段的設定體積且下一個階段的吸入階段體積不為0時，自動進入下一
個階段； 步驟7-3設備上電，混砂作業開始，中央級控制器通過訪問混砂車控制器的網絡 地址對混砂車控制器進行訪問並下達控制命令，混砂車控制器通過輸出模塊控制混砂車執 行機構 步驟7-3A根據步驟7-2中設定的液位高度採用傳統PID算法來控制吸入泵轉速 從而調節吸入流量； 步驟7-3B比較排出泵實際排出壓力和設定排出壓力上限及設定排出壓力下限，
如果實際排出壓力高於設定排出壓力上限，減小排出泵的輸出電壓以減小排量，如果實際
排出壓力低於設定排出壓力下限，增加排出泵的輸出電壓以增加排量； 步驟7-3C根據實際清水流量、清水總量、支撐劑起始濃度、支撐劑結尾濃度、兩絞
龍之速比及採集的絞龍實際轉速，採用單神經元自適應PID控制算法來控制絞龍的轉速從
7而調節支撐劑的濃度； 步驟7-3D根據實際清水流量、清水總量、添加劑起始濃度、支撐劑濃度及採集的 添加劑實際添加速率，採用單神經元自適應PID控制算法來控制添加劑的添加速率從而調 節添加劑濃度； 步驟7-4檢測混砂作業是否已經完成，即檢測當前階段的設定吸入階段體積是否 為0，如果為0，停止各泵，作業完成。 如圖3所示，按下列步驟實現泵車組的自動控制 步驟8-1在中央級控制器中選擇需要進行作業的泵車，將所選泵車的泵車控制器 連接入系統通信網絡，實現各泵車控制器之間，以及泵車控制器與中央級控制器之間的通 信連接； 步驟8-2在中央級控制器中設置好作業壓力極限值以及泵車每檔的檔位壓力極 限值； 步驟8-3設備上電，啟動選中作業的泵車發動機，選擇每臺泵車的控制模式
步驟8-3A單泵單獨控制； 步驟8-3B分組控制，選擇需要控制的組，保持該組內所有泵車的油門以及檔位一 致； 步驟8-3C定排量控制，設置設定排量，根據設定排量，設置為定排量控制的泵車 自動計算每臺泵車需要控制的排量而自動調節傳動箱檔位和發動機油門，維持機組內所有 泵車的瞬時排量之和為設定排量； 步驟8-3D定壓力控制，設置設定作業壓力，隨後根據設定作業壓力，設置為定壓 力控制的泵車自動控制傳動箱檔位和發動機油門，讓設置為定壓力控制的泵車其實際壓力 達到設定作業壓力； 步驟8-4中央級控制器通過訪問泵車控制器的網絡地址對泵車控制器進行訪問，
檢測任意一臺泵車是否超過檔位壓力極限值，若超過該值對應泵車檔位將會下降到安全檔
位；檢測任意一臺泵車是否超過作業壓力極限值，若超過作業壓力極限值對應泵車將會自
動回空檔，怠速並處於剎車狀態； 步驟8-5作業完成後，按鍵熄火停泵。
權利要求
一種壓裂機組的控制系統，其特徵是所述控制系統包括中央級控制器，用來下達控制所述壓裂機組操作的控制命令；系統通信網絡，用來發送中央級控制器下達的各項控制命令；現場控制器，用來響應通過系統通信網絡發送的控制命令，並通過輸出模塊控制作業機組的執行機構執行控制命令的操作，所述現場控制器包括混砂車控制器和泵車控制器；其中，所述中央級控制器與各現場控制器之間通過網絡通信線連接成一個環網。
2. 根據權利要求1所述的壓裂機組的控制系統，其特徵是所述中央級控制器和各現 場控制器均各自連接有一 HMI操作屏。
3. 根據權利要求1所述的壓裂機組的控制系統，其特徵是所述中央級控制器包括位 於儀表控制室內的中央級控制器和位於遙控箱內的中央級控制器中的至少一個。
4. 根據權利要求1所述的壓裂機組的控制系統，其特徵是所述中央級控制器和各現 場控制器中均還包含有用以採集作業數據，生成數據報表和圖形報表的數據管理模塊。
5. —種在如權利要求1所述的壓裂機組的控制系統中使用的控制方法，該方法包括如 下步驟(5-1)進行選擇性網絡連接，在中央級控制器中選擇需要進行壓裂作業的設備，將其配 備的現場控制器連接入系統通信網絡，實現各現場控制器之間，以及現場控制器與中央級 控制器之間的通信連接；(5-2)在中央級控制器中輸入控制壓裂機組作業所需的數據；(5-3)中央級控制器通過訪問現場控制器的網絡地址對現場控制器進行訪問，並下達 控制命令；(5-4)現場控制器根據接收的命令通過輸出模塊控制作業機組的執行機構執行控制命 令的操作。
6. 根據權利要求5所述的控制方法，其特徵是該壓裂機組的控制方法包括混砂車的 控制方法和泵車組的控制方法。
7. 根據權利要求6所述的控制方法，其特徵是所述混砂車的控制方法步驟如下(7-1)將混砂車控制器通過系統通信網絡與中央級控制器相連；(7-2)在中央級控制器中輸入混砂車多個階段的作業數據，從階段1開始逐階段輸入，最多預存20個階段的作業數據，這些數據包括作業階段號、吸入階段體積、支撐劑起始濃度、支撐劑結尾濃度、液添起始濃度、液添結尾濃度、幹添起始濃度、幹添結尾濃度、兩絞龍 之速比及液位高度，其中吸入階段體積用來判別本階段是否已經完成，當實際階段體積達到本階段的設定體積且下一個階段的吸入階段體積設置為o時，階段停止，當實際階段體積達到本階段的設定體積且下一個階段的吸入階段體積不為0時，自動進入下一個階段；(7-3)設備上電，混砂作業開始，中央級控制器通過訪問混砂車控制器的網絡地址對混砂車控制器進行訪問並下達控制命令，混砂車控制器通過輸出模塊控制混砂車執行機構(7-3A)根據步驟(7-2)中設定的液位高度採用傳統PID算法來控制吸入泵轉速從而調 節吸入流量；(7-3B)比較排出泵實際排出壓力和設定排出壓力上限及設定排出壓力下限，如果實際 排出壓力高於設定排出壓力上限，減小排出泵的輸出電壓以減小排量，如果實際排出壓力 低於設定排出壓力下限，增加排出泵的輸出電壓以增加排量；(7-3C)根據實際清水流量、清水總量、支撐劑起始濃度、支撐劑結尾濃度、兩絞龍之速 比及採集的絞龍實際轉速，採用單神經元自適應PID控制算法來控制絞龍的轉速從而調節 支撐劑的濃度；(7-3D)根據實際清水流量、清水總量、添加劑起始濃度、支撐劑濃度及採集的添加劑實 際添加速率，採用單神經元自適應PID控制算法來控制添加劑的添加速率從而調節添加劑 濃度；(7-4)檢測混砂作業是否已經完成，即檢測當前階段的設定吸入階段體積是否為O，如果為0，停止各泵，作業完成。
8.根據權利要求6所述的控制方法，其特徵是所述泵車組的控制方法步驟如下 (8-1)在中央級控制器中選擇需要進行作業的泵車，將所選泵車的泵車控制器連接入系統通信網絡，實現各泵車控制器之間，以及泵車控制器與中央級控制器之間的通信連接；(8-2)在中央級控制器中設置好作業壓力極限值以及泵車每檔的檔位壓力極限值； (8-3)設備上電，啟動選中作業的泵車發動機，選擇每臺泵車的控制模式 (8-3A)單泵單獨控制；(8-3B)分組控制，選擇需要控制的組，保持該組內所有泵車的油門以及檔位一致； (8-3C)定排量控制，設置設定排量，根據設定排量，設置為定排量控制的泵車自動計算每臺泵車需要控制的排量而自動調節傳動箱檔位和發動機油門，維持機組內所有泵車的瞬時排量之和為設定排量；(8-3D)定壓力控制，設置設定作業壓力，隨後根據設定作業壓力，設置為定壓力控制的泵車自動控制傳動箱檔位和發動機油門，讓設置為定壓力控制的泵車其實際壓力達到設定作業壓力；(8-4)中央級控制器通過訪問泵車控制器的網絡地址對泵車控制器進行訪問，檢測任 意一臺泵車是否超過檔位壓力極限值，若超過該值對應泵車檔位將會下降到安全檔位；檢 測任意一臺泵車是否超過作業壓力極限值，若超過作業壓力極限值對應泵車將會自動回空 檔，怠速並處於剎車狀態；(8-5)作業完成後，按鍵熄火停泵。
全文摘要
本發明提供一種壓裂機組的控制系統及其控制方法，包括中央級控制器和現場控制器，它將壓裂機組中的各個設備連網，實現泵車組、混砂車、儀表控制室及遙控箱的數據共享和網絡集中控制，便於動態、精確地自動控制壓裂作業過程，並為操作人員提供良好安全的操作環境。
文檔編號G05B19/418GK101706662SQ20091027260
公開日2010年5月12日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者丁曉珍, 劉豔容, 葉紀東, 唐軍, 孫聖波, 李建新, 楊槿, 熊丹, 陳春霞, 駱豎星 申請人:四機賽瓦石油鑽採設備有限公司