CN114482968A - 压裂系统及压裂系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压裂系统及压裂系统的控制方法。压裂系统包括多组压裂泵和与每组压裂泵的控制单元通信联接的排量控制装置。控制方法包括：选定符合预定条件的压裂泵并获取其当前单机物理参数；确定当前总排量与设定总排量的总排量偏差值；基于每组压裂泵的当前单机物理参数确定其排量分配系数；基于总排量偏差值与排量分配系数确定每组压裂泵的单机排量偏差值；将对应于每组压裂泵的当前单机排量与单机排量偏差值叠加，以确定单机排量设定值。根据本发明的方案可以在压裂作业的总输出排量出现偏差时在不同的压裂泵之间根据运行状况合理地分配排量偏差，实现了油田压裂作业现场大规模工厂化压裂泵组控压裂作业设备的智能化、自动化排量分配控制。
Description
技术领域
本发明涉及钻井油田等井场作业领域的控制系统，具体而言，涉及一种压裂系统及压裂系统的控制方法。
背景技术
压裂作业是目前油田现场普遍采用的一种有效增产措施，也是非常规油气开采的主要手段。随着压裂作业技术的不断发展，平台化、超深井的大规模工厂化压裂作业已经非常普遍。工厂化压裂通常需要十几台以上包括柴驱、电驱、涡轮机驱动等各种类型的压裂泵设备组成压裂泵组，与其他配套设备共同完成压裂作业流程。在目前的压裂作业过程中，都是现场操作人员根据作业工艺要求的总排量，采用手动依次控制压裂泵组的每组压裂泵的输出排量来进行压裂作业，对现场作业人员的较高的经验和技能要求，并且无法满足未来压裂作业的自动化、智能化、无人化的发展趋势。
因此，需要提供一种压裂系统及压裂系统的控制方法以至少部分地改进上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种压裂系统及压裂系统的控制方法，以实现对于油田压裂作业现场大规模工厂化压裂泵组控压裂作业设备的智能化、自动化排量分配控制。
根据本发明的一个方面的控制方法用于包括多组压裂泵和与每组所述压裂泵的控制单元通信联接的排量控制装置的压裂系统，所述控制方法包括：
从所述多组压裂泵中选定符合预定条件的压裂泵并获取选定的压裂泵的当前单机物理参数；
确定所有选定的压裂泵的当前总排量与所述压裂系统的设定总排量的总排量偏差值；
基于每组选定的压裂泵的当前单机物理参数确定其排量分配系数；
基于所述总排量偏差值与排量分配系数确定每组选定的压裂泵的单机排量偏差值；
将对应于每组选定的压裂泵的当前单机排量与单机排量偏差值叠加，以确定该压裂泵的单机排量设定值。
在部分实施方式中，在从所述多组压裂泵中选定符合预定条件的压裂泵之前，还包括：获取所有压裂泵的状态和控制模式。
在部分实施方式中，所述预定条件包括压裂泵处于启动、无报警状态，并处于自动控制模式。
在部分实施方式中，基于每组选定的压裂泵的当前单机物理参数确定其排量分配系数的步骤包括：
基于每组选定的压裂泵的当前单机物理参数确定水马力余量指数、健康指数和排量输出余量指数；和
基于水马力余量指数、健康指数和排量输出余量指数确定所述排量分配系数。
在部分实施方式中，所述当前单机物理参数至少包括压裂泵的当前单机水马力，所述水马力余量指数通过以下公式(1)计算：
其中，Wi为第i组选定的压裂泵的水马力余量指数，Mmaxi为第i组选定的压裂泵的额定水马力，Mi为第i组选定的压裂泵的当前单机水马力。
在部分实施方式中，所述当前单机物理参数包括泵润滑油的温度和压力、泵的液力端的工作时长和与工作时长对应的工作压力、泵的震动速度；
基于每组选定的压裂泵的当前单机物理参数确定健康指数包括：
基于泵润滑油的温度与额定油温的比较获得泵润滑油温异常指数；
基于泵润滑油的压力与额定油压的比较获得泵润滑油压异常指数；
基于泵的液力端的工作时长和与工作时长对应的工作压力获得泵液力端寿命损耗指数；和
基于泵的震动速度与额定震动速度的比较获得泵震动速度异常指数；
所述健康指数通过以下公式(2)计算：
Hi＝Ti*Yi*Fi*Yi (2)
其中，Hi为第i组选定的压裂泵的健康指数，Ti为第i组选定的压裂泵的泵润滑油温异常指数，Yi为第i组选定的压裂泵的泵润滑油压异常指数，Fi为第i组选定的压裂泵的泵液力端寿命损耗指数，Vi为第i组选定的压裂泵的泵震动速度异常指数。
在部分实施方式中，所述泵润滑油温异常指数、所述泵润滑油压异常指数、所述泵液力端寿命损耗指数和所述泵震动速度异常指数中至少一个的取值为[0，1]。
在部分实施方式中，所述当前单机物理参数包括当前单机排量，所述排量输出余量指数通过以下公式(3)计算：
其中，Ri为第i组选定的压裂泵的排量输出余量指数，Qmaxi为第i组选定的压裂泵的最大输出排量，Qi为第i组选定的压裂泵的当前单机排量。
在部分实施方式中，所述排量分配系数通过以下公式(4)计算：
ki＝Wi*αi+Hi*βi+Ri*γi (4)
其中，ki为第i组选定的压裂泵的排量分配系数，αi为第i组选定的压裂泵的水马力余量指数的权重系数，βi为第i组选定的压裂泵的健康指数的权重系数，γi为第i组选定的压裂泵的排量输出余量指数的权重系数。
在部分实施方式中，所述单机排量偏差值通过以下公式(5)计算：
其中，ΔQi为第i组选定的压裂泵的单机排量偏差值，ΔQ为总排量偏差值，Qi为第i组选定的压裂泵的当前单机排量，ki为第i组选定的压裂泵的排量分配系数，n为选定的压裂泵的组数。
根据本发明的另一方面的压裂系统包括多组压裂泵和与每组所述压裂泵的控制单元通信联接的排量控制装置，所述排量控制装置配置为能够实现如上所述的控制方法。
根据本发明的再一方面，还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器执行时实现如上所述的控制方法。
根据本发明的技术方案，可以在压裂作业的总输出排量出现偏差时根据压裂泵设备的水马力余量、健康指数、排量输出余量在不同的压裂泵之间合理地分配排量偏差，实现了油田压裂作业现场大规模工厂化压裂泵组控压裂作业设备的智能化、自动化排量分配控制，改变了当前普遍只能通过采用手动控制来调节作业排量的操作模式，可适用于包括柴驱、电驱、涡轮驱动等各种类型的压裂泵设备，实现了压裂装备的智能巡航控制。为将来实现一键全流程智能化压裂作业控制、满足未来压裂作业的自动化、智能化、无人化的发展趋势奠定了技术基础。
附图说明
为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。
图1为根据本发明的一种优选实施方式的压裂系统的示意性的结构框图；
图2为根据本发明的一种优选实施方式的用于压裂系统的控制方法的流程图；以及
图3为图2所示的控制方法的排量分配系数的计算流程图。
具体实施方式
现在参考附图，详细描述本发明的具体实施方式。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。
本发明提供了一种用于油气田现场压裂施工作业的压裂系统，其包括压裂泵组和排量控制装置。如图1所示，压裂泵组可以由多组同类型或不同类型的压裂泵(例如，压裂泵组可以同时包括柴驱压裂泵、电驱压裂泵或其他类型的压裂泵等)，以提供实现压裂施工所需的排量。每一组压裂泵具有单独的控制单元，可以对泵的运行状态、参数以及控制模式等进行监控。排量控制装置与每一组压裂泵的控制单元通信联接，能够实现对所有压裂泵的状态监测、模式控制以及排量分配等功能。其中，通信联接可以是有线或无线形式的联接。例如，有线形式的联接可以是模拟量信号、脉冲信号、以太网、485通信、232通信、CAN通信等形式。无线形式的联接可以是WIFI、蓝牙等形式。
根据本发明的压裂系统，排量控制装置能够根据设定的排量和当前压裂泵的运行状况在不同的压裂泵之间自动地进行排量分配。下面结合附图进行详细介绍。
如图2所示，排量控制装置对压裂泵的排量进行自动分配的方法主要包括以下步骤。
首先，排量控制装置与所有的压裂泵的控制单元通信，以获取压裂泵组中所有的压裂泵的状态以及控制模式等信息，并从中选定符合预定条件的压裂泵进行排量自动分配。其中，压裂泵的状态表征压裂泵当前的运行状况，例如该压裂泵是处于启动状态还是停机状态，或者该压裂泵是否处于报警状态中。也即，压裂泵是否处于可用的状态。压裂泵的控制模式可以是用于表征该压裂泵处于手动控制模式下，还是处于自动控制模式下。也即，压裂泵是否适于被排量控制装置自动控制。优选地，选定压裂泵的预定条件可以是压裂泵处于启动且无报警的状态下，并且处于自动控制模式下。可以理解，根据施工现场的具体情况，预定条件还可以是其他具体内容，例如，压裂泵是否处于某一特定作业区域中等等。
在选定符合预定条件的压裂泵之后，排量控制装置可以获取所选定的压裂泵的当前单机物理参数，例如每一组选定的压裂泵的当前单机排量、当前单机水马力、泵润滑油温度和压力、泵液力端的工作时长及与每一段工作时长对应的工作压力、泵的震动速度等。这些数据可以反应每一组选定的压裂泵当前的运行状况。
进一步地，排量控制装置可以将所选定的压裂泵中每一组的当前单机排量相叠加，得到当前总排量QT，并将当前总排量QT与压裂施工所需的设定总排量QS相比较。如果二者相等，则排量控制装置不进行排量分配的动作，并继续获取所选定的压裂泵的当前单机物理参数进行监控。如果二者之间存在差值，则排量控制装置通过二者的差获得需要在所选定的压裂泵之间进行分配的总排量偏差值ΔQ。也即，ΔQ＝QS-QT。当ΔQ大于0时，表示当前的当前总排量QT过小，没有达到压裂施工的需求，需要进一步提升压裂泵组输出的排量。当ΔQ小于0时，表示当前的当前总排量QT过大，超过压裂施工的需求，需要进一步降低压裂泵组输出的排量。
进一步地，排量控制装置可以根据所确定的总排量偏差值ΔQ和每一组选定的压裂泵的当前运行状况，确定每一组选定的压裂泵所需要改变的排量的份额，也即单机排量偏差值ΔQi。然后将每一组选定的压裂泵对应的单机排量偏差值ΔQi与其当前单机排量相叠加，即可得到该组选定的压裂泵的单机排量设定值。当控制每一组选定的压裂泵以对应的单机排量设定值输出排量时，即可得到压裂施工所需的设定总排量QS。
优选地，可以通过以下方式确定每一组选定的压裂泵的单机排量偏差值ΔQi。如图3所示，排量控制装置利用从选定的压裂泵获取的当前单机物理参数，可以计算获得每一组选定的压裂泵的水马力余量指数Wi、健康指数Hi和排量输出余量指数Ri，并通过这三个指数叠加，可以获得每一组选定的压裂泵的排量分配系数。每一组选定的压裂泵的排量分配系数相对于所有选定的压裂泵的排量分配系数之和的比值，即为该组压裂泵相对于所有选定的压裂泵在总排量偏差值ΔQ中的占比。该占比与总排量偏差值ΔQ的乘积即为该组选定的压裂泵对应的单机排量偏差值ΔQi。
水马力余量指数Wi可以表征该组选定的压裂泵在当前基础上还可以提供多少出力，其可以通过以下公式(1)计算：
其中，Mmaxi为第i组选定的压裂泵的额定水马力，Mi为第i组选定的压裂泵的当前单机水马力。
健康指数Hi用于表示该组选定的压裂泵的健康状况，其可以通过泵润滑油的温度和压力、泵的液力端的工作时长和与工作时长对应的工作压力、泵的震动速度等参数进行表征。
对于每一组压裂泵，润滑油具有额定的温度区间和压力区间。在额定的温度区间和压力区间中，润滑油能够提供最佳的润滑效果，从而使压裂泵处于最佳的运行状态。而当润滑油的油温和/或油压偏离额定区间时，压裂泵的运行状态逐渐变差，并且偏离程度越大，压裂泵运行状态变差的程度越明显。因此，泵润滑油的温度和/或压力偏离其额定区间(或数值)的程度可以作为衡量压裂泵的健康状况的一个因素。其中，泵润滑油的温度偏离额定区间的程度可以称为泵润滑油温异常指数Ti，其取值在0和1之间，可以表示为[0，1]。偏离程度越大，说明压裂泵的健康程度越差，相应地取值越小。排量控制装置可以通过查表或通过内置程序计算的方式获得所选定的压裂泵的当前润滑油温对应的泵润滑油温异常指数Ti。泵润滑油的压力偏离额定区间的程度可以称为泵润滑油压异常指数Yi，其取值为[0，1]，偏离程度越大，说明压裂泵的健康程度越差，相应地取值越小。排量控制装置可以通过查表或通过内置程序计算的方式获得所选定的压裂泵的当前润滑油压对应的泵润滑油压异常指数Yi。
对于每一组压裂泵，其液力端工作时间越长，工作压力越大，则磨损越严重，使得压裂泵的运行状态逐渐变差。因此，可以通过压裂泵的液力端的工作时长以及与每一段工作时长对应的工作压力来表征该压裂泵的液力端的寿命损耗，也即泵液力端寿命损耗指数Fi，并将其作为衡量压裂泵的健康状况的另一个因素。排量控制装置可以通过查表或通过内置程序计算的方式获得所选定的压裂泵的液力端工作时长以及每一段工作时长对应的工作压力确定该压裂泵当前的泵液力端寿命损耗指数Fi。同样地，其取值为[0，1]，工作时间越长，工作压力越大，则取值越小。
此外，震动也是影响压裂泵运行状况的一个因素。每一组压裂泵具有允许其正常运行的最大震动速度(其也可以称为额定震动速度)。压裂泵的震动速度越小，则运行状态越好，当超过该最大震动速度时，压裂泵的运行状态会逐渐变差。压裂泵可以通过传感器实时感测自身的震动速度。排量控制装置可以通过每一组压裂泵的控制单元获取其震动速度，并通过查表或通过内置程序计算的方式获得该震动速度与额定震动速度之间的偏离程度，从而确定该选定的压裂泵的泵震动速度异常指数Vi，其取值为[0，1]。震动速度越小，则取值越大，震动速度越大，则取值越小。
健康指数Hi可以通过以下公式(2)计算得出：
Hi＝Ti*Yi*Fi*Vi (2)
可以理解，基于Ti、Yi、Fi和Vi四者的取值，健康指数Hi为[0，1]，取值越大，表明该压裂泵的运行状况越好，取值越小，则表明该压裂泵的运行状况越差。
排量输出余量指数Ri可以表征该组选定的压裂泵在当前基础上还可以提供多少输出排量，其可以通过以下公式(3)计算：
其中，Qmaxi为第i组选定的压裂泵的最大输出排量，Qi为第i组选定的压裂泵的当前单机排量。
水马力余量指数Wi、健康指数Hi和排量输出余量指数Ri三者对于压裂泵所能进一步提供的输出排量的影响程度是不同的。例如，如果一组压裂泵的健康程度较差，使其无法以较佳的状态运行，即使其水马力(或输出排量)距离额定值(或最大值)还具有较大的余地，也难以提供较多的输出排量。因此，可以根据不同因素的重要程度，利用权重系数对对应的因数进行加权，以获得更加准确的排量分配系数。例如，排量分配系数ki通过以下公式(4)计算：
ki＝Wi*αi+Hi*βi+Ri*γi (4)
其中，αi为第i组选定的压裂泵的水马力余量指数的权重系数，βi为第i组选定的压裂泵的健康指数的权重系数，γi为第i组选定的压裂泵的排量输出余量指数的权重系数。其中，αi、βi和γi的取值为[0，1]。可以理解，不同型号或驱动方式的压裂泵，其权重系数αi、βi和γi的取值是不同的。对于压裂系统而言，所有的压裂泵的权重系数可以作为数据表预先存储在排量控制装置的存储器中。
进一步地，在获得选定的每一组压裂泵对应的排量分配系数ki之后，可以通过以下公式(5)计算每一组压裂泵对应的单机排量偏差值ΔQi：
其中，n为选定的压裂泵的组数。
然后将单机排量偏差值ΔQi与当前单机排量Qi叠加，即可得到每一组压裂泵更新之后的单机排量设定值Qiupdate：
Qiupdate＝ΔQi+Qi (6)
排量控制装置可以将更新后的单机排量设定值Qiupdate写入对应压裂泵的控制单元，完成排量自动分配的流程。
本发明的多种实施方式的以上描述出于描述的目的提供给相关领域的一个普通技术人员。不意图将本发明排他或局限于单个公开的实施方式。如上，在本领域中的普通技术人员将明白本发明的多种替代和变型。因此，虽然具体描述了一些替代实施方式，本领域普通技术人员将明白或相对容易地开发其他实施方式。本发明旨在包括这里描述的本发明的所有替代、改型和变型，以及落入以上描述的本发明的精神和范围内的其他实施方式。
Claims (12)
1.一种用于压裂系统的控制方法，所述压裂系统包括多组压裂泵和与每组所述压裂泵的控制单元通信联接的排量控制装置，其特征在于，所述控制方法包括：
从所述多组压裂泵中选定符合预定条件的压裂泵并获取选定的压裂泵的当前单机物理参数；
确定所有选定的压裂泵的当前总排量与所述压裂系统的设定总排量的总排量偏差值；
基于每组选定的压裂泵的当前单机物理参数确定其排量分配系数；
基于所述总排量偏差值与排量分配系数确定每组选定的压裂泵的单机排量偏差值；
将对应于每组选定的压裂泵的当前单机排量与单机排量偏差值叠加，以确定该压裂泵的单机排量设定值。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在从所述多组压裂泵中选定符合预定条件的压裂泵之前，还包括：
获取所有压裂泵的状态和控制模式。
3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述预定条件包括压裂泵处于启动、无报警状态，并处于自动控制模式。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，基于每组选定的压裂泵的当前单机物理参数确定其排量分配系数的步骤包括：
基于每组选定的压裂泵的当前单机物理参数确定水马力余量指数、健康指数和排量输出余量指数；和
基于水马力余量指数、健康指数和排量输出余量指数确定所述排量分配系数。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述当前单机物理参数至少包括压裂泵的当前单机水马力，所述水马力余量指数通过以下公式(1)计算：
其中，Wi为第i组选定的压裂泵的水马力余量指数，Mmaxi为第i组选定的压裂泵的额定水马力，Mi为第i组选定的压裂泵的当前单机水马力。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述当前单机物理参数包括泵润滑油的温度和压力、泵的液力端的工作时长和与工作时长对应的工作压力、泵的震动速度；
基于每组选定的压裂泵的当前单机物理参数确定健康指数包括：
基于泵润滑油的温度与额定油温的比较获得泵润滑油温异常指数；
基于泵润滑油的压力与额定油压的比较获得泵润滑油压异常指数；
基于泵的液力端的工作时长和与工作时长对应的工作压力获得泵液力端寿命损耗指数；和
基于泵的震动速度与额定震动速度的比较获得泵震动速度异常指数；
所述健康指数通过以下公式(2)计算：
Hi＝Ti*Yi*Fi*Vi (2)
其中，Hi为第i组选定的压裂泵的健康指数，Ti为第i组选定的压裂泵的泵润滑油温异常指数，Yi为第i组选定的压裂泵的泵润滑油压异常指数，Fi为第i组选定的压裂泵的泵液力端寿命损耗指数，Vi为第i组选定的压裂泵的泵震动速度异常指数。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述泵润滑油温异常指数、所述泵润滑油压异常指数、所述泵液力端寿命损耗指数和所述泵震动速度异常指数中至少一个的取值为[0，1]。
8.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述当前单机物理参数包括当前单机排量，所述排量输出余量指数通过以下公式(3)计算：
其中，Ri为第i组选定的压裂泵的排量输出余量指数，Qmaxi为第i组选定的压裂泵的最大输出排量，Qi为第i组选定的压裂泵的当前单机排量。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述排量分配系数通过以下公式(4)计算：
ki＝Wi*αi+Hi*βi+Ri*γi (4)
其中，ki为第i组选定的压裂泵的排量分配系数，αi为第i组选定的压裂泵的水马力余量指数的权重系数，βi为第i组选定的压裂泵的健康指数的权重系数，γi为第i组选定的压裂泵的排量输出余量指数的权重系数。
10.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述单机排量偏差值通过以下公式(5)计算：
其中，ΔQi为第i组选定的压裂泵的单机排量偏差值，ΔQ为总排量偏差值，Qi为第i组选定的压裂泵的当前单机排量，ki为第i组选定的压裂泵的排量分配系数，n为选定的压裂泵的组数。
11.一种压裂系统，其特征在于，所述压裂系统包括多组压裂泵和与每组所述压裂泵的控制单元通信联接的排量控制装置，所述排量控制装置配置为能够实现根据权利要求1至10中任一项所述的控制方法。
12.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器执行时实现权利要求1至10中任一项所述的控制方法。
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