淺析儀表車信號傳輸與校準方法

1、淺析儀表車信號傳輸與校準方法徐偉（大慶油田有限責任公司井下作業(yè)分公司壓裂大隊）摘要： 壓裂儀表車是油田井下作業(yè)服務公司進行壓裂、酸化等作業(yè)任務的重要的配套設備，目前大慶油田所配備的儀表車種類已經(jīng)達到8種以上，其主要功能是能夠幫助現(xiàn)場技術人員掌握施工數(shù)據(jù)，分析施工狀況，指揮現(xiàn)場施工，同時，儀表車內(nèi)所配備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能保存每次作業(yè)的施工數(shù)據(jù)，并打印輸出施工數(shù)據(jù)和曲線。壓裂施工過程中，整套設備的連接可靠，控制步調(diào)一致，作業(yè)協(xié)調(diào)有序，是精確壓裂作業(yè)的保障。儀表車是整套設備的監(jiān)控中心，協(xié)調(diào)監(jiān)控整套壓裂設備施工作業(yè)，其信號傳輸系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響施工作業(yè)的好壞。本文簡單介紹了壓裂儀表車的結構、功能特點以及

2、儀表車信號傳輸系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展狀況，并根據(jù)大慶油田近15年來先后引進的國內(nèi)外先進的儀表車設備，對其功能特點進行比對研究分析，歸納總結了儀表車數(shù)據(jù)信號傳輸方式及校準方法。一、前言電氣儀表不僅是檢驗和計量的標準，也是系統(tǒng)調(diào)試和分析的工具。在許多設備的設計、研制、生產(chǎn)、使用、維護中占有極其重要的地位，各種功能的電氣儀表已經(jīng)廣泛地使用在社會的各個領域。壓裂儀表車是油田井下作業(yè)服務公司進行壓裂、酸化等作業(yè)任務的重要的配套設備。隨著油田進入中后期的開發(fā)階段，各種新的增產(chǎn)措施應用日益廣泛，高壓、大排量壓裂施工井不斷增多，各項施工參數(shù)的錄取監(jiān)控要求日益精確。壓裂施工中主要監(jiān)控的參數(shù)包括油壓、套壓、壓裂液排量

3、、砂密度等參數(shù)，而以上參數(shù)的獲得均要通過儀表車信號傳輸獲得，壓裂機組中儀表車是整套設備的監(jiān)控中心，協(xié)調(diào)監(jiān)控整套壓裂設備施工作業(yè)，其信號傳輸是否準確、穩(wěn)定直接影響施工作業(yè)的好壞。本文根據(jù)大慶油田近15年來先后引進的國內(nèi)外先進的儀表車設備，對其功能特點進行比對研究分析，歸納總結了儀表車數(shù)據(jù)信號傳輸方式及校準方法。 二、儀表車的結構及功能特點壓裂儀表車適用于油氣井的壓裂作業(yè)全過程的監(jiān)控，它能夠集中控制多臺泵車和混砂車，能夠對壓裂施工中的壓力、階段流量、累積流量、砂密度等參數(shù)進行實時監(jiān)控，并按預先設定的參數(shù)進行實時反饋調(diào)整保證壓裂施工正常進行。壓裂儀表車車由底盤車、廂體、柜體、減震系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、通訊

4、系統(tǒng)、冷暖系統(tǒng)、計算機數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、泵車控制系統(tǒng)、混砂車控制系統(tǒng)等組成。混砂車、壓裂車信號以及其它獨立的傳感器信號可以通過通訊電纜接入儀表車內(nèi)。目前，我國使用的壓裂儀表車多是與壓裂車組成套一起引進的設備。壓裂機組連接示意圖如下圖所示：圖1 壓裂機組連接示意圖三、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述（一）國外研究現(xiàn)狀美國、加拿大是全球主要生產(chǎn)壓裂設備的國家，代表著國際先進水平。世界上具備最大生產(chǎn)壓裂設備的國家首數(shù)美國，代表性的公司有哈里伯頓、西方公司、斯倫貝謝、雙SS公司等。加拿大的石油壓裂設備公司有戴爾公司、皇冠公司、Nowsco公司等。在信號傳輸控制方向上，從手動控制進入智能自動化控制僅僅用了30年，施工

5、中，每臺壓裂泵車通過多芯連接電纜把顯示信號傳輸?shù)絻x表車，通過設在儀表車內(nèi)的集中控制面板來啟動和控制各壓裂車，包括：油門、檔位、壓力、排量、超壓保護等，混砂車和壓裂車信號通過連接電纜傳輸?shù)絻x表車，儀表車通過數(shù)據(jù)采集器和檢測顯示軟件，顯示工作參數(shù)、密度、排量、壓力等。近幾年來，隨著工業(yè)計算機產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡系統(tǒng)逐漸完善，儀表車信號的傳輸與校準技術也逐漸變得更加穩(wěn)定可靠，目前,國際上一些計量校準單位或校準檢測中心均已開展了遠程校準技術的研究,其中比較成熟的研究項目甚至已經(jīng)投入到實際應用中,如美國FLUKE公司開發(fā)了自動校準軟件系統(tǒng)MET/CAL，遠程校準系統(tǒng),其結果滿足校準要求的同時,操作簡單,

6、對一般擁有數(shù)字接口的儀器通用性好,儀器校準的實時性增強,溯源和傳遞時間縮短,校準成本降低。（二）國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國在近幾年，通過引進，消化、吸收和創(chuàng)新，積極發(fā)展油田專用壓裂產(chǎn)業(yè)，國產(chǎn)油田專用壓裂設備品牌企業(yè)如：煙臺杰瑞石油服務股份有限公司、蘭州通用機械制造有限公司、中國石化江漢石油管理局第四機械廠等，在整體機組研制開發(fā)和信號傳輸系統(tǒng)智能控制上有了飛速的發(fā)展。目前，中石化集團公司已經(jīng)正式立項由江漢第四石油機械廠研發(fā)“壓裂機組網(wǎng)絡控制系統(tǒng)”，整套系統(tǒng)通過一個顯示屏可以實現(xiàn)壓裂機組的網(wǎng)絡控制，設置在儀表車內(nèi)的計算機系統(tǒng)還可以通過電話線或手機將采集到的壓裂施工數(shù)據(jù)以及圖表傳輸?shù)疆惖剞k公室內(nèi)的計算機上，同

7、時，該系統(tǒng)還可以和FRACPRO進行無縫連接，進行壓裂模擬、壓裂設計及壓裂分析。我國的儀表車信號校準技術使用的是傳統(tǒng)的發(fā)送標準信號的校準方式,這種方式通過發(fā)送標準的信號進行標準的傳遞，是一種最簡單、迅速、準確的方式，對于傳感器的校準更多使用的是用實物標準進行逐級傳遞的方式進行校驗，這種方式是將計量器具送到具有高一等級計量標準的計量部門去檢定。我國的遠程校準技術仍處于探索階段,更加缺少理論聯(lián)系實際的應用。綜合國內(nèi)外壓裂設備現(xiàn)狀來看，高控制技術、高滲透防砂壓裂、大排量、深穿透壓裂以及大砂量比壓裂成為當今技術主流，這對壓裂作業(yè)的精度、質量及響應速度提出了更高的要求。由于壓裂施工存在不可重復性，一旦混

8、合液輸入到油井中，混合液的壓力、排量、砂密度值、添加劑比例等重要參數(shù)是否符合壓裂施工的設計要求，將直接影響壓裂施工的效果?；诖?，壓裂過程中，壓裂儀表車對各個設備的實時監(jiān)測與信號傳輸?shù)木_控制顯得尤為重要了。四、儀表車信號傳輸研究儀表車信號傳輸主要包括儀表車對壓裂車組的信號控制和儀表車單信號（如：施工壓力、施工排量、砂密度等）數(shù)據(jù)的采集兩大部分。指揮人員可根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)信號，直觀地觀察作業(yè)過程的進展情況，從而對壓裂車組進行統(tǒng)一、有效地控制。（一）儀表車對壓裂車組的控制大慶油田近15年來先后引進的國內(nèi)外先進的儀表車種類已經(jīng)達到8種以上，根據(jù)其對壓裂車組控制方式的不同可以分為3種類型：1、傳統(tǒng)的模

9、擬信號控制2、數(shù)字信號控制3、網(wǎng)絡信號控制。1.傳統(tǒng)的模擬信號控制傳統(tǒng)的壓裂車組在對壓裂車進行操作時，儀表車內(nèi)通過單獨的操作箱對壓裂車的油門及檔位進行控制，有幾臺壓裂車就需要幾個操作箱，如圖2所示。圖2 傳統(tǒng)儀表車內(nèi)壓裂車操控臺儀表車接收和控制壓裂車組各傳感器的模擬信號，如：發(fā)動機轉速、檔位、油門控制信號等，有多少個模擬信號，就需要多少芯電纜進行傳輸，以西方壓裂車組為例，要想實現(xiàn)對一臺壓裂車的控制需要連接一根37芯電纜。對壓裂車進行加油換檔操作時，施工人員需要對每臺壓裂車操控箱的檔位開關進行逐一操作，這就給施工帶來很大的工作量，而且儀表車內(nèi)的操控箱無法精確獲取如：發(fā)動機溫度、變速箱油壓、大泵油

10、溫油壓等具體參數(shù)。隨著實施壓裂作業(yè)精度要求越來越高，反應時間要求越來越短，手動控制反應滯后時間長、精度誤差大，甚至出現(xiàn)誤操作，已滿足不了高精度、快反應的需求。2.數(shù)字信號控制方式2006年大慶油田從美國引進的雙SS儀表車對壓裂車組的控制方式就是數(shù)字信號控制方式，與傳統(tǒng)的壓裂車組控制方式不同的是，雙SS壓裂車首先將儀表車需要獲取的模擬信號匯總并通過自身控制箱內(nèi)MCB板轉換成數(shù)字信號，每臺壓裂車通過一根10芯雙絞線的數(shù)字電纜與儀表車相連，儀表車再通過RS232/485系統(tǒng)及一臺裝有相應軟件的電腦便可以實現(xiàn)對整個車組的數(shù)字信號傳輸與控制，如圖3所示。數(shù)字信號控制較傳統(tǒng)的模擬信號控制具有很高的穩(wěn)定性和

11、抗干擾性，而且能夠使儀表車實時檢測到壓裂車、混砂車的施工狀態(tài)參數(shù)。圖3 雙SS儀表車泵控系統(tǒng)界面3.網(wǎng)絡信號控制壓裂機組網(wǎng)絡控制系統(tǒng)將壓裂泵車、混砂車、儀表車三者緊密的聯(lián)系起來。每臺壓裂車、混砂車及儀表車上都配備網(wǎng)絡適配單元，通過連接網(wǎng)絡線路、適配器實現(xiàn)壓裂車組間的數(shù)據(jù)傳輸。以2013年大慶油田引進的美國哈利伯頓壓裂車組為例，壓裂施工時，機組的多臺設備(壓裂車、混砂車、儀表車)通過網(wǎng)線和網(wǎng)絡接口串聯(lián)形成工業(yè)以太網(wǎng)，機組的數(shù)據(jù)可在網(wǎng)絡中實現(xiàn)實時傳輸，最終由儀表車統(tǒng)一控制，如圖4所示。通過近幾年對哈利伯頓車組的使用，其儀表設備的穩(wěn)定性、便捷性、擴展性及安全性相對來說都是十分突出的。圖4 哈利伯頓儀

12、表車網(wǎng)絡控制接口（二）儀表車單信號數(shù)據(jù)的采集 無論儀表車控制壓裂車組以及獲取數(shù)據(jù)的方式有幾種，每臺儀表車必須具備的一種信號傳輸方式便是單信號數(shù)據(jù)的傳輸。儀表車采集的單信號數(shù)據(jù)主要有3種，壓力信號（電流信號）、排量信號（頻率信號）和砂比信號（電流信號），如圖5所示。圖5 儀表車單信號傳輸圖外部信號通過儀表車尾部的接線端口，進入操作室內(nèi)的采集器，采集器將這些模擬信號通過單片機的分析處理轉換成數(shù)字信號并將這些數(shù)字信號傳輸給安裝有FRACPRO壓裂施工軟件的電腦，最終顯示出一段工作過程中的數(shù)據(jù)曲線供施施工人員參考使用，如圖6所示。圖6 壓裂施工曲線圖五、儀表車信號校準方法的研究壓裂施工中，傳感器失效或

13、儀表車計量不準將會對人員、設備、增產(chǎn)效果造成很大危害。壓裂施工中有一個很重要的環(huán)節(jié)就是對地面高壓管匯進行試壓，如果壓力傳感器失效或儀表車計量不準，壓力值超出設備所能承受的范圍，將會對設備造成損壞，重則地面高壓管匯或連接泵頭崩裂，會對現(xiàn)場施工人員、設備構成很大的危害，后果非常嚴重。壓裂施工的主要工作就是按照設計將一定量的液體和砂子輸送到地層，在施工中如果密度計、流量傳感器計量不準，施工人員將無法準確按照設計對地層進行改造，將會影響整個施工的成敗。因此傳感器及儀表車信號的校準對于壓裂施工至關重要，它不僅決定著加入地層砂量的準確性而且在壓力高難度大的壓裂施工中為生產(chǎn)安全提供有力的保障，經(jīng)過多年的總結

14、經(jīng)驗以及與國外先進技術的結合，大慶油田對儀表車信號的校準制定了相應方法及標準。（一）校驗的基本要求1.環(huán)境條件（1）校驗室的環(huán)境溫度應控制在20（0.53）。（2）校驗室的環(huán)境濕度應控制在20%以下。（3） 校驗室有防塵、防腐蝕措施，灰類含量（凈化度）應小于0.25mg/m。（4） 校驗室應遠離振源，工作臺要做防振措施。2.校準信號單位及配套設備（1）輸入信號：電流（毫安）、頻率（赫茲）（2）電源：12V直流電源 220V交流電源供電。（3）校準配套設備：高精密壓力表 電流信號源 頻率信號源3.校驗周期校驗周期為12個月。（二）壓力、砂比和排量信號的校驗1.準備工作在校驗前，先將壓力傳感器連接

15、到高精密壓力表（該壓力表每年由計量單位校驗一次），傳感器的輸出插座用短接線接到儀表車內(nèi)的超壓復位表，完成壓力信號的校驗準備工作。再將電流信號源通過短接線接入儀表車上的砂比插座，完成砂比信號的校驗準備工作。最后將頻率信號源通過短接線接入儀表車的排量插座。完成以上準備工作后，便可將信號逐一進行校驗。2.壓力信號的校驗 打開儀表車上的采集器和安裝FRACPRO軟件的計算機，接好壓力電路連線。當壓力傳感器輸入壓力為0MPa時，使傳感器輸出為4mA，此時在儀表車采集器上屏幕顯示壓力為0MPa。然后操作高精密壓力表手柄，給出傳感器滿度壓力140MPa，傳感器輸出應為20 mA, 表示這個傳感器符合要求。傳

16、感器的零點調(diào)整和量程調(diào)整相互影響，因此，在校準傳感器時，零點和滿度必須反復調(diào)整，才能使傳感器滿足精度要求。當零位與量程調(diào)好以后，即可校驗線性度。通常壓力傳感器器出廠時線性度已較好，一般不必校驗。操作高精密壓力計手柄，如圖7所示。給出任一壓力，例如15MPa，在采集器上應顯示壓力15MPa，如有線性誤差，可調(diào)整電流參數(shù)，如有非線性誤差，表示壓力傳感器需要更換。圖7 高精密數(shù)字壓力表采集器輸出信號是可編程邏輯控制器輸出的串行信號至計算機串行口，該數(shù)據(jù)在采集器屏幕和計算機FRACPRO軟件中具有一致性。3.砂比信號的校驗砂比信號來源于安裝在混砂車上的密度計，當攜砂液經(jīng)過放射源釋放的射線時，射線的強度

17、隨密度的變化而相應變化，放射源探頭將這一變化轉化為標準的電壓值供密度計使用，密度計接收到變化的電壓后,通過單片機計算便會在其顯示屏上顯示出相應的砂比密度值，并向儀表車輸出一個標準的電流信號（4-20mA電流信號 對應 砂比0-2400kg/ m3），砂比信號傳輸過程如圖8所示。圖8 砂比信號來源 在校驗儀表車砂比信號時，應注意密度計上顯示的砂比數(shù)值應與儀表車內(nèi)采集器上顯示砂比數(shù)值保持一致。4.排量信號的校驗打開儀表車上的采集器和安裝FRACPRO軟件的計算機，接好排量電路連線。8寸流量計對應的排量參數(shù)為：125Hz-10.0 m3/min6寸流量計對應的排量參數(shù)為：125Hz-5.1 m3/m

18、in操作頻率信號源，給出相應頻率，例如在混砂車使用8寸流量計計量排量的情況下頻率信號源給出125Hz頻率信號，在采集器上應顯示排量10m3/min，如有線性誤差，可調(diào)整頻率參數(shù)，如有非線性誤差，表示排量傳感器需要更換。采集器輸出信號是可編程邏輯控制器輸出的串行信號至計算機串行口，該數(shù)據(jù)在采集器屏幕和計算機FRACPRO軟件中具有一致性。六、結論隨著油田進入中后期的開發(fā)階段，各種新的增產(chǎn)措施應用日益廣泛，高壓、大排量壓裂施工井不斷增多，各項施工參數(shù)的錄取監(jiān)控要求日益精確。壓裂儀表車是獲取施工參數(shù)的重要采集設備，其信號傳輸是否準確直接影響施工作業(yè)的好壞。儀表車的信號傳輸已經(jīng)從傳統(tǒng)的模擬信號監(jiān)控發(fā)展為先進的數(shù)字化、網(wǎng)絡化監(jiān)控，實踐證明，儀表設備信號網(wǎng)絡化傳輸具有更好的穩(wěn)定性、便捷性、擴展性及安全性。儀表車傳輸信號的精確度對于壓裂施工至關重要，它不僅決定著加入地層砂量的準確性而且在壓力高難度大的壓裂施工中為生產(chǎn)安全提供有力的保障。儀表車信號校準方法不僅為壓裂儀表車電控系統(tǒng)維修保養(yǎng)提供有了可靠的依據(jù)，而且為大慶油田壓裂日后更加精確、精細施工提