一种页岩气全电动自动化压裂作业设备及方法
技术领域
本发明涉及压裂作业领域，尤其涉及一种页岩气全电动自动化压裂作业设备及方法。
背景技术
目前,压裂作业主要依靠施工指挥人员对设备操作人员进行指令指挥来完成对压裂作业设备的操作，存在沟通效率低，作业人员多，中间环节多，易发误操作等问题，整体压裂作业过程属于经验控制阶段。
自动化压裂作业是基于压裂配套设备自动化，压裂作业信息实时监测的一套用于提高压裂作业效率，降低作业人员数量的闭环自动化控制系统。
压裂施工主要的步骤包括射孔、测试压裂、循环、试压、试挤、前置液、携砂液、顶替液、测压降，各阶段涉及的设备与控制目标均不相同，需要按阶段分别探讨控制方法。射孔阶段涉及的设备有井口阀门，泵送管汇出口阀门，泵橇阀门，压裂泵，供液橇，储水罐等。
在申请号为CN201610458683.4的发明专利申请文件汇总提出了一种海洋油气压裂作业信息交互系统，该系统由压裂作业仪表橇、海洋油气压裂作业信息集成装置和船舶信息中心；船舶信息中心为远程监控压裂作业现作业的监控中心，负责全船各系统设备状态的监测、海洋环境信息的监测以及下达指导压裂作业的命令；压裂作业仪表橇实现对压裂作业现场数据的实时采集，通过串口将数据发送到海洋油气压裂作业信息集成装置；海洋油气压裂作业信息集成装置通过网络通信机制与船舶信息中心进行信息的双向交互；海洋油气压裂作业信息集成装置设置虚拟局域网，完成装置内部信息传输的隔离。该发明能够解决现有的海洋油气压裂作业传输距离近、自动化程度低、不易于远程监测控制等问题。但该种设备主要针对海洋油气压裂作业，并不能解决现在页岩气压裂作业的应用问题，该设备存在能耗高、噪音大、占地面积大、污染物排放高，长期运维成本高等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中页岩气压裂作业多采用柴油压裂机组作业主要的泵注加压设备，该设备存在能耗高、噪音大、占地面积大、污染物排放高，长期运维成本高等问题，提供一种页岩气全电动自动化压裂作业设备及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种页岩气全电动自动化压裂作业设备，包括：35kV高压房、10kV高压房、变频电源房、电动压裂泵、仪表橇、电动混砂橇、电动混配橇、电动供液橇、储砂罐、自动输砂设备、储液罐、储酸罐及高低压管汇橇；其中：
所述35kV高压房从电网接入35kV高压电源，将电源变换为10kV电源；所述10kV高压房通过高压电缆与35kV高压房连接，馈出多路10 kV电源，同时将10kV电源变换为400V；所述10kV高压房分别与变频电源房、电动混砂橇、仪表橇、电动混配橇、储砂罐、储液罐、储酸罐和电动供液橇电气连接；所述电动压裂泵从变频电源房接入电源，用于将电能转化为压裂液动能，将压裂液通过管汇注入井下，压裂地层；
所述储液罐分为清水储液罐和混配液储液罐，所述电动供液橇吸入口连接水源，所述清水储液罐进液口与电动供液橇输出端口管道连接；所述清水储液罐与电动混配橇管道连接；所述电动混配橇将粉剂、添加剂和清水溶解混合，制备压裂液并通过排出离心泵将其注入混配液储液罐；所述混配液储液罐与电动混砂橇管道连接；所述自动输砂设备将支撑剂输送至储砂罐；所述电动混砂橇接入混配液储液罐中混配好的压裂液和储砂罐中的支撑剂，将压裂液和支撑剂进行混合；所述电动混砂橇与高低压管汇橇管道连接，所述电动压裂泵与高低压管汇橇管道连接。
优选的，所述仪表橇通过网络总线连接并控制35kV高压房、10kV高压房、变频电源房、电动压裂泵、电动混砂橇、电动混配橇、电动供液橇、储砂罐、自动输砂设备、储液罐、储酸罐及高低压管汇橇。
优选的，所述35kV高压房包括主变压器及35kV高压开关柜，所述35kV高压开关柜包括母线提升柜，所述主变压器一次侧电压为35kV，二次侧电压为10 kV或10.5kV；所述10kV高压房包括至少一台高压开关设备、一台或两台10 kV /0.4kV变压器、一套低压开关设备及至少一套低压连接器；所述变频电源房包括1-2台移相变压器、1-2台变频器及1-2套PLC控制系统，所述移相变压器一次侧电压10kV，二次侧电压1.8kV-2.1kV，所述变频器整流拓扑在12脉以上，所述PLC控制系统对变频器输出的电流、电压及转矩进行监控。
优选的，所述电动压裂泵包括一台主电机、至少一个辅助设备电机、传感器及至少一台压裂泵，所述主电机转轴通过联轴器或齿轮与压裂泵曲轴连接；所述主电机的额定电压为3.3 kV或6kV；所述辅助设备电机用于驱动辅助设备；所述压裂泵是三缸泵或五缸泵，其额定水马力在2500HP及以上；所述电动混砂橇包括至少一台混砂橇电机、至少两台混砂橇离心泵及至少两套螺旋输送设备，所述混砂橇电机用于驱动混砂橇离心泵与螺旋输送设备，所述混砂橇离心泵用于给压裂基液与混合液增压，所述螺旋输送设备用于输送支撑剂进入混合罐或混合泵中；所述电动混配橇包括至少两台混配橇离心泵、混配橇电机，所述电动混配橇连接PLC控制系统，所述混配橇离心泵连接混配橇电机，所述PLC控制系统远程控制配液排量及浓度给定；所述电动供液橇包括一台供液橇离心泵、一台供液橇电机、一台电磁流量计、一台压力传感器及一套电控柜，所述电控柜连接PLC控制系统，通过采集供液橇离心泵排出液体压力，实现压力闭环控制，所述电动供液橇通过PLC控制系统实现远程控制。
优选的，所述储砂罐用于存储压裂支撑剂，包括至少一个进料口与出料口，所述进料口与出料口处设置有用于开关支撑剂流入、流出的电动阀门；所述自动输砂设备用于将支撑剂输送至储砂罐，其包括至少一个水平螺旋输送机及至少一个垂直螺旋输送机，所述自动输砂设备与电控柜连接，所述电控柜用于控制自动输砂设备的正反转；所述储液罐用于存储压裂液，包括至少两个液体入口与出口，液体入口与出口配备有与之对应的电动蝶阀，存储同种液体储罐的电动蝶阀联动运转，其储液腔体是金属折叠框架与柔性水囊组成的柔性囊腔或是金属板材围合而成的长方体储液腔；所述储酸罐用于储存压裂用酸液，包括出口电动球阀，所述电动球阀用于接收远程控制信号打开或关闭。
一种页岩气全电动自动化压裂作业方法，包括以下步骤：
S1：通过电动供液撬对清水储液罐进行供水；
S2：进行压裂液的混配，并将混配好的压裂液存储在混配液储液罐；
S3：通过自动输砂设备将支撑剂输送至储砂罐；
S4：将混配液储液罐中的部分压裂液与储砂罐中的部分支撑剂输送至电动混砂橇，进行混砂并形成混砂液；
S5：控制电动混砂撬排出离心泵转速，向电动压裂泵提供混砂液；
S6：控制电动压裂泵电机转速，向压裂管汇注入混砂液；
S7：基于泵注程序表，控制电动压裂泵电机转速。
优选的，所述S1之前还包括以下步骤：
S00：储酸罐向电动供液撬提供酸液；
S01：控制储酸罐排出管汇上电动阀门的开关，向电动供液撬供酸；
S02：基于泵注程序表，控制储酸罐排出管汇上电动阀门的开关。
优选的，所述S2具体包括以下步骤：
S21：控制电动混配橇吸入离心泵，从清水储液罐中吸入清水，向混合器与混合罐供液；
S22：基于清水流量，控制吸入离心泵转速；
S23：基于混合液设定浓度，控制下粉螺旋，向混合器注入药粉；
S24：基于混合器入口压力，控制混合离心泵转速；
S25：控制排出离心泵，向储液罐供应制备好的压裂液；
S26：基于混合罐液位高度，控制排出离心泵转速。
优选的，所述S4具体包括以下步骤：
S41：控制电动混砂撬从混配液储液罐吸入压裂液，从储砂罐中接入支撑剂；
S42：控制输砂螺旋转速，向电动混砂撬输送支撑剂；
S43：基于泵注程序表，控制输送砂螺旋转速。
优选的，所述S3具体包括以下步骤：
S31：从吨包向自动输砂设备破袋口提供支撑剂，控制储砂罐进料口电动插板阀的开关，将不同种类的支撑剂输送进对应仓位；
S32：基于进料口物料类型，控制电动插板阀开关；
S33：控制储砂罐出料口电动插板阀的开关，将不同种类的支撑剂输送入电动混砂料斗；
S34：基于泵注程序表，控制储砂罐出料口电动阀开关。
本发明的有益效果：
通过实施页岩气全电动自动化压裂与原有作业模式相比，减少了井场占地面积；设备自动化程度高，减少设备操作人员；采用电力供电，电气设备无碳氧化物，电动压裂设备噪音等级较原柴油装备大幅度降低，采用电动压裂作业清洁环保；实现压裂作业自动化，根据泵注表自动控制压裂过程，保证压裂的一致性；辅助设备供液、输砂只需一人远程操作，减少人员；免除高空作业岗位，减少风险岗位，井场施工区域实现了无人化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明整体装置示意图；
图2是本发明页岩气全电动自动化压裂作业管路连接示意图；
图3是本发明页岩气全电动自动化压裂作业支撑剂管路连接示意图；
图4是本发明供水流程图；
图5是本发明混配流程图；
图6是本发明输砂流程图；
图7是本发明供液流程图；
图8是本发明供酸流程图；
图9是本发明混砂流程图；
图10是本发明泵注流程图；
附图标号说明：
1-35kV高压房、2-10kV高压房、3-变频电源房、4-电动压裂泵、5-仪表橇、6-电动混砂橇、7-电动混配橇、8-电动供液橇、9-储砂罐、10-自动输砂设备、11-储液罐、12储酸罐、13高低压管汇橇；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
本实施例中，如图1所示，一种页岩气全电动自动化压裂作业设备，包括：35kV高压房1、10kV高压房2、变频电源房3、电动压裂泵4、仪表橇5、电动混砂橇6、电动混配橇7、电动供液橇8、储砂罐9、自动输砂设备10、储液罐11、储酸罐12及高低压管汇橇13；其中：
所述35kV高压房1从电网接入35kV高压电源，将电源变换为10kV电源；所述10kV高压房2通过高压电缆与35kV高压房1连接，馈出多路10 kV电源，同时将10kV电源变换为400V；所述10kV高压房2分别与变频电源房3、电动混砂橇6、仪表橇5、电动混配橇7、储砂罐9、储液罐11、储酸罐12和电动供液橇8电气连接；所述电动压裂泵4从变频电源房3接入电源，用于将电能转化为压裂液动能，将压裂液通过管汇注入井下，压裂地层；
所述储液罐11分为清水储液罐和混配液储液罐，所述电动供液橇8吸入口连接水源，所述清水储液罐进液口与电动供液橇8输出端口管道连接；所述清水储液罐与电动混配橇7管道连接；所述电动混配橇7将粉剂、添加剂和清水溶解混合，制备压裂液并通过管道将其注入混配液储液罐；所述混配液储液罐与电动混砂橇6管道连接；所述自动输砂设备10将支撑剂输送至储砂罐9；所述电动混砂橇6接入混配液储液罐中混配好的压裂液和储砂罐9的支撑剂，将压裂液和支撑剂进行混合；所述电动混砂橇6与高低压管汇橇13管道连接，所述电动压裂泵4与高低压管汇橇13管道连接。
具体的，如图2所示，2台电动供液橇8吸入口与水源连接，部分储液罐11进液口与电动供液橇8连接，此部分储液罐11用作清水储存；清水储液罐11与电动混配橇7连接，电动混配橇7与部分储液罐11连接，此部分储液罐11用作混配后液体储存；混配液储罐与混砂橇连接，混砂橇与高低压管汇橇13连接，电动压裂泵4与高低压管汇橇13连接。
在本实施例中，所述仪表橇5通过网络总线连接并控制35kV高压房1、10kV高压房2、变频电源房3、电动压裂泵4、电动混砂橇6、电动混配橇7、电动供液橇8、储砂罐9、自动输砂设备10、储液罐11、储酸罐12及高低压管汇橇13。
具体的，如图3所示，自动输砂设备10与储砂罐9连接，储砂罐9与电动混砂橇6连接。
在本实施例中，所述35kV高压房1包括主变压器及35kV高压开关柜，所述35kV高压开关柜包括母线提升柜，所述主变压器一次变压为35kV，二次变压为10 kV；所述10kV高压房2包括至少一台高压开关设备、一台或两台10 kV /0.4kV变压器、一套低压开关设备及至少一套低压连接器；所述变频电源房3包括1-2台移相变压器、1-2台变频器及1-2套PLC控制系统，所述移相变压器一次侧电压10kV，二次侧电压1.8kV-2.1kV，所述变频器整流拓扑在12脉以上，所述PLC控制系统对变频器输出的电流、电压及转矩进行监控。
在本实施例中，所述电动压裂泵4包括一台主电机、至少一个辅助设备电机、传感器及至少一台压裂泵，所述主电机转轴通过联轴器或齿轮与压裂泵曲轴连接；所述主电机的额定电压为3.3 kV或6kV；所述辅助设备电机用于驱动辅助设备；所述压裂泵是三缸泵或五缸泵，其额定水马力在2500HP以上；所述电动混砂橇6包括至少一台混砂橇电机、至少两台混砂橇离心泵及至少两套螺旋输送设备，所述混砂橇电机用于驱动混砂橇离心泵与螺旋输送设备，所述混砂橇离心泵用于给压裂基液与混合液增压，所述螺旋输送设备用于输送支撑剂进入混合罐或混合泵中；所述电动混配橇7包括至少两台混配橇离心泵、混配橇电机，所述电动混配橇7连接PLC控制系统，所述混配橇离心泵连接混配橇电机，所述PLC控制系统远程控制配液排量及浓度给定；所述电动供液橇8包括一台供液橇离心泵、一台供液橇电机、一台电磁流量计、一台压力传感器及一套电控柜，所述电控柜连接PLC控制系统，通过采集供液橇离心泵排出液体压裂，实现压力闭环控制，所述电动供液橇8通过PLC控制系统实现远程控制。
在本实施例中，所述储砂罐9用于存储压裂支撑剂，包括至少一个进料口与出料口，所述进料口与出料口处设置有用于开关支撑剂流入、流出的电动阀门；所述自动输砂设备10用于将支撑剂输送至储砂罐9，其包括至少一个水平螺旋输送机及至少一个垂直螺旋输送机，所述自动输砂设备10与电控柜连接，所述电控柜用于控制自动输砂设备10的正反转；所述储液罐11用于存储压裂液，包括至少两个液体入口与出口和储液腔体，液体入口与出口配备有与之对应的电动蝶阀，存储同种液体储罐的电动蝶阀联动运转，其储液腔体是金属折叠框架与柔性水囊组成的柔性囊腔或是金属板材围合而成的长方体储液腔；所述储酸罐12用于储存压裂用酸液，包括出口电动球阀，所述电动球阀用于接收远程控制信号打开或关闭。
如图4-图10所示，在本实施例中，提出一种页岩气全电动自动化压裂作业方法，包括以下步骤：
S1：通过电动供液撬8对清水储液罐进行供水；
S2：进行压裂液的混配，并将混配好的压裂液存储在混配液储液罐；
S3：通过自动输砂设备10将支撑剂输送至储砂罐9；
S4：将混配液储液罐中的部分压裂液与储砂罐9中的部分支撑剂输送至电动混砂橇6，进行混砂并形成混砂液；
S5：控制电动混砂撬6排出离心泵转速，向电动压裂泵4提供混砂液；
S6：控制电动压裂泵4电机转速，想压裂管汇入混砂液；
S7：基于泵注程序表，控制电动压裂泵4电机转速。
在本实施例中，在S1之前还包括以下步骤：
S00：储酸罐12向电动供液撬8提供酸液；
S01：控制储酸罐12排出管汇上电动阀门的开关，向电动供液撬8供酸；
S02：基于泵注程序表，控制储酸罐12排出管汇上电动阀门的开关。
在本实施例中，所述S2具体包括以下步骤：
S21：控制吸入离心泵，从清水储液罐中吸入清水，向混合器与混合罐供液；
S22：基于清水流量，控制吸入离心泵转速；
S23：控制下粉螺旋，向混合器注入药粉；
S24：基于混合器入口压力，控制混合离心泵转速；
S25：控制排出离心泵，向混合罐供应制备好的压裂液；
S26：基于混合罐液位高度，控制排出离心泵转速。
在本实施例中，所述S4具体包括以下步骤：
S41：控制电动混砂撬6从混配液储液罐吸入压裂液，从储砂罐9中接入支撑剂；
S42：控制输砂螺旋转速，向电动混砂撬6输送支撑剂；
S43：基于泵注程序表，控制输送砂螺旋转速。
在本实施例中，所述S3具体包括以下步骤：
S31：从吨包向储砂罐9破袋口提供支撑剂，控制储砂罐9进料口电动插板阀的开关，将不同种类的支撑剂输送进对应仓位；
S32：基于进料口物料类型，控制电动插板阀开关；
S33：控制储砂罐9出料口电动插板阀的开关，将不同种类的支撑剂输送入电动混砂料斗；
S34：基于泵注程序表，控制储砂罐9出料口电动阀开关。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
