非对称动力管理和负载管理的制作方法

1.本技术总体上涉及一种包括多个水力压裂钻机和多个动力源的水力压裂系统，并且更具体地涉及这些水力压裂钻机和这些多个动力源的非对称动力管理。


背景技术：

2.水力压裂是用于从岩石中提取油和气的装置，通常用于补充水平钻探操作。特别地，高压流体用于破碎岩石，刺激油和气体通过岩石的流动，以增加可以回收的油或气体的体积。用于喷射高压流体或压裂流体的水力压裂钻机包括发动机、传动装置、驱动轴和泵等部件。
3.水力压裂可以包括使用水力压裂系统，所述水力压裂系统包括多个水力压裂钻机，所述水力压裂钻机在基于井口的压力下操作并且以相同或不同的流速运行以实现流体的总流速(例如以桶/分钟测量)。水力压裂钻机可以包括机械和电水力压裂钻机的混合。水力压裂钻机可以根据几个不同的操作参数操作，并且水力压裂钻机的动力源可以根据钻机的类型而不同(并且对于每种类型的钻机可以有多种类型的动力源)。这可以产生各种元件的复杂的水力压裂系统，其对于某些目的可能难以控制。这可能导致浪费的燃料或动力资源、水力压裂钻机的低效操作等。
4.在2020年3月24日授权的美国专利第10,597,996b2(
“’
996专利”)中描述了对钻机上的燃料和电力的管理。在需要改变功耗之前改变所使用的发电机组的数量。然而，'996参考文献没有不对称地管理来自各种动力源(包括多种类型的动力源)的动力和不对称地管理各种水力压裂钻机(包括多种类型的水力压裂钻机)上的负载。
5.本技术可以解决上述问题中的一个或多个和/或本领域中的其他问题。然而，本技术的范围由所附权利要求限定，而不是由解决任何特定问题的能力限定。


技术实现要素：

6.在一个方面，水力压裂系统可以包括多个电力源输出、多个水力压裂钻机和存储指令的非暂时性计算机可读介质。当由水力压裂系统的处理器执行时，指令可以使水力压裂系统执行多个电力源输出的非对称动力管理和执行多个水力压裂钻机的非对称负载管理。
7.在另一方面，一种方法可以包括接收与水力压裂系统的操作或配置相关的信息。水力压裂系统可以包括多个电力源输出和多个水力压裂钻机。所述方法还可包括基于所述信息执行多个电力源输出的非对称动力管理。所述方法还可包括基于所述信息执行多个水力压裂钻机的非对称负载管理。
8.在又一方面，用于水力压裂系统的控制器可配置成接收与水力压裂系统的操作或配置相关的信息。水力压裂系统可以包括多个电力源输出和多个压裂钻机。控制器还可以配置为基于所述信息执行多个电力源输出的非对称动力管理。控制器还可配置成基于所述信息执行多个水力压裂钻机的非对称负载管理。
9.根据以下描述和附图，本技术的其他特征和方面将是清楚明白的。
附图说明
10.结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了各种示例性实施例，与说明书一起用于解释所公开的实施例的原理。
11.图1是根据本技术的方面的包括多个水力压裂钻机和多个动力源的示例性水力压裂系统的示意图。
12.图2是根据本技术的方面的图1的水力压裂系统的数据监控系统和相关联的控制器的示意图。
13.图3是示出根据本技术的各方面的用于非对称动力管理和负载管理的示例性系统架构的示图。
14.图4是示出根据本技术的各方面的示例性优化算法的示图。
15.图5是描绘根据本技术的各方面的用于非对称动力管理和负载管理的示例性方法的流程图。
16.图6示出了根据本技术的方面的示例性水力压裂调度表。
17.图7示出了描绘根据本技术的一方面的用于非对称动力管理和负载管理的示例性方法的流程图。
具体实施方式
18.前面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和说明性的，而不是对所要求保护的特征的限制。如这里所使用的，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“具有(has)”、“具有(having)”、“包括(includes)”、“包括(including)”或其其他变型旨在覆盖非排他性的包含，使得包括一系列元素的过程、方法、物品或装置不仅包括那些元素，而且可以包括未明确列出的或这种过程、方法、物品或装置所固有的其他元素。在本技术中，除非另有说明，相对术语，例如“约”、“基本上”和“大约”用于表示所述值的
±
10％的可能变化。
19.图1示出了根据本技术的方面的示例性水力压裂系统2。具体地，图1描绘了根据钻井/采矿过程的井增产阶段(即水力压裂阶段)的示例性站点布局，诸如在站点已经钻井并且用于钻井的设备被移除之后。水力压裂系统2可以包括流体存储罐4、砂存储罐6和用于制备压裂流体的混合设备8。可包括例如水、沙子和一种或多种化学品的压裂流体可以使用多个水力压裂钻机14在高压下通过一个或多个流体管线10注入到井口12。水力压裂钻机14可以包括机械水力压裂钻机14，机械水力压裂钻机14包括例如气体或柴油发动机、泵和传动装置。或者，水力压裂钻机14可包括电水力压裂钻机14，电水力压裂钻机14包括例如电动机、变频驱动器(vfd)和泵。
20.可提供安装在拖车上的泄放罐16以接收来自流体管线10的泄放液体或气体。另外，由于各种原因可能对水力压裂过程有益的氮气可以储存在罐18中，泵系统20用于将氮气从罐18供应到流体管线10或井口12。
21.使用本技术的水力压裂系统2在站点执行的水力压裂过程和在所述过程中使用的设备可以从位于站点或附加或替代位置的单个位置(例如数据监控系统22)管理和/或监
控。根据一个示例，数据监控系统22可以被支撑在厢式货车、卡车上或者可以是移动的。如下所述，数据监控系统22可包括用于显示或输入数据的用户装置24，所述数据用于监测水力压裂系统2的性能和/或控制水力压裂系统2的操作。根据一个实施例，由数据监控系统22收集的数据可以在机器外或站点外发送，用于监测性能和/或执行相对于水力压裂系统2的计算。
22.如图1进一步所示，水力压裂系统2可以包括一个或多个动力源。例如一个或多个动力源可以包括一个或多个挂车安装的发电机26(例如气体、柴油、两种燃料或双燃料发电机26)、实用电网28、能量存储器(例如电池或氢燃料电池)等。另外地或可选地，一个或多个动力源可包括燃气轮机、可再生动力源，例如太阳能电池板或风力涡轮机等。
23.参考图2，数据监控系统22可以包括用户装置24和控制器30(例如系统控制器30)。可以提供控制器30，控制器30可以是数据监控系统22的一部分，或者可以与数据监控系统22通信。控制器30可以整体或部分地位于数据监控系统22处，或位于相对于水力压裂系统2的其他地方。用户装置24和控制器30可以经由用于交换数据、指令等的一个或多个有线或无线连接彼此通信连接。此外，控制器30可以配置为经由有线或无线通信信道与一个或多个控制器36通信。例如控制器30可以通过控制器36监测和控制水力压裂系统2的各种元件。控制器36可以包括用于控制水力压裂钻机14的水力压裂钻机控制器、用于水力压裂钻机14的部件的控制器(例如用于发动机、传动装置、马达等的控制器)和/或用于控制动力源的动力源控制器。
24.控制器36可构造成与一个或多个与水力压裂系统2的元件相关联的传感器(图2中未示出)通信。传感器可配置成检测或测量与水力压裂系统2的各种元件的操作和/或性能相关的一个或多个物理特性。例如传感器可配置成向一个或多个控制器36提供指示水力压裂钻机14和/或动力源的操作的传感器信号，控制器36可配置成向控制器30提供传感器信号。
25.控制器30和/或控制器36可以各自包括处理器和存储器(图2中未示出)。处理器可包括中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、微处理器、数字信号处理器和/或其他处理单元或部件。另外地或可选地，这里描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如但不限于，可以使用的硬件逻辑部件的说明性类型包括现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、片上系统系统(soc)、复杂可编程逻辑器件(cpld)等。此外，处理器可以拥有它自己的本地存储器，本地存储器还可以存储程序模块、程序数据和/或一个或多个操作系统。处理器可以包括一个或多个核。
26.存储器可以是非暂时性计算机可读介质，其可以包括易失性和/或非易失性存储器，以用于以存储信息的任何方法或技术实现的可移动和/或不可移动介质，所述信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。这种存储器包括但不限于随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、闪存或其他存储器技术、光盘只读存储器(cd－rom)、数字多功能盘(dvd)或其他光存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储设备、独立盘冗余阵列(raid)存储系统或可用于存储所需信息并可由计算设备(例如用户装置24、服务器设备等)访问的任何其他介质。存储器可实现为计算机可读存储介质(crsm)，其可以是可由处理器访问以执行存储在存储器上的指令的任何可用物理介质。存储器可以具有存储在其上的操作系统(os)和/或各种适当的应用程序。当由处理器执
行时，os可以实现控制器30和/或控制器36的硬件和/或软件资源的管理。
27.存储器可以能够存储用于执行在此描述的某些操作(例如控制器30和/或控制器36的操作)的各种计算机可读指令。所述指令在由处理器和/或硬件逻辑部件执行时可致使执行本文中所描述的某些操作。
28.控制器30可以存储和/或执行优化程序32，以执行非对称负载管理和/或动力管理(例如基于存储在存储器中的数据或以其他方式提供给控制器30的数据，诸如经由用户装置24，由控制器36收集，或来自数据库)。控制器30可以存储和/或执行控制逻辑程序34(例如以控制水力压裂系统2在安全操作限制内操作)。控制器30使用的数据可以包括操作优先级和/或站点配置相关信息、调度相关信息、成本相关信息、动力源相关信息、动力需求相关信息等。然而，可以使用各种其他附加或替换数据。
29.图3是示出根据本技术的各方面的用于非对称动力管理和负载管理的示例性系统架构的示图。例如系统架构可以包括站点控制系统38(例如数据监控系统22的一部分或与数据监控系统22分离)。站点控制系统38可以包括系统控制器30和微电网控制器42。例如微电网控制器42可以是在此描述的控制器36之一，并且可以与控制一个或多个动力源(例如各种类型的动力源的微电网48)相关联。如图3所示，微电网控制器42可以在微电网48的外部，这可以促进集中式设备对动力源的并行管理。
30.微电网48可以包括一个或多个发电机组(例如每个发电机组可以包括一个或多个发电机26)、一个或多个实用电网(例如一个或多个实用电网28)、一个或多个可再生能源系统和/或一个或多个能量存储系统。如44所示，微电网控制器42可以向微电网48发送单项资产命令。例如微电网48可以向每个动力源(例如向每个发电机组、向每个实用电网、向每个可再生能源系统，以及向每个能量存储系统)发送单独的一组指令。命令可以控制动力源是接通、断开还是空闲，从动力源输出的动力输出量等。因为微电网控制器42可以向微电网48的动力源提供单独的命令，所以可以独立于微电网48的其他动力源来控制每个动力源。
31.如46所示，系统控制器30可以向多钻机控制器50发送单项资产命令。例如系统控制器30可以向每个水力压裂钻机14(例如向每个机械压裂钻机14和/或向每个电水力压裂钻机14)发送单独的一组指令。命令可以控制水力压裂钻机14是开、关还是空闲，水力压裂钻机14上的负载量等。因为系统控制器30可以向水力压裂钻机14提供单独的命令，所以每个水力压裂钻机14可以独立于水力压裂系统2的其他水力压裂钻机14被控制。多钻机控制器50可以是这里描述的控制器36之一。
32.在一些实施例中，因为机械水力压裂钻机14可能在拖车上具有发动机，电水力压裂钻机14可能需要来自微电网48的动力。在这种情况下，系统控制器30可以将负载请求与电水力压裂钻机14和机械水力压裂钻机14分开，并且可以将电水力压裂钻机14所需的动力请求与在44发送的命5令一起传送到微电网48。
33.图4是示出根据本技术的各方面的示例性优化程序32的示图。如图4所示，优化程序32可以接收输入数据52并将输入数据52提供给优化算法64。例如优化程序32可以从用户装置24(例如用户可以经由用户装置24输入输入数据52)、从服务器设备、从数据库、从水力压裂系统2的各0种设备或其部件的存储器等接收输入数据52。优化程序32可以在水力压裂系统2的操作期间、在启动水力压裂系统2的操作之前等接收作为数据流的输入数据52。输入数据52可以预定并提供给优化程序32(例如可以基于设备的实验或工厂测量)，可以由控
制器30(例如控制器30可以在站
34.点处广播声脉冲通信，以便从站点处的设备接收响应声脉冲来确定存在哪5个设备存在，站点控制器30可以根据传感器信号来测量输入数据52等)和/或诸如此类生成。
35.输入数据52可以包括操作优先级和/或站点配置相关信息54。例如操作优先级和/或站点配置相关信息54可以包括多个水力压裂钻机14中的优
36.先级、水力压裂钻机14的操作的操作模式优先级(例如燃料成本降低优0先于发动机排放降低，或反之亦然)、站点处的水力压裂钻机14的数量、所述站点处的水力压裂钻机14的最大允许压力或流速，位于所述站点处的其他设备的数量和/或类型、年龄、制造、型号和/或站点设备的配置等。附加地或替换地，输入数据52可以包括调度相关信息56。例如调度相关
37.信息56可以包括水力压裂系统2的某些操作的时间、日期、持续时间、5位置等，例如某些泵压力的调度时间和日期、阀的调度打开或关闭等。
38.附加地或可选地，输入数据52可以包括成本相关信息58。例如成本相关信息58可以包括用于水力压裂钻机14的燃料或动力的成本，水力压裂钻机14的所有权的总成本(例如包括维护成本、压裂流体的成本或人员成本)、发动机排放的成本(例如应用于发动机排放的管理成本或与减少发动机排放相关的成本，诸如柴油机排放流体(def)成本)等。另外地或可选地，输入数据52可以包括动力源相关信息60。例如动力源相关信息60可以包括站点可用的动力源的数量和/或类型、动力源的配置动力输出范围、来自不同类型的动力源和/或类型的动力源的单独实例的动力输出的成本等。附加地或可选地，输入数据52可以包括动力需求相关信息62。例如动力需求相关信息62可包括对水力压裂钻机14的发动机上的经验或期望负载的动力需求(例如流量、支撑剂需求或压力响应)、压裂流体的期望流速、压裂流体的期望输出压力、水力压裂钻机14的变速器的当前传动比、变速器的当前变速器速度、期望的泵输入速度等。根据要由优化算法64优化的目标，输入数据52可以包括各种其他类型的数据。例如输入数据52可以包括传动齿轮寿命预测、泵气蚀预测、泵寿命预测、发动机寿命预测等。
39.如下面更详细描述的(例如关于图5-7)，优化算法64可以在接收输入数据52之后处理输入数据52。例如优化算法64可以使用成本函数66来处理输入数据52。然后，优化算法64可以将用于水力压裂系统2的优化操作参数68输出到用户装置24以用于查看或修改，输出到控制器30和/或控制器36以控制水力压裂系统2的操作，和/或输出到数据库以用于存储。优化操作参数68可以包括例如单个水力压裂钻机14的动力需求、单个动力源的动力输出、机械水力压裂钻机14的期望的发动机速度、机械水力压裂钻机14的期望的传动齿轮、从电水力压裂钻机14到微电网48的期望的千瓦(kw)要求和/或类似物。
40.优化算法64可以被配置为搜索实现目标的一组优化操作参数68。例如在确定优化操作参数68的值时，控制器30可以最小化或减少目标、最大化或增加目标和/或平衡两个或更多个目标(例如最大化第一目标同时保持第二目标低于阈值)。以此方式，在此使用的“优化的”、“优化”和类似术语可以是指基于某些标准(目标)从一组可用值中选择值(用于操作参数)。目标可以是任何合适的类型，例如使水力压裂系统2的压裂操作的成本最小化，使水力压裂系统2的燃料或动力消耗最小化，使来自水力压裂系统2的发动机排放最小化，使水力压裂系统2的设备的操作寿命最大化，使水力压裂操作的总时间最小化，使水力压裂操作
中使用的设备的所有权成本最小化，使水力压裂系统2的设备的维护间隔最大化，和/或其任何组合。作为具体示例，考虑到各种操作参数的成本、平衡维护间隔和维护成本等，在给定最小操作期望的情况下，控制器30可以使燃料或动力节省最大化，使发动机排放最小化，使水力压裂系统2的操作的总成本或所有权最小化。
41.工业实用性
42.本技术的控制器30的方面，特别是由控制器30执行的方法可以用于非对称地管理动力源输出和负载。例如由控制器30执行的方法可以基于动力源的个性化操作特性单独控制来自不同类型的动力源和/或不同类型的动力源的不同实例的动力输出。另外地或可选地，由控制器30执行的方法可以基于水力压裂钻机14的个性化操作特性单独地控制不同类型的水力压裂钻机14和/或不同类型的水力压裂钻机14的不同实例上的负载。因此，本文描述的某些方面可以为水力压裂钻机14的操作提供各种优势，例如单独优化动力源和水力压裂钻机14，同时实现某些目标，例如最小化燃料或电力消耗、优化维护间隔等。例如控制器30可以评估水力压裂系统2的所需操作模式(例如基于控制器30的输入)，并且可以做出实时(或接近实时)决策，以基于例如公用事业成本、燃料成本、设备健康状况和/或诸如此类来在成本效益方面从操作单独的动力源和水力压裂钻机。
43.图5是描绘根据本技术的各方面的用于非对称动力管理和负载管理的示例性方法200的流程图。图5所示的方法200可以由控制器30实现。这里描述的方法200的步骤可以体现为存储在存储器中并由控制器30的处理器执行的机器可读和可执行软件指令、软件代码或可执行计算机程序。软件指令还可以体现为一个或多个例程、子例程或模块，并且可以利用各种辅助库和输入/输出功能来与其他设备通信。图5中示出的方法200还可以与操作者界面(例如人机界面，诸如图形用户界面(gui))相关联，通过所述操作者界面，水力压裂系统2的操作者可以配置优化算法64和/或控制逻辑程序34，可以选择输入数据52或水力压裂系统2的操作模式，可以设定优化算法64的目标，和/或诸如此类。因此，方法200可以由控制器30实现以提供非对称负载管理或非对称动力管理。
44.在步骤202，方法200可以包括识别队伍配置。例如控制器30可以识
45.别在一个站点(或包括在水力压裂系统2中)的水力压裂钻机14的类型5和/或数量、在所述站点的动力源的类型和/或数量、动力源的容量和/或诸如此类。在步骤204，方法200可以包括确定优化模式。例如控制器30可以确定是否根据(例如在操作期间最小化燃料消耗或燃料成本的)燃料模式、(例如在操作期间最小化发动机排放或发动机排放成本的)排放模式、
46.(例如基于操作成本或总操作成本(tco)最大化或优化维护间隔的)维0护模式，或组合一个或多个前述模式的混合模式来优化水力压裂系统2的操作。
47.在步骤206，方法200可以包括接收用于水力压裂系统2的站点目标和成本函数。例如控制器30可以接收与所请求的泵流量和/或站点目标的目标压力相关的信息。作为另一示例，控制器30可以接收用于操作模式5的成本函数(例如用于燃料模式的第一成本函数、用于排放模式的第二成
48.本函数、用于维护模式的第三成本函数，或用于混合模式的第四成本函数)。
49.成本函数可以包括将一个或多个变量的值映射到总分或成本的数学函数。
50.优化算法64可以使用成本函数来产生优化操作参数68，如本文所述。
51.在步骤208处，方法200可包括确定满足站点目标的源需求。例如控0制器30可以确定机械水力压裂钻机14的发动机速度和传动齿轮以满足站
52.点目标，可以确定电水力压裂钻机14的总总线动力和/或诸如此类。在步骤208之后，方法200可以包括执行各个步骤210。作为步骤210的输入，方法200可以包括在步骤212接收与实时(或接近实时)实用状态相关的
53.信息。例如控制器30可以在步骤212接收信息。实时实用状态可以包括5与实用电网或一个或多个其他动力源相关的成本、健康、供应商信号和/
54.或诸如此类。附加地或替换地，方法200可以包括在步骤214接收与实时(或接近实时)设备健康和运行时小时有关的信息。例如控制器30可以在步骤214接收信息。实时设备健康可以包括水力压裂系统2的设备的操作状态(例如开/关/空闲状态)、设备是否在预期或可接受的操作限制内操作、设备是否以可能在时间段内产生操作问题的方式操作，和/或诸如此类。运行时小时可以标识设备已经被操作的小时数，对于给定数量的操作小时已经逝去的设备的有效寿命(例如在低于理想状态下操作设备可能比在理想状态下相同数量的小时消耗更多的设备寿命)等。
55.作为步骤210的一部分，方法200可以包括在步骤216确定每个水力压裂钻机14的优化操作参数68以满足站点目标。例如控制器30可以使用优化算法64基于与水力压裂系统2的操作模式相关联的目标来确定优化操作参数68。在步骤218，方法200可以包括执行动力源输出的非对称动力管理。例如控制器30可以通过动力源类型(例如微电网48、能量存储器、发电机26等)、通过动力源的状态(例如开/关/空闲)等来分配动力输出。在步骤220，方法200可以包括执行水力压裂钻机14的非对称负载管理。例如对于机械水力压裂钻机14，控制器30可以确定操作状态(例如开/关/怠速)、水力压裂钻机14的发动机的发动机速度、水力压裂钻机14的变速器的档位和/或诸如此类。注意，为了简化详细描述，术语“负载管理”在本文中用于指具有机器上的直接驱动动力的机械水力压裂钻机的动力使用的管理。作为另一示例，控制器30可以为电水力压裂钻机14确定水力压裂钻机14的马达的操作状态、马达速度等。
56.在步骤222，方法200可以包括基于调度表管理动力源输出或水力压裂钻机14。例如对于动力源输出，控制器30可以基于站点的工作调度表确定(例如通过改变动力源的操作状态、通过向上或向下斜升动力源的操作、管理来自动力源的实用设施导入或导出等)增加或减少来自动力源的动力输出。继续前面的例子，工作调度表可以指示具有增加或减少的活动的水力压裂操作的阶段，并且控制器30可以基于在那些阶段期间是否需要更多或更少的动力来修改动力源输出。作为另一示例，对于水力压裂钻机14，控制器30可基于站点的工作调度表确定(例如通过改变水力压裂钻机14的操作状态、通过向上或向下斜升水力压裂钻机14的操作等)增加或减少水力压裂钻机14上的负载。继续前面的示例，控制器30可以基于增加或减少的水力压裂的阶段来修改水力压裂钻机14上的负载，如工作调度表所指示的。
57.在步骤224，方法200可以包括重新配置动力源输出以满足预期的负载需求。例如控制器30可以确定动力源的操作序列，其可以促进稳定的动力源转换并且可以基于所述确定来管理动力源输出。这有助于避免动力不稳定或动力中断。在步骤226，方法200可以包括基于优化操作参数重新配置负载管理。例如控制器30可以确定水力压裂钻机14的操作顺
序，所述操作序列可以有助于在水力压裂期间稳定的流动或压力。
58.图6示出了根据本技术的方面的示例性水力压裂调度表300。调度表的x轴表示从0到24的一天的时间(小时)。调度表的y轴说明三个参数：1)从0.05到0.2的电网成本(以美元($)每千瓦时(kwh)计)；2)从0到25000的液压马力(hp)/负载要求(以hp计)；和3)以从0到100的百分比计的电池电荷。调度表300包括各种水力压裂阶段(阶段1、阶段2、阶段3、阶段4和阶段5)，其中需要液压马力或负载来泵送水力压裂流体通过水力压裂系统2的元件。此外，调度表300识别水力压裂系统2可能空闲的阶段之间的时间部分。线302示出了水力压裂操作随时间的电网成本。线304示出了水力压裂系统2随时间的液压马力/负载要求。线306示出了在水力压裂系统2的操作期间水力压裂系统2的电池的电池充电。线308示出了平均机械钻机14燃料成本，线310示出了平均电钻机14动力成本。
59.图7示出了描绘根据本技术的各方面的用于非对称动力管理和负载管理的示例性方法400的流程图。图7所示的方法400可以由控制器30实现。这里描述的方法400的步骤可以实现为存储在存储器中并由控制器30的处理器执行的机器可读和可执行软件指令、软件代码或可执行计算机程序。软件指令还可以体现为一个或多个例程、子例程或模块，并且可以利用各种辅助库和输入/输出功能来与其他设备通信。图7所示的方法还可以与操作者界面(例如人机界面，诸如图形用户界面(gui))相关联，通过所述操作者界面，水力压裂钻机14和/或水力压裂系统2的操作者可以配置优化算法64，可以选择输入数据52，可以为优化算法64设置目标，和/或诸如此类。因此，例如方法400可以由控制器30实现以提供非对称负载管理或非对称动力管理。
60.在步骤402，方法400可以包括接收与水力压裂系统2相关的输入数据52。例如控制器30可以从用户装置24(例如作为来自用户装置24的用户的输入)、从(例如与水力压裂系统2的元件和/或元件的部件相关联的)传感器、从(例如由数据监控系统22存储的)数据库、从服务器装置(例如在水力压裂站点或远离水力压裂站点的数据中心中)等接收输入数据52。控制器30可以在站点开始水力压裂操作之前、在水力压裂操作期间、以预定的间隔、当超过或不满足某些操作阈值时和/或诸如此类情况时接收输入数据52。结合步骤402的接收，控制器30还可以接收优化算法64使用的成本函数。
61.结合402处的接收，控制器30还可以接收要控制的设备的操作图。例如控制器30可以从数据库接收一个或多个水力压裂钻机14的操作图。操作图可以包括与水力压裂钻机14相关联的发动机排放图、性能图、燃料图和/或类似物。根据本技术的图可以提供特定设备或其部件的输出参数的指示，作为输入参数的函数，例如水力压裂钻机14或水力压裂钻机14的部件的操作条件。例如发动机排放图可指示作为发动机速度和峰值扭矩百分比的函数或作为动力输出和发动机转速的函数的发动机排放量。作为另一示例，性能图可以指示作为发动机动力输出和发动机寿命的函数的发动机效率，或者可以指示作为流率和流体输出压力的函数的泵的寄生损失。作为又一示例，燃料图(例如制动器比燃料消耗率(bsfc)图)可基于燃料消耗率和由发动机产生的动力来指示发动机的燃料效率。
62.在步骤404，方法400可以包括确定水力压裂系统2的优化操作参数。例如控制器30可以选择用于水力压裂钻机14的各种操作参数68的值，并且可以基于这些值确定水力压裂钻机14的燃料成本和发动机排放成本。在确定各种操作参数68的值时，控制器30通过优化算法64可以优化一个或多个目标。例如目标可以是任何合适的类型，例如降低压裂操作的
成本、降低来自压裂操作的发动机排放、降低压裂操作期间的空闲时间、降低压裂操作期间压裂设备上的磨损、提高压裂操作的效率、降低压裂操作的总时间、降低压裂操作中使用的设备的所有权成本，和/或其任何组合。作为具体示例，控制器30可以确定优化操作参数68，所述优化操作参数68根据对燃料成本或发动机排放成本的某些最大限制来使这些成本最小化。作为另一个具体示例，如果用于水力压裂钻机14的多个操作点提供较低的操作成本，则控制器30可以经由优化算法64基于目标来选择这些点中的一个，例如选择具有最低发动机排放输出的点。
63.操作参数68的确定可以包括确定对包括在水力压裂系统2中的各种水力压裂钻机14的动力需求的分配。为了允许水力压裂钻机14以优化由多个水力压裂钻机14产生的发动机排放和由多个水力压裂钻机14消耗的燃料成本的方式操作，控制器30可以被配置成执行优化过程，所述优化过程基于最小化受燃料成本限制约束的发动机排放来确定对单独操作的水力压裂钻机14的动力需求的优化分配。这可以导致不同的水力压裂钻机14之间的动力需求的相等或不相等的分配，并且一些水力压裂钻机14可以关闭。在一些实现方式中，类似配置的水力压裂钻机14可以分配动力需求的类似或不同比例。
64.控制器30基于总发动机排放和燃料成本分配动力需求可由水力压裂系统2的操作者确定，或者可基于与其他水力压裂系统2功能相关的信号自动确定。因此，控制器30可以被配置成接收指示模式(例如排放模式和/或燃料模式)的选择的信息，所述信息可以向控制器30传达是否启用发动机排放控制模式和/或燃料模式。模式选择信息可以由操作者例如在数据监控系统22中通过用户装置24输入。另外地或可选地，模式选择信息还可以包括可以用信号通知动力需求或动力源输出的分配的自动启用的信息，例如(例如在对发动机排放具有某些限制的区域中为)与水力压裂系统2的位置有关的信息和/或与水力压裂钻机14的操作模式有关的信息。另外地或可选地，模式选择信息可以包括关于水力压裂系统2处于模式的启用可能不适当的状态还是处于模式可能被启用的状态的信息(例如燃料模式或排放模式的启用可能不适当，除非在站点存在具有特定配置的水力压裂钻机14)。
65.步骤404处的确定可以基于操作模式的一个或多个成本函数。例如控制器30可以基于参数的值是否使得成本函数具有等于或大于阈值或者等于或小于阈值的分数来确定优化操作参数68。
66.在步骤406，方法400可以包括执行水力压裂系统2的电力源输出的非对称动力管理。例如控制器30可以单独地，根据动力源类型和/或诸如此类确定每个动力源的动力源输出。在一些实施例中，非对称动力管理的执行可以包括使动力以不同的速率从不同的动力源汲取或输出。例如控制器30可以控制一个动力源以比另一个动力源低的电平输出动力，或者将动力汲取限制到比另一个动力源低的电平。在一些实施例中，步骤406处的确定可以包括基于操作参数68确定动力源的初始动力源输出。例如控制器30可以根据优化操作参数68确定满足水力压裂操作的动力需求的动力源输出。另外地或替代地，在步骤406处的确定可以包括在开始水力压裂操作之后基于修改的优化操作参数68、基于来自成本函数的更新分数和/或诸如此类而修改动力源输出，例如以防止停电或设备停止(例如最小化计划外的停机时间)。
67.在步骤408，方法400可以包括执行水力压裂系统2的非对称负载管理。例如控制器30可以单独地通过水力压裂钻机14的类型和/或诸如此类确定每个水力压裂钻机14的负
载。作为具体示例，步骤408的非对称负载管理可以包括在与另一水力压裂钻机14不同的操作点处操作水力压裂钻机14。不同的操作点可以对应于不同的输出压裂动力水平(用于水力压裂系统的输出压裂动力可以等于排放压力乘以流速，并且动力源输出动力可以是到电水力压裂系统的kw输入)。可以基于燃料参数、发动机排放或维护数据来确定不同的操作点。例如与具有较低燃料消耗率的另一钻机14相比，具有较高燃料消耗率的钻机14可以在较低的输出压裂动力水平下操作。在一些实施例中，一个水力压裂钻机14可以具有与另一个水力压裂钻机14不同的动力输出概况，并且在步骤408处的执行可以包括基于不同的动力输出概况将不同的负载分配给水力压裂钻机14。动力输出概况可以包括理想运行泵转矩和速度、工程规定泵转矩和速度、最大运行泵转矩和速度、最小运行泵转矩和速度等。
68.在一些实施例中，一个水力压裂钻机14可以具有与另一个水力压裂钻机14不同的维护健康概况，并且在步骤408处的执行可以包括基于不同的维护健康概况将不同的负载分配给水力压裂钻机14。维护健康概况可以包括水力压裂钻机14或其部件的预期寿命、水力压裂钻机14的维护周期之间的时间间隔的长度、水力压裂钻机14的部件(例如发动机、变速器、vfd、电动机或泵)的操作限制、水力压裂钻机14的操作历史、水
69.力压裂钻机14的操作调度表等。另外地或可选地，维护健康概况可以包5括指示水力压裂钻机14的当前健康的分数。例如维护健康概况可以指示
70.水力压裂钻机14(或其部件)是否已经经历健康降级事件，诸如超过温度极限、过度扭转、异常行为、过度振动、气穴现象、流体泄漏、故障等。
71.在一些实施例中，步骤408的执行可以基于水力压裂钻机14的流动
72.能力的预测。例如控制器30可以使用优化算法64来基于用于水力压裂钻0机14的吸入压力、预测的气穴、检测的气穴、阀泄漏、扭转振动减小的区域、异常行为和/或诸如此类来预测流动能力。在一些实施例中，在408处的执行可以基于到用于水力压裂钻机14的泵的排出压力和/或流量的特性。例如控制器30可以从传感器接收关于排出压力和流量的数据，并且
73.可以将接收到的数据输入到优化算法64中以确定水力压裂钻机14上的优5化负载。控制器30然后可以(例如通过向混合设备8发送控制信号)调
74.节混合设备8以优化水力压裂钻机14上的负载。
75.在一些实施例中，在步骤408执行可以包括基于操作参数确定水力压裂钻机14的初始负载。例如控制器30可以根据优化操作参数68确定满足水力压裂操作的负载需求的负载。
76.0另外地或可选地，基于修改的优化操作参数68、基于来自成本函数的更新分数和/或类似情况，步骤408处的确定可以包括在开始水力压裂操作之后修改负载，例如以帮助确保有效的或连续的水力压裂操作(例如最小化计划外的停机时间)。
77.虽然图7所示的方法400被描述为包括步骤402至408，但是方法4005可以不包括所有这些步骤，或者可以包括附加的或不同的步骤。例如方法400可以仅包括步骤406和408。
78.本技术的控制器30可以提供实时(或接近实时)动力和负载管理。因此，本技术的各方面可以优化动力输出和动力消耗以降低水力压裂操作的成本或发动机排放。这可以改善水力压裂钻机14的操作，而不会使水力压裂钻机14的性能显著降低。此外，本技术的方面可以优化水力压裂系统2的各种设备上的负载。这可以通过减少发动机排放、减少燃料消耗
等同时满足水力压裂操作的负载需求来改进水力压裂系统2的操作。本申
79.请内容的某些方面的其他优点包括提供与电水力压裂钻机14和/或混合队5伍兼容的优化过程，提供动力对负载需求的无缝集成(例如反应和预测动
80.力输出和负载管理)，气体、两种燃料、双燃料和柴油动力的混合队伍集成，用于燃料和碳足迹减少的动力源的优化，以及电网的安全和有效的集成和管理。此外，这里描述的非对称管理可以减少或消除均匀共享电力资产时可能发生的浪费。
81.0对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本技术的范围的情况下，
82.可以对所公开的系统进行各种修改和变化。本领域的技术人员通过考虑这里公开的系统的说明书和实践将明白所述系统的其他实施例。说明书和实施例仅被认为是示例性的，本技术的真实范围由所附权利要求及其等同物指示。

技术特征：
1.一种水力压裂系统，包括：多个电力源输出；多个水力压裂钻机；以及一种存储指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令在由所述水力压裂系统的处理器执行时使所述水力压裂系统：执行所述多个电力源输出的非对称动力管理；以及执行所述多个水力压裂钻机的非对称负载管理。2.根据权利要求1所述的水力压裂系统，其中，所述非对称负载管理的执行还包括：在与所述多个水力压裂钻机中的至少一个其他水力压裂钻机不同的操作点处操作所述多个水力压裂钻机中的至少一个水力压裂钻机。3.根据权利要求2所述的水力压裂系统，其中，所述至少一个水力压裂钻机和所述至少一个其他水力压裂钻机的不同操作点对应于不同的输出动力水平。4.根据权利要求2所述的水力压裂系统，其中，所述至少一个水力压裂钻机和所述至少一个其他水力压裂钻机的不同操作点是基于以下各项中的至少一项来确定的：燃料参数、发动机排放，或维护数据。5.根据权利要求1所述的水力压裂系统，其中，所述非对称动力管理的执行还包括：使得以与从所述多个电力源输出中的至少一个其他电力源输出不同的速率从所述多个电力源输出中的至少一个电力源输出汲取动力。6.根据权利要求1所述的水力压裂系统，其中，所述多个水力压裂钻机包括至少一个电水力压裂钻机。7.根据权利要求6所述的水力压裂系统，其中：所述多个水力压裂钻机中的至少一个水力压裂钻机包括与所述多个水力压裂钻机中的至少一个其他水力压裂钻机不同的动力输出概况，并且其中所述非对称负载管理的执行还包括：基于相应的不同动力输出概况将不同负载分配给所述至少一个水力压裂钻机和所述至少一个其他水力压裂钻机。8.根据权利要求6所述的水力压裂系统，其中：所述多个水力压裂钻机中的至少一个水力压裂钻机包括与所述多个水力压裂钻机中的至少一个其他水力压裂钻机不同的维护健康概况，并且其中所述非对称负载管理的执行还包括：基于相应的不同维护健康概况将不同负载分配给所述至少一个水力压裂钻机和所述至少一个其他水力压裂钻机。9.一种方法，包括：接收与水力压裂系统的操作或配置相关的信息，其中所述水力压裂系统包括：多个电力源输出，以及多个水力压裂钻机；基于所述信息执行所述多个电力源输出的非对称动力管理；以及
基于所述信息执行所述多个水力压裂钻机的非对称负载管理。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述非对称负载管理的执行还包括：在与所述多个水力压裂钻机中的至少一个其他水力压裂钻机不同的操作点处操作所述多个水力压裂钻机中的至少一个水力压裂钻机。

技术总结
一种方法可以包括接收与水力压裂系统的操作或配置相关的信息。水力压裂系统可以包括多个电力源输出和多个水力压裂钻机。所述方法还可包括基于所述信息执行多个电力源输出的非对称动力管理。所述方法还可包括基于所述信息执行多个水力压裂钻机的非对称负载管理。息执行多个水力压裂钻机的非对称负载管理。息执行多个水力压裂钻机的非对称负载管理。


技术研发人员：A
受保护的技术使用者：卡特彼勒公司
技术研发日：2023.01.04
技术公布日：2023/7/26