油田壓裂液混配儀器儀表的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

冉 翔

（中石化石油機(jī)械股份有限公司，湖北 武漢 430000）

對(duì)于油田生產(chǎn)，壓裂液的主要作用是創(chuàng)造裂縫和注入支撐劑，使裂縫具有永久性，提高出油效率，進(jìn)而改善生產(chǎn)效率。壓裂液直接決定了壓裂施工的最終結(jié)果，若對(duì)壓裂液的質(zhì)量和性能的管控不足，則有可能會(huì)出現(xiàn)壓裂施工無(wú)法發(fā)揮作用的現(xiàn)象，因此對(duì)壓裂液儀器儀表進(jìn)行配置與自動(dòng)化設(shè)計(jì)則是一種有效途徑。如今，我國(guó)多數(shù)油田的壓裂液配置都會(huì)選擇柴油機(jī)動(dòng)力裝置，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻器與自動(dòng)化技術(shù)也逐漸成熟，使得壓裂液混自動(dòng)化配儀器儀表成了新的研究方向，這一技術(shù)方法能夠有效改善油井壓裂作業(yè)的整體水平，提高油田生產(chǎn)效率。

1 自動(dòng)化控制儀器儀表的技術(shù)原理

自動(dòng)化控制儀器儀表的技術(shù)原理主要包括靈活的可編程功能、完善的記憶功能、準(zhǔn)確的計(jì)算功能、高效的信息處理功能等。這些功能都可以通過(guò)儀器儀表中的技術(shù)芯片實(shí)現(xiàn)，也可以利用相關(guān)的技術(shù)方式使儀器儀表的性能越來(lái)越完善，同時(shí)使儀器儀表的體積越來(lái)越小。這種研究與發(fā)展趨勢(shì)使得儀器儀表的自動(dòng)化控制系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，也更有利于自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.1 可編程功能

由于儀器儀表的體型越來(lái)越小，因此當(dāng)前市場(chǎng)中絕大多數(shù)的儀器儀表控制硬件和芯片等結(jié)構(gòu)也越來(lái)越小，并沒(méi)有較為大型或較為復(fù)雜的控制硬件，更多的是在電路中加入芯片，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的整體功能性，將原本已經(jīng)編程完成的軟件直接移植到儀器儀表中，將其替換原本的電路結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)儀器儀表的功能性。

1.2 計(jì)算功能

在儀器儀表中，基本上都具備功能較為完善的計(jì)算儀器，能夠同步計(jì)算儀器儀表的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。與其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能性類似，儀器儀表中的計(jì)算儀器在計(jì)算功能性上也較為高效和完善，能夠確保數(shù)據(jù)計(jì)算階段數(shù)據(jù)的安全性，以及計(jì)算結(jié)果的可靠性。

1.3 記憶功能

與以往的儀器儀表進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)代化的儀器儀表設(shè)備新增了存儲(chǔ)功能性，使得儀器儀表能夠?qū)崟r(shí)記憶數(shù)據(jù)信息，當(dāng)儀器儀表處于電量充足的狀態(tài)時(shí)，便可以不斷記憶數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)所記憶的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與處理。

1.4 數(shù)據(jù)處理功能

在油田生產(chǎn)階段，常常會(huì)面臨一些緊急問(wèn)題必須快速解決，如測(cè)量值與其他具有干擾性的因素等，而儀器儀表具有高精度的數(shù)據(jù)處理功能，通過(guò)儀器儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的針對(duì)性解決則可以有效減緩硬件系統(tǒng)的壓力，同時(shí)還可以針對(duì)干擾信息進(jìn)行全面分析，明確其中問(wèn)題的產(chǎn)生源頭和改善策略。

2 壓裂液混配儀器儀表的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制方法的設(shè)計(jì)

在壓裂液儀器儀表自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，還要對(duì)油井作業(yè)中的油層地質(zhì)條件以及具體壓裂要求展開全面分析，制定完善的方案，確保自動(dòng)化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)壓裂液的科學(xué)配置。某油田目前應(yīng)用的壓裂液儀器儀表控制方法是相對(duì)傳統(tǒng)的電動(dòng)式，一般利用人力的方法將植物膠增稠劑輸送至下料斗，之后將配液池打開，將料粉下料。配料池中的料粉和水、射流器等進(jìn)行振搗處理，從而實(shí)現(xiàn)壓裂液的混合配置。在實(shí)際施工開展階段，電動(dòng)控制方式需要保證人工操作的規(guī)范性，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)的相互配合，但這種方式也存在一定安全隱患，同時(shí)配液劑量控制的精度尚需改進(jìn)，而這也常常難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化控制。為了進(jìn)一步加強(qiáng)油井壓裂施工的整體效果，該油田從生產(chǎn)工藝和技術(shù)手段上進(jìn)行創(chuàng)新，并購(gòu)置先進(jìn)的設(shè)備儀器，從而提高檢測(cè)的可靠性，為儀器儀表自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做好鋪墊。油田壓裂施工所需的壓裂液還要實(shí)現(xiàn)水化反排，從而提高油田生產(chǎn)效率。基于此，在自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，便需要儀器儀表能夠確保壓裂液混合配置的黏稠性和防濾失性等。

2.2 系統(tǒng)配置方案

（1）方案的確定。設(shè)計(jì)人員需要提前設(shè)計(jì)好作業(yè)參數(shù)，通過(guò)控制系統(tǒng)結(jié)合作業(yè)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓裂液液位和粉液配比的自動(dòng)化控制。液位計(jì)根據(jù)罐中的液位信息進(jìn)行收集與分析，可編程控制器按照液位的反饋?zhàn)詣?dòng)控制吸入泵變頻器輸出頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，確保液位可以保持在預(yù)期的范圍值中。電子秤收集罐中的干粉重量情況，吸入流量計(jì)監(jiān)測(cè)吸入流量的變動(dòng)情況，可編程控制器控制喂料機(jī)變頻器的輸出頻率，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，確保粉液配比的合理性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)整體的控制穩(wěn)定性較強(qiáng)，同時(shí)也有著較高的準(zhǔn)確性。操作人員可以通過(guò)人機(jī)界面來(lái)自行設(shè)計(jì)作業(yè)參數(shù)，或是獲得設(shè)備運(yùn)作信息，了解壓裂液施工的具體狀況。此外還可以獲取設(shè)備電氣元件的故障信息，便于及時(shí)進(jìn)行維護(hù)與修理，具體如圖1所示。

圖1 自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件功能性

（2）硬件模塊。壓裂液混配儀器儀表自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件模塊通常由可編程控制器、傳感器、驅(qū)動(dòng)單元等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。變頻器將工頻電源轉(zhuǎn)換為交流電源，從而供給設(shè)備的變速運(yùn)作。變頻器運(yùn)作原理主要通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速和工作電源輸入頻率的正比關(guān)系：

式中：n為轉(zhuǎn)速，r/min；f為輸入頻率，Hz；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率，%；p為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，r/min。

變頻器主要利用轉(zhuǎn)變電動(dòng)機(jī)的工作電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，控制電路能夠?qū)崿F(xiàn)主電路的控制，整流電路能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡绷髦虚g電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路可以再次將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姟?/p>

2.3 系統(tǒng)控制可編程控制器的配置設(shè)計(jì)

PLC是儀器儀表設(shè)計(jì)階段所用的可編程控制器，利用可編程語(yǔ)言以及軟硬件配置設(shè)計(jì)能夠確保壓裂液儀器儀表的功能性得以完善，可以采用cx-one軟件，利用某個(gè)連接點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)各儀器的統(tǒng)一化網(wǎng)絡(luò)通信聯(lián)系。

（1）模塊與硬件結(jié)構(gòu)。PLC是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)，具有較高的靈活性和可靠性，壓裂液混配儀器的自動(dòng)化系統(tǒng)控制層利用交換機(jī)與觸摸屏和變頻器等結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，可編程控制器直接和網(wǎng)絡(luò)以及變頻器進(jìn)行聯(lián)系，這種方式能夠控制變頻電機(jī)的停啟和調(diào)速等，同時(shí)在電機(jī)出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)也可以及時(shí)發(fā)動(dòng)警報(bào)。此外，還可以改善管線的布設(shè)，優(yōu)化控制功能后并不需要將管線布設(shè)重新規(guī)劃或調(diào)整。以太網(wǎng)通信的安全性較高，同時(shí)通信效率也較為優(yōu)異，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用較為普遍。系統(tǒng)設(shè)備層選擇I/O模塊來(lái)進(jìn)行收集及控制，并增設(shè)模擬量輸入模塊，用于液位、電子秤等數(shù)據(jù)的收集。傳感器信號(hào)的反饋能夠作為可編程控制器管控變頻器以及電機(jī)的重要數(shù)據(jù)支持，并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，對(duì)控制效率和控制效力都有著明顯改善。

（2）軟件設(shè)計(jì)思路。壓裂液混配儀器儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠做到全過(guò)程的實(shí)時(shí)化控制，還可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)作狀態(tài)進(jìn)行故障檢測(cè)和警報(bào)功能。該系統(tǒng)具有兩個(gè)自動(dòng)控制軟件結(jié)構(gòu)，一種是液位控制，另一種是粉液配比的控制，可編程控制器在收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息后將其轉(zhuǎn)化為預(yù)設(shè)參數(shù)實(shí)施比對(duì)，然后將比對(duì)結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)傳達(dá)至變頻器，控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，之后繼續(xù)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，直到其結(jié)果達(dá)到要求為止。①液位控制。在排除流量變動(dòng)性較大的狀況下，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)控制泵的轉(zhuǎn)速，確保液位能夠始終處于設(shè)置水平。可編程控制器對(duì)液位的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化檢測(cè)，同時(shí)將液位的實(shí)際值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比對(duì)，若發(fā)現(xiàn)實(shí)際值與設(shè)計(jì)值存在較大差異，如實(shí)際值相對(duì)較低，那么變頻器便會(huì)加快吸入泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，延緩排出泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)這種方式來(lái)升高壓裂液的液位。可編程控制器不斷監(jiān)測(cè)液位的數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行對(duì)比和計(jì)算，通過(guò)控制點(diǎn)及轉(zhuǎn)速的方式來(lái)調(diào)整液位。具體流程如圖2所示。②粉液配比的控制。在吸入單位重量的水中加入適量的干粉，如設(shè)計(jì)配比在0.5%的情況下，需要在1m3的水中添加5kg干粉。電子秤計(jì)量干粉的重量，其單位時(shí)間的重量變化一般為下粉量，而吸入流量計(jì)則主要監(jiān)測(cè)水的流量。可編程控制器收集單位時(shí)間的水流量與下粉量，通過(guò)計(jì)算后能夠得出實(shí)時(shí)配比，和設(shè)置的配比參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，若配比低于預(yù)計(jì)參數(shù)，那么變頻器將會(huì)提高喂料機(jī)轉(zhuǎn)速，并監(jiān)測(cè)傳感器的具體參數(shù)，根據(jù)參數(shù)信息來(lái)分析配比參數(shù)是否達(dá)到預(yù)設(shè)值，若未能達(dá)到，則繼續(xù)提高喂料機(jī)轉(zhuǎn)速，直到配比達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求為止。

圖2 液位控制具體流程

（3）基液的配置。基液配置是壓裂液混配儀器儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，利用基液配置的方式能夠確保之后壓裂液的性能可以達(dá)到要求。對(duì)于自動(dòng)化儀器儀表而言，需要具有配液泵和出液泵、混拌電機(jī)等結(jié)構(gòu)，混拌電機(jī)能夠結(jié)合位置的設(shè)計(jì)來(lái)劃分不同種類，一般設(shè)于儲(chǔ)料設(shè)備上。在可編程控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，需要做好參數(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)劃，在系統(tǒng)界面則需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)配液的總量以及配比需求，水流速度等信息進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，同時(shí)利用儀表進(jìn)行校對(duì)。膠粉重量一般通過(guò)可編程控制器系統(tǒng)與電子秤運(yùn)算得到，最后可以和現(xiàn)場(chǎng)工藝進(jìn)行融合。系統(tǒng)結(jié)合具體參數(shù)設(shè)置來(lái)打開配液池電動(dòng)閥，可編程控制器網(wǎng)絡(luò)利用信道傳輸?shù)姆绞较逻_(dá)指令，混配儀器儀表的配液泵收到指令而打開，使清水流經(jīng)電動(dòng)閥注入射流器中，產(chǎn)生負(fù)壓。在配液泵啟動(dòng)完畢后，大概有3s左右的延時(shí)時(shí)間，能夠啟動(dòng)多臺(tái)混拌螺旋電機(jī)，一般分為上混拌電機(jī)與下混拌電機(jī)，在水流經(jīng)到設(shè)定位置后，啟動(dòng)給料器，在膠粉罐中快速攪拌，從而實(shí)現(xiàn)基液的自動(dòng)配置。

2.4 排出液

在實(shí)現(xiàn)壓裂液混配控制后，需對(duì)其進(jìn)行攪拌，完成既定壓裂液。在可編程控制器系統(tǒng)中，硬件設(shè)計(jì)需要具有攪拌電機(jī)以及排出液泵，利用軟件系統(tǒng)來(lái)控制其運(yùn)作，確保攪拌作業(yè)能夠穩(wěn)定完成。攪拌部分需要通過(guò)系統(tǒng)觸控功能或設(shè)備操作柜進(jìn)行管控，加入特定的添加劑，使得壓裂液最高液面比葉輪啟動(dòng)裝置要高。在自動(dòng)化系統(tǒng)控制上，可以利用儀器實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)測(cè)定相關(guān)要求，在攪拌完畢后則需要關(guān)閉攪拌電機(jī)，其中一部分排出液需要通過(guò)排液泵和電動(dòng)開關(guān)閥來(lái)控制，排出液還要和液罐車連接，利用電動(dòng)開關(guān)閥來(lái)調(diào)節(jié)流量。

3 結(jié)束語(yǔ)

在油田生產(chǎn)過(guò)程中，儀器儀表的自動(dòng)化設(shè)計(jì)是其未來(lái)發(fā)展的主要趨向，同時(shí)儀器儀表的自動(dòng)化水平和有關(guān)技術(shù)也在不斷提高，這也為油田的生產(chǎn)提供了有利的條件。傳統(tǒng)的壓裂液配置由于人為參與和影響較大，因此存在精度方面的問(wèn)題，而自動(dòng)化設(shè)計(jì)則能夠確保系統(tǒng)運(yùn)作的效率性和精準(zhǔn)性，使油田生產(chǎn)的綜合效益得到保障。