基于PLC的壓裂液連續(xù)混配車自動控制系統(tǒng)研究

李 磊 （四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州434024）

目前，我國各大油田水基壓裂液的配制主要采用提前在配液池 （罐）內(nèi)按比例批量加入水、瓜爾膠粉、液體添加劑，然后進(jìn)行攪拌、循環(huán)、靜置等步驟，當(dāng)瓜爾膠粉在水中溶脹達(dá)到一定粘度后，才會供給壓裂施工使用。傳統(tǒng)的配液過程大多依靠人工操作，勞動強(qiáng)度大、時(shí)間長且混合不均勻，容易產(chǎn)生水包粉現(xiàn)象 （俗稱 “魚眼”），造成壓裂液粘度不均勻。壓裂液是壓裂施工的基礎(chǔ)保證，如果它質(zhì)量不好，將直接危害到油氣層壓裂施工，容易造成事故。另外，如果提前配制的壓裂液不能被及時(shí)使用，將會腐壞變質(zhì)，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。鑒于此，筆者對壓裂液連續(xù)混配車自動控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并應(yīng)用于作業(yè)現(xiàn)場，較好地解決了傳統(tǒng)壓裂液配制中存在的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

壓裂液連續(xù)混配車自動控制系統(tǒng)以可編程控制器 （Programmable Logic Controller，PLC）為核心，充分利用可編程控制器配置靈活、控制方便和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)配備了高精度的傳感器和可靠的控制單元，PLC在采集了現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)后，將其作為反饋與預(yù)設(shè)的參數(shù)進(jìn)行對比計(jì)算，然后輸出信號調(diào)節(jié)控制單元，再進(jìn)行對比計(jì)算，直到符合要求，最終實(shí)現(xiàn)液位的自動控制，并大幅提高瓜爾膠液、液體添加劑的配比精度和控制速度，使連續(xù)混配、即配即壓成為可能［1］。此外，混配車自動控制系統(tǒng)標(biāo)配人機(jī)界面進(jìn)行本地監(jiān)控，也可選配遠(yuǎn)程人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)，控制系統(tǒng)還可以連接數(shù)據(jù)采集器（或無線數(shù)據(jù)采集器），用來記錄、存儲施工數(shù)據(jù)，并可生成報(bào)表、曲線等進(jìn)行打印。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 混配車自動控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

混配車自動控制系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先在人機(jī)界面上設(shè)置的作業(yè)參數(shù)自動進(jìn)行瓜爾膠液配比控制，液體添加劑配比控制以及液位自動控制。現(xiàn)場傳感器采集瓜爾膠粉的重量變化，吸入／排出流量計(jì)的流量變化，液體添加劑的流量變化以及罐內(nèi)液位的變化，這些變化作為反饋輸入到可編程控制器中，然后與預(yù)設(shè)的瓜爾膠液配比參數(shù)、液體添加劑配比參數(shù)和液位參數(shù)進(jìn)行對比計(jì)算，自動調(diào)節(jié)電控元器件的工作狀態(tài)，即調(diào)節(jié)喂料機(jī)、吸入泵和液體添加劑泵的轉(zhuǎn)速，保證混配車能夠按照預(yù)設(shè)的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行作業(yè)，準(zhǔn)確控制配液的各個(gè)環(huán)節(jié)，確保按比例、按順序的在水中均勻加入瓜爾膠粉和液體添加劑，自動液位控制能夠增加瓜爾膠液在罐內(nèi)的滯留時(shí)間，保證瓜膠粉充分溶脹，提高壓裂液出口粘度，系統(tǒng)在排出口可配置在線粘度計(jì)，用來采集粘度信號，可實(shí)時(shí)監(jiān)測壓裂液的混配質(zhì)量［2］。自動控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2．2 混配車自動控制系統(tǒng)構(gòu)成

混配車自動控制系統(tǒng)由人機(jī)界面、遠(yuǎn)程人機(jī)界面、可編程控制器、交換機(jī)、現(xiàn)場傳感器 （吸入流量計(jì)，排出流量計(jì)，液體添加劑流量計(jì)，電子秤，液位計(jì)，粘度計(jì)），控制單元 （吸入泵，液體添加劑泵，喂料機(jī)）、數(shù)據(jù)采集器和無線數(shù)據(jù)采集器等構(gòu)成。它們的配置，保證了操作人員通過人機(jī)界面就能設(shè)置作業(yè)參數(shù)，并能了解設(shè)備的運(yùn)行情況，掌握施工的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些都是設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行的保證［3］。自動控制系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖2所示。

3 可編程控制器配置及軟件設(shè)計(jì)

3．1 通訊及模塊組成

可編程控制器是自動控制系統(tǒng)的核心，具有可靠性高，編程靈活簡單的突出優(yōu)點(diǎn)，成為了機(jī)電一體化的連接橋梁。壓裂液連續(xù)混配車自動控制系統(tǒng)選用的是美國Allen-Bradley公司的500系列可編程控制器，它在中小型控制系統(tǒng)里應(yīng)用廣泛，性能穩(wěn)定。壓裂液連續(xù)混配車需要在現(xiàn)場與壓裂設(shè)備連接進(jìn)行配套作業(yè)，為了保證現(xiàn)場施工實(shí)時(shí)、連續(xù)、穩(wěn)定，系統(tǒng)必須選用快速穩(wěn)定的通訊方式。系統(tǒng)控制層采用了以太網(wǎng)通訊，通過交換機(jī)連接人機(jī)界面、遠(yuǎn)程人機(jī)界面、可編程控制器、數(shù)據(jù)采集器等，它具有穩(wěn)定可靠、通信速率高、擴(kuò)展方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于過程自動化控制領(lǐng)域。系統(tǒng)設(shè)備層直接采用I／O模塊進(jìn)行采集和控制，配置了模擬量輸入模塊，用來采集液位、電子秤、粘度信號；高速計(jì)數(shù)模塊，用來采集吸入流量、排出流量、液體添加劑流量；模擬量輸出模塊，用來調(diào)節(jié)吸入泵轉(zhuǎn)速、液體添加劑泵轉(zhuǎn)速、喂料機(jī)轉(zhuǎn)速［4］。

圖1 混配車自動控制系統(tǒng)硬件功能結(jié)構(gòu)圖

圖2 混配車自動控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

3．2 軟件流程設(shè)計(jì)思路

壓裂液連續(xù)混配車有3個(gè)重要的自動控制部分，分別是瓜爾膠液配比控制、液體添加劑配比控制及液位自動控制。

1）瓜爾膠液配比控制 其指在吸入單位體積的清水中按比例添加一定重量的瓜爾膠粉。電子秤計(jì)量瓜爾膠粉重量，采用失重法計(jì)量下粉量 （減少的瓜爾膠粉重量為下粉量），吸入流量計(jì)計(jì)量清水流量，單位時(shí)間的下粉量和清水流量的比值即為瓜爾膠液配比。可編程控制器實(shí)時(shí)采集以上各量，經(jīng)過配比計(jì)算后與設(shè)置的配比參數(shù)進(jìn)行對比，如果不符合要求，將調(diào)節(jié)喂料機(jī)轉(zhuǎn)速，然后再進(jìn)行配比對比，直到符合要求；如果符合要求，將維持不變［5］。

2）液體添加劑配比控制 其指在排出單位體積的瓜爾膠液中按比例添加一定體積的液體添加劑。液添流量計(jì)計(jì)量液體添加劑流量，排出流量計(jì)計(jì)量瓜爾膠液流量，單位時(shí)間的液添流量和瓜爾膠液流量的比值即為液體添加劑配比?？删幊炭刂破鲗?shí)時(shí)采集以上各量，經(jīng)過配比計(jì)算后與設(shè)置的配比參數(shù)進(jìn)行對比，如果不符合要求，將調(diào)節(jié)液添泵轉(zhuǎn)速，然后再進(jìn)行配比對比，直到符合要求；如果符合要求，將維持不變［6］。

3）液位自動控制 其指在排出流量連續(xù)變化的情況下，自動調(diào)節(jié)吸入泵轉(zhuǎn)速，使液位維持在設(shè)置的液位參數(shù)上。吸入流量計(jì)計(jì)量清水吸入流量，排出流量計(jì)計(jì)量瓜爾膠液流量，液位計(jì)計(jì)量液位的實(shí)際高度?？删幊炭刂破魍ㄟ^實(shí)時(shí)采集以上各量，與設(shè)置的液位參數(shù)進(jìn)行對比，如果不符合要求，將調(diào)節(jié)吸入泵轉(zhuǎn)速，然后再進(jìn)行液位對比，直到符合要求；如果符合要求，將維持不變［7］。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

壓裂液連續(xù)混配車首先在長慶油田投入工業(yè)試驗(yàn)，第一次試驗(yàn)采用長慶井下油田助劑公司生產(chǎn)的CJ2-8瓜爾膠粉，瓜爾膠液配比設(shè)置為0．3%，配液總量為28．4m3，瓜爾膠粉總量98kg，配液后剩余12．5kg，配液使用85．5kg，實(shí)際配比0．301%，配比誤差約0．3%，在3m3／min的排量下，清水和瓜爾膠粉混合后大約4min進(jìn)入混砂車，在排出口進(jìn)行取樣化驗(yàn)，溶解率均超過90% （見表1）。

利用該控制系統(tǒng)在長慶油田實(shí)施連續(xù)混配壓裂作業(yè)15井次，配液總量超2000m3，均取得成功。配置的壓裂液外觀均勻透明，無水包粉現(xiàn)象，平均出口粘度達(dá)到了最高粘度的88%，超過了設(shè)計(jì)要求 （出口粘度是最高粘度的85%）。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合現(xiàn)配現(xiàn)壓的設(shè)計(jì)要求，采用壓裂液連續(xù)混配車后，節(jié)約了費(fèi)用，減低了環(huán)境污染，同時(shí)大大縮短施工周期，提高了生產(chǎn)效率。

表1 0．3%CJ2-8現(xiàn)場配液溶解率

［1］黃依理，杜彪，謝璇，等 ．長慶油氣田連續(xù)混配壓裂液 ［J］．油田化學(xué)，2009，26（4）：376-379．

［2］張華、丁勝生，周入剛，等．CSGT-180A壓裂液自動混配車 （橇）的研制 ［J］．石油機(jī)械，2009，37（3）：43-45．

［3］王婷婷，邵克勇 ．水力壓裂混合液砂密度模糊控制方法研究 ［J］．自動化技術(shù)與應(yīng)用，2007，26（10）：45-46．

［4］羅彤彤，盧亞平，李強(qiáng) ．濕法煉銅中瓜爾膠溶液配制設(shè)備 ［J］．有色金屬，2009，61（3）：80-82．

［5］袁世平，李俊文 ．自動調(diào)節(jié)配液裝置及其應(yīng)用 ［J］．水處理技術(shù)，1998，24（2）：99-103．

［6］鄔春學(xué)，李宏魁，雷鳴，等 ．基于PC104計(jì)算機(jī)的車載自動連續(xù)配液系統(tǒng) ［J］．電腦開發(fā)與應(yīng)用，2003，16（5）：31-32．

［7］羅彤彤，盧亞平，潘英民 ．石油壓裂液高效快速混配車工業(yè)試驗(yàn) ［J］．礦冶，2004，13（4）：87-90．