加重鉆井液快速混配自動(dòng)控制系統(tǒng)研制

盧 晨，劉 燕

中國石化石油工程機(jī)械公司第四石油機(jī)械廠 （湖北 荊州 434023）

在氣井鉆開儲(chǔ)層時(shí)，極易發(fā)生井噴事故，采用加重鉆井液快速壓井是確保鉆井作業(yè)安全的必備手段。目前井隊(duì)大部分采用儲(chǔ)備加重鉆井液的方式，儲(chǔ)備鉆井液的配制均采用鉆機(jī)固控系統(tǒng)的鉆井液配液裝置進(jìn)行混配，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。2011年研制成功了加重泥漿的混配裝置[1]，并于2011年底及2012年初進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置可以連續(xù)、快速的混配鉆井液，設(shè)備應(yīng)用良好；但在設(shè)備作業(yè)過程中，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，混配的加重鉆井液密度波動(dòng)較大。該裝置由于采用手動(dòng)控制，操作人員通過觀察密度計(jì)的測量密度，手動(dòng)調(diào)節(jié)下灰閥的閥位開度以控制下灰量，或者通過調(diào)節(jié)基漿進(jìn)口閥的閥位開度控制基漿流量，或者2個(gè)閥一起調(diào)節(jié)，來控制混配密度以接近于目標(biāo)密度，操作人員要不停的調(diào)節(jié)2個(gè)閥，還要觀察混合罐液位，操作勞動(dòng)強(qiáng)度較大，混配的加重鉆井液密度均勻度也有限。為了減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升裝置混漿密度的均勻性，為混配裝置研制了一套自動(dòng)混漿系統(tǒng)，以用來自動(dòng)控制混配加重鉆井液的密度及混合罐液位[2]。

1 工作原理

灰罐里的粉狀加重劑通過壓縮空氣沿管線輸送到拖拉多混合器上端的下灰蝶閥，基礎(chǔ)鉆井液或基漿（水）通過砂泵排出口的蝶閥進(jìn)入噴射泵，加壓后形成高速流體進(jìn)入拖拉多混合器。當(dāng)下灰蝶閥開啟，高速流體在拖拉多混合器內(nèi)產(chǎn)生的渦流形成的真空，還可以幫助從下灰蝶閥吸入的粉狀加重劑與高速流體進(jìn)行混合?；旌虾笠簼{叫加重漿或重漿，由排出蝶閥排出。通過混合器罐頂?shù)某暡ㄒ何粰z測反饋，以及吸入口蝶閥、排出口蝶閥的開度可以穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)進(jìn)液量和排出量的輸入輸出，用以穩(wěn)定混合罐內(nèi)的加重漿至所需要的液位，從而避免發(fā)生液體吸空和溢出的情況。

自動(dòng)混漿控制系統(tǒng)是由安裝在循環(huán)管路的密度計(jì)來實(shí)時(shí)采樣反饋[3]，以控制基漿蝶閥、下灰蝶閥的開度來調(diào)節(jié)密度達(dá)到或趨于需要的設(shè)定值[4]。由于混漿控制系統(tǒng)中，密度的確定與基漿和加重劑的進(jìn)入速度，流量大小，攪拌速度，及壓縮空氣的壓力等系列不可控因素有密切關(guān)系，直接運(yùn)算與推導(dǎo)具有很多的不可確定性。故以經(jīng)典的PID控制為主要運(yùn)算反饋控制方式，這樣做的好處是我們只需要關(guān)注混漿系統(tǒng)的輸入與輸出，并根據(jù)輸出穩(wěn)態(tài)誤差與超調(diào)趨勢去負(fù)向調(diào)節(jié)輸入量，而無需關(guān)注混漿本身的諸多不可控因素。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)指標(biāo)

①基漿吸入量：范圍(0.000～9.999)m3/min；精度：±0.2%+傳感器誤差；②重漿排出量：范圍：(0.000～999.9)m3/min；精度：±0.2%+傳感器誤差；③重漿密度：范圍：(0.000～3.000)g/cm3；精度：±0.1%+傳感器誤差；④混漿灌相對(duì)液位：范圍：(0.0～100.0)%；精度：±2.5%+傳感器誤差；⑤基漿吸入蝶閥角度：范圍：(0～90)°；精度：±0.2%+傳感器誤差；⑥下灰蝶閥角度：范圍：(0～90)°；精度：±0.2%+傳感器誤差；⑦重漿排出蝶閥角度：范圍：(0～90)°；精度：±0.2%+傳感器誤差。

3 自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)

加重泥漿快速混配全自動(dòng)控制系統(tǒng)是由工業(yè)計(jì)算機(jī)上位、單片機(jī)控制單元、檢測傳感器、閥門閾度執(zhí)行器件、操作手柄與輸入按鍵5大部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)

各種檢測傳感器負(fù)責(zé)對(duì)需要檢測的參數(shù)實(shí)施實(shí)時(shí)檢測，包括基漿吸入量、重漿排出量、混漿罐相對(duì)液位、重漿密度、基漿吸入碟閥手控量、下灰碟閥手控量、重漿排出碟閥手控量、基漿吸入碟閥角度、下灰碟閥角度、重漿排出碟閥角度、基漿吸入碟閥控制、下灰碟閥控制、重漿排出碟閥控制、基漿吸入泵電機(jī)電流、攪拌泵電機(jī)電流、循環(huán)泵電機(jī)電流、重漿排出泵電機(jī)電流、循環(huán)泵電機(jī)電流。這些參數(shù)有些對(duì)控制負(fù)反饋循環(huán)有直接作用，有些直接上傳給上位機(jī)做顯示參考用（參數(shù)量見圖1）。

各種控制執(zhí)行器件負(fù)責(zé)根據(jù)控制命令執(zhí)行對(duì)需要控制的部件實(shí)施控制，包括基漿吸入碟閥、下灰碟閥、重漿排出碟閥、基漿吸入泵電機(jī)、攪拌泵電機(jī)、循環(huán)泵電機(jī)、重漿排出泵電機(jī)、中繼泵電機(jī)。

集成化的單片機(jī)控制單元負(fù)責(zé)根據(jù)工業(yè)計(jì)算機(jī)終端的命令與系統(tǒng)設(shè)置、各種檢測傳感器的實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)，計(jì)算后給各種控制執(zhí)行器件發(fā)送控制命令，并將各種檢測傳感器的檢測數(shù)據(jù)與各種控制執(zhí)行器件的控制狀態(tài)發(fā)送給工業(yè)計(jì)算機(jī)終端。工業(yè)計(jì)算機(jī)終端負(fù)責(zé)接收操作手柄與按鍵的操作命令并顯示各種檢測傳感器的檢測數(shù)據(jù)與各種控制執(zhí)行器件的控制狀態(tài)。

系統(tǒng)硬件全部采用模塊化設(shè)計(jì)、模塊更換可在5min內(nèi)完成，并且允許熱插拔；系統(tǒng)硬件采用全熱備份冗余設(shè)計(jì)；系統(tǒng)軟件全程自檢，故障模塊可以在10s內(nèi)剔出運(yùn)行、報(bào)警并指示故障部位；將設(shè)備操作工藝集成入系統(tǒng)，保證設(shè)備安全。

4 控制流程與算法

在混漿控制整個(gè)過程中，有2個(gè)設(shè)定參數(shù)是需要PID反饋控制的SP參數(shù)，一個(gè)是重漿在混合罐內(nèi)的液位；另一個(gè)便是重漿密度。 重漿混配的質(zhì)量是由控制重漿密度來保證的，重漿密度通過下灰蝶閥和基漿蝶閥閾度，重漿排出蝶閥的角度控制來調(diào)節(jié)，控制基于串級(jí)PID反饋控制算法；重漿混配速度（在一定液位下）通過調(diào)節(jié)重漿排出蝶閥的角度來控制，控制基于PID反饋控制算法。

1）重漿排出蝶閥控制與混合罐液位高度、下灰蝶閥開度的關(guān)系：

重漿排出蝶閥控制量＝A＋（混合罐液位高度/混合罐高度）×K×B；

重漿排出蝶閥控制周期：Ts=600ms。

其中：A為重漿排出蝶閥控制量0點(diǎn)基數(shù)；B為重漿排出蝶閥控制量最大值；K為控制系數(shù)。

下灰蝶閥控制量在0～25%時(shí)K=2.0；下灰蝶閥控制量在25%～50%時(shí)K=1.5；下灰蝶閥控制量在50%～75%時(shí)K=1.0；下灰蝶閥控制量在75%～100%時(shí)K=0.5。

混合罐液位高度：由混合罐液位傳感器檢測輸入；混合罐高度：設(shè)備常量參數(shù)，用戶設(shè)置。

當(dāng)設(shè)定了重漿排出量與液位高度后，系統(tǒng)實(shí)際上將液位做為SP（設(shè)定值）；保持液位在一定程度上波動(dòng)的情況下，當(dāng)人為設(shè)置排出量增加或減少時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)超聲波探測器探測的液位高度來自動(dòng)調(diào)節(jié)基液進(jìn)口閥門的閾度；通過閥門調(diào)節(jié)使得排出與輸入在液位（PV）過程輸出值上與設(shè)定值趨于一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差范圍內(nèi)，并通過積分原理逐步逼近SP值，消除誤差。在控制原理上來講，干擾液位的主要來源是排出口的快速變化導(dǎo)致的液位線性增減，類同于PID二階系統(tǒng)的斜坡響應(yīng)。

2）下灰蝶閥控制與重漿密度的關(guān)系：

下灰蝶閥控制量＝下灰蝶閥上周期控制量＋下灰蝶閥控制增量；

下灰蝶閥控制增量＝(EB0－EB1)×KBP＋(EB0+EB1)KBP/KBI＋(EB0－2×EB1＋EB2)×KBP×KBD；

下灰蝶閥控制周期：=1 000ms；

其中：KBP為密度控制比例值；KBI為密度控制值積分；KBD為密度控制微分值；EB0為本周期密度誤差值；EB1為上周期密度誤差值；EB2為上上周期密度誤差值。

密度誤差值 ＝密度實(shí)際采集值－密度控制目標(biāo)值；密度實(shí)際采集值由密度傳感器檢測輸入；密度控制目標(biāo)值（SP）為重漿混配質(zhì)量參數(shù)，用戶現(xiàn)場設(shè)置。

密度控制的流程建立在液位控制基礎(chǔ)上。由于需要保持重漿在一定的水平液位上，基漿需要不斷補(bǔ)充由重漿排出導(dǎo)致的液位下降，勢必造成密度曲線性降低。因此以密度計(jì)為反饋信號(hào)的密度控制，建立在以液位為控制對(duì)象的基礎(chǔ)上。在控制聯(lián)級(jí)上成PID串聯(lián)控制，方框圖見圖2。

圖2 串聯(lián)的PID控制方框圖

密度PV（過程值）回饋給程序[5]，檢視回饋過程值與設(shè)定值之間的偏差，繼而加大或減小下灰閥閾值。由串聯(lián)PID控制的方法同時(shí)可以滿足液位與密度的調(diào)節(jié)需要。同時(shí)這兩個(gè)互相作用的因素也因PID的調(diào)節(jié)作用保持一定的范圍波動(dòng)。

3）基漿吸入蝶閥控制與混合罐液位高度的關(guān)系：

基漿吸入蝶閥控制量＝基漿吸入蝶閥上周期控制量＋基漿吸入蝶閥控制增量；

基漿吸入蝶閥控制增量＝（EA0－EA1）×KAP＋(EA0＋EA1)KAP/KAI＋(EA0－2×EA1＋EA2）×KAP×KAD；

基漿吸入閥控制周期=600ms。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

2013年1月，該裝置在江漢油田進(jìn)行了第二次工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)混配加重鉆井液180m3，基漿密度1.1g/cm3，加重后鉆井液密度要求1.8g/cm3，加入重晶石粉100t，裝置連續(xù)工作時(shí)間40min，完成了加重鉆井液的混配工作，密度為1.89～1.91g/cm3，作業(yè)過程中三套自動(dòng)控制的蝶閥調(diào)整良好，液位傳感器工作正常，操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度降低。取得了較好的效果。

6 結(jié)論

加重泥漿快速混配設(shè)備經(jīng)過3年的研制，通過4次現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)的檢驗(yàn)，該設(shè)備布局合理，操作方便，作業(yè)壓力高，排量大，混漿能力強(qiáng)，混合密度均勻，極大的提高了鉆井液加重的速度，整機(jī)性能先進(jìn)，工作可靠。尤其是后配套的自動(dòng)控制系統(tǒng)，不但減少了人力成本，避免人員手工參與控制工作，同時(shí)工藝的連貫性也得到了保證，重漿生產(chǎn)隨需隨配，控制人員只需要熟練操作設(shè)備即可。生產(chǎn)出的加重漿體密度比手工明顯均勻，密度波動(dòng)可以保持在一個(gè)靜態(tài)范圍內(nèi)，隨著工藝精度的需要，可以人為上位調(diào)節(jié)比例積分和微分，確保系統(tǒng)在規(guī)定的響應(yīng)時(shí)間達(dá)到穩(wěn)態(tài)范圍。

[1]劉燕,余旭陽，秦赟.加重鉆井液快速混配裝置的研制[J].石油機(jī)械,2013，41（1）：24-26.

[2]白旭東.鉆井液加重裝置的研制[J].機(jī)械工程師,2010（3）：129-130.

[3]柴占文,牟長清,侯召坡,等.4000m低溫車載鉆機(jī)固控系統(tǒng)的研制[C]∥2011年石油裝備學(xué)術(shù)研討會(huì)論文專輯.

[4]張杰,柴占文,常亮,等.低溫鉆機(jī)固控系統(tǒng)保溫研究[J].石油礦場機(jī)械,2012,41（6）：33-37.

[5]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2011.