一種應(yīng)用于干混設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷彪 LEI Biao

（中海油服油田化學(xué)事業(yè)部，天津300450）

0 引言

伴隨著石油工業(yè)的發(fā)展，石油鉆采中鉆井的深度越來越深，鉆采的難度也越來越大。為了盡可能保證油井的質(zhì)量，工業(yè)對石油鉆采工藝中油井的加固提出了更高的要求。其固井質(zhì)量的好壞，不僅關(guān)系到后續(xù)油井的使用，與石油的開采，還會(huì)對油井使用壽命的長短造成直接影響。這其中，作為固井工藝使用的直接原材料，固井水泥與添加劑的攪拌混合方式，主要包括干混和濕混兩種形式。而相對于濕混來說，油井水泥的干混攪拌雖然流動(dòng)性較差，但比較適合大劑量的固井水泥漿的運(yùn)用，且方便運(yùn)輸，同時(shí)又能很好的保證水泥漿體系各項(xiàng)原材料與添加劑的特性，從而被廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)階段的油井水泥干混設(shè)備中，隨著PLC控制系統(tǒng)與FIX監(jiān)控程序的引入與應(yīng)用，使油井水泥的干混攪拌初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，并具有很高的可靠性。但由于目前干混設(shè)備的控制系統(tǒng)智能化程度較低，且設(shè)備狀態(tài)的信息的共享程度較差，同時(shí)缺乏對于干混參數(shù)的精確設(shè)置與記錄。進(jìn)而使得很多干混設(shè)備生產(chǎn)出的油井水泥，無法真正的應(yīng)用到原油生產(chǎn)當(dāng)中?；诖耍疚膶τ途喔苫煸O(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化、設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一套具有干混過程監(jiān)控、記錄、控制以及通信的程序。并對該系統(tǒng)下設(shè)備生產(chǎn)出的油井水泥質(zhì)量進(jìn)行檢測，以探究本文所設(shè)計(jì)是否能夠解決上述所提問題。以期為相關(guān)工作人員或單位的生產(chǎn)建設(shè)提供技術(shù)幫助。

1 油井水泥混拌系統(tǒng)的概述

1.1 油井水泥干混設(shè)備及其混拌原理

油井水泥干混設(shè)備作為石油鉆采固井環(huán)節(jié)中的重要裝置，是石油工業(yè)中最常用到的設(shè)備之一，其作用主要用于將固井水泥漿與特定添加劑的均勻混合與攪拌。干混設(shè)備混合能力的高低，直接會(huì)對后續(xù)固井作業(yè)的工程質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。關(guān)于油井水泥干混設(shè)備，其理論基礎(chǔ)是氣力的輸送，在水泥漿的攪拌與混合中，主要表現(xiàn)為物料存儲(chǔ)、混拌與散化，三個(gè)方面的功能。因此，油井水泥的混拌系統(tǒng)主要是由儲(chǔ)存系統(tǒng)、混拌系統(tǒng)與散化系統(tǒng)三部分構(gòu)成，如圖1，為干混攪拌系統(tǒng)的總生產(chǎn)工藝流程圖。

圖1 干混設(shè)備總生產(chǎn)流程圖

1.2 油井水泥控制系統(tǒng)

油井水泥的控制系統(tǒng)是設(shè)計(jì)人員針對固井作業(yè)的水泥干混工序，研究、開發(fā)的干混攪拌自動(dòng)控制與生產(chǎn)管理系統(tǒng)，其主要包括工業(yè)計(jì)算機(jī)與穩(wěn)定的PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)兩部分。在具體的固井作業(yè)工藝中，干混設(shè)備控制系統(tǒng)根據(jù)其功能與干混攪拌設(shè)備的生產(chǎn)流程，可劃分為以下幾個(gè)部分組成，即：原材料預(yù)制設(shè)備及其控制系統(tǒng)、配料攪拌設(shè)備及其控制系統(tǒng)、成品儲(chǔ)存和運(yùn)輸設(shè)備及其控制系統(tǒng)三部分。各部分設(shè)備由相應(yīng)的PLC控制系統(tǒng)單獨(dú)控制，然后再由工業(yè)PC進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析、匯總，并進(jìn)一步處理和命令。進(jìn)行集散式的管理與監(jiān)控。

2 油井水泥干混制備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

整個(gè)油井水泥干混控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩大程序組成。其中由6臺(tái)HC900控制器組成油井水泥干混控制系統(tǒng)的下位機(jī)；由4臺(tái)現(xiàn)場操作站、1臺(tái)工程師操作站和4臺(tái)服務(wù)器組成的上位機(jī)。上下位機(jī)間利用電纜環(huán)網(wǎng)的方式進(jìn)行連接。在上位機(jī)中的工程師操作站下需要對6臺(tái)HC900控制站上傳的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，通常在本設(shè)計(jì)中會(huì)另外設(shè)計(jì)出一個(gè)備用工程師操作工位，以便應(yīng)對突發(fā)狀況。因此，本設(shè)計(jì)中油井水泥干混控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 本文設(shè)計(jì)的油井水泥干混控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念圖

針對油井水泥干混控制系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)中，為保障編寫程序具有高度的兼容性與規(guī)范性，將使用HoneyWell組態(tài)軟件進(jìn)行主體程序的編寫與試運(yùn)行[1]。在該部分中需要重點(diǎn)明確油井水泥干混控制系統(tǒng)下的各個(gè)命令段設(shè)計(jì)目標(biāo)，如干混過程中的啟動(dòng)、運(yùn)行、數(shù)據(jù)監(jiān)測以及停止等操作命令，而且控制程序中應(yīng)當(dāng)還具有對運(yùn)行參數(shù)信息進(jìn)行更改等功能。通過安裝在干混設(shè)備中的各種傳感器的方式來獲取設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的安全連鎖、遠(yuǎn)程控制以及緊急保護(hù)等安全防范措施的監(jiān)控[2]。在該系統(tǒng)下設(shè)備能夠?qū)τ途喔苫旎顒?dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行記錄，并將記錄的數(shù)據(jù)上傳至控制程序的終端，技術(shù)人員可通過調(diào)取終端信息的方式將油井水泥干混活動(dòng)的各種狀態(tài)信息進(jìn)行打印，但是由于HoneyWell軟件無法提供一種符合常規(guī)報(bào)表的表格形式，因此需要利用組態(tài)軟件的方式來為HoneyWell軟件提供必要的VBA腳本編輯功能，將其記錄的數(shù)據(jù)以Excel的格式進(jìn)行輸出。該部分的操作程序如圖3。

圖3 操作程序

將PP加入該程序并把記錄的數(shù)據(jù)寫入到Excel表格中的相對位置處，即可解決HoneyWell軟件之間無法輸出常規(guī)報(bào)表的問題。

2.2 下位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)油井水泥干混控制系統(tǒng)的下位機(jī)控制程序同樣以HoneyWell軟件為基礎(chǔ)，對HC900控制站進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。對HC900程序的常規(guī)設(shè)計(jì)分為三種，即結(jié)構(gòu)化編程設(shè)計(jì)、梯形圖編程設(shè)計(jì)以及模塊化編程設(shè)計(jì)，考慮到本文所設(shè)計(jì)的油井水泥干混系統(tǒng)的實(shí)際情況，將選取模塊化編程作為下位機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)[3]。首先，需要對每個(gè)控制站的通信數(shù)據(jù)初始化，并分別將下位機(jī)中六臺(tái)HC900控制站與上位機(jī)中操作站服務(wù)器進(jìn)行銜接。其次，還需要構(gòu)建六臺(tái)HC900控制站與組態(tài)軟件間的通信通道，借助以太網(wǎng)通信模塊的方式下分8個(gè)IP地址，并分別對8個(gè)IP地址進(jìn)行ping操作若請求通信命令運(yùn)行成功便可對六臺(tái)HC900控制站的通信參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)置，以此來實(shí)現(xiàn)油井水泥干混設(shè)備各階段的協(xié)同操作，提高油井水泥干混的操作流暢性。

3 控制系統(tǒng)下油井水泥干混的質(zhì)量檢驗(yàn)

3.1 微觀結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)下油井水泥干混質(zhì)量是否能夠達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，將以某特種水泥生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的G級油井水泥作為實(shí)驗(yàn)檢測對象，通過某公司生產(chǎn)的高效氣流分級機(jī)對該油井水泥進(jìn)行分級處理，從而制備出粗料產(chǎn)品G1與G2和超細(xì)油井水泥G-1與G-2，并將G1與G2粗料油井水泥按照一定比例與未分級的G級油井水泥進(jìn)行混合，進(jìn)而得出合格油井水泥產(chǎn)品G1與G2[4]。通過激光粒度儀的方式對上述設(shè)計(jì)設(shè)備生產(chǎn)的油井水泥進(jìn)行測試，然后對合格油井水泥產(chǎn)品G1與G2和G級油井水泥顆粒級配。最后利用X射線衍射儀對油井水泥干混微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)[5]。

3.2 物理性質(zhì)檢驗(yàn)

針對上述控制系統(tǒng)生產(chǎn)的油井水泥干混材料進(jìn)行物理性質(zhì)的測定。以油井水泥的流動(dòng)程度為基準(zhǔn)設(shè)定水灰比，然后將上述7種油井水泥調(diào)配制為水泥漿，該水泥漿需要以GB/T10238—2015為參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行油井水泥調(diào)配的稠化時(shí)間與初稠測試控制[6]。并將調(diào)配好的水泥漿倒入模板中，使其可以在45℃的環(huán)境條件下進(jìn)行凝固，且分別需要養(yǎng)護(hù)8h、24h和72h。等待水泥漿完全凝固之后使用壓力機(jī)對其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)[7]。

4 檢驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 粒徑大小對水泥漿基本性能的影響

將上述檢驗(yàn)操作得出的數(shù)據(jù)結(jié)果匯總與表1中所示。從表1中檢驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠得出[8]，油井水泥的基本性能與制備的水泥粒徑有直接關(guān)系，當(dāng)制備的油井水泥細(xì)化程度越高，調(diào)配的水灰比和初稠程度將會(huì)隨之增大，降低水泥漿稠化的時(shí)間。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因在于，制備的油井水泥顆粒越細(xì)，其單體的表面積與體積的比值將會(huì)越大，當(dāng)進(jìn)行油井水泥的調(diào)配時(shí)水泥分子與水分子接觸反應(yīng)的時(shí)間就會(huì)越迅速，使水泥間分子鏈得以相互搭接，從而降低泥漿的流動(dòng)性，加速油井水泥的稠化時(shí)間。[9]

表1 對不同粒徑油井水泥的調(diào)和性質(zhì)檢測

發(fā)現(xiàn)G1、G2漿體在進(jìn)行流動(dòng)度檢測的過程中出現(xiàn)游離水的現(xiàn)象，并在靜置一段時(shí)間之后漿體還產(chǎn)生明顯的固液分層現(xiàn)象。通過分析得知，該現(xiàn)象主要是因水泥經(jīng)分級處理之后粗細(xì)兩種比例的油井水泥存在較大的間隙，進(jìn)而導(dǎo)致固液分離的現(xiàn)象發(fā)生，使得油井水泥在進(jìn)行調(diào)配時(shí)保水性能會(huì)出現(xiàn)下降，游離液會(huì)在靜止階段不斷析出，從而造成漿體分離和漿體稠化時(shí)間延長的現(xiàn)象。[10]

4.2 粒徑大小對水泥漿強(qiáng)度的影響

在室壓下分別對上述型號的油井水泥干混強(qiáng)度進(jìn)行測試，測試溫度分別為45℃和60℃。從測試數(shù)據(jù)中能夠看出，在同等溫度條件下調(diào)配水灰比為0.45時(shí)，G級油井水泥試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷?qiáng)度會(huì)高于G1、G2、G1和G2的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷?qiáng)度，其中G1模型強(qiáng)度最低，而G1和G2的模型強(qiáng)度基本相同。在確?；旌虾蟮乃酀{具有合適的流動(dòng)度條件下，對G-1和G-2兩種水灰比為0.83和1.05的超細(xì)油井水泥模型進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測，結(jié)果顯示G-1和G-2兩種超細(xì)油井水泥模型的抗壓能力明顯低于0.45水灰比下其它幾種油井水泥干混制備的模型強(qiáng)度。[11]

4.3 不同粒徑對油井水泥顆粒分布的影響

將G級油井水泥與分級且經(jīng)過干混處理的油井水泥漿顆粒分布情況通過曲線圖（如圖4所示）的方式進(jìn)行表示，并將不同級別油井水泥漿下體積密度特征值用曲線圖4表示。

圖4 不同級別油井水泥體積密度特征分布曲線

由圖4和表2中數(shù)據(jù)信息能夠看出，油井水泥漿粒徑大小為10μm附近的超細(xì)油井水泥完全可以通過0.25mm的窄小縫隙，且實(shí)際通過量是未經(jīng)過分級處理G級油井水泥的5倍，由該級別油井水泥形成的隔絕層會(huì)具有較高的穩(wěn)定性和流動(dòng)性，且在無震蕩的條件下不會(huì)析水，因此可得出該級別的油井水泥還具有較高的防滲固結(jié)作用。另外，由表2中數(shù)據(jù)可知，將該粒級的油井水泥通過干混制備可以滿足多種微細(xì)間隙或者小孔徑井的固井作業(yè)，與其它級別的油井水泥相比可以適用于更多的施工領(lǐng)域。[12]

表2 不同級別油井水泥體積密度特征值μm

5 結(jié)語

通過對上述干混控制系統(tǒng)生產(chǎn)的油井水泥質(zhì)量檢測試驗(yàn)可知，經(jīng)干混制成的G1和G2級油井水泥無論是從水泥漿的顆粒分布角度出發(fā)，還是從粒徑分布特征值角度出發(fā)都可以證明，本文設(shè)計(jì)的干混控制系統(tǒng)生產(chǎn)的G1和G2油井水泥能夠與G級油井水泥媲美。因此，可以佐證本文設(shè)計(jì)的干混設(shè)備控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對油井水泥的精細(xì)化分級控制，具有較高的設(shè)計(jì)研發(fā)性與質(zhì)量控制性，可以為相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)或使用單位提供幫助。