范毅 （長(zhǎng)江大學(xué)文理學(xué)院機(jī)電系，湖北 荊州434023）

李玲玲 （河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘062552）

范紅喜 （中石油華北油田分公司儲(chǔ)氣庫事業(yè)部，河北 任丘062552）

SERVA ACM-V固井作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是針對(duì)油田固井作業(yè)研制的新一代計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于對(duì)固井設(shè)備的作業(yè)進(jìn)行全程實(shí)時(shí)測(cè)控和遠(yuǎn)程管理。SERVA ACM-V固井作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)泥漿泵輸出液體的密度、壓力、排量和清水流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示，并對(duì)作業(yè)中各階段及全過程的累計(jì)排量與累計(jì)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算與實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)可以保存固井作業(yè)過程中的全部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，供隨時(shí)查看與分析作業(yè)質(zhì)量。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)儀表的泥漿泵超壓保護(hù)功能可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)碰壓和超壓保護(hù)，保證作業(yè)質(zhì)量和設(shè)備安全。現(xiàn)場(chǎng)儀表的遠(yuǎn)程功能可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)在后臺(tái)計(jì)算機(jī)上對(duì)固井作業(yè)的全過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)組成和基本原理

SERVA ACM-V全自動(dòng)控制混漿系統(tǒng)由以下幾部分組成：①密度自動(dòng)控制系統(tǒng)；②液位自動(dòng)控制系統(tǒng)；③自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)；④絕對(duì)密度的計(jì)算系統(tǒng)；⑤網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)。

操作員輸入作業(yè)參數(shù)后，按 “自動(dòng)作業(yè)”鍵，控制器根據(jù)工藝流程自動(dòng)啟動(dòng)／停止清水泵和循環(huán)泵，自動(dòng)打開／關(guān)閉清水計(jì)量閥和干灰計(jì)量閥等，并將密度自動(dòng)控制系統(tǒng)和液位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)控制狀態(tài)?？刂破魍ㄟ^MODBUS模塊以通訊方式讀取2個(gè)密度值和泥漿溫度值，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算絕對(duì)密度?？刂破魍ㄟ^網(wǎng)絡(luò)通訊方式讀取發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)箱的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過無線通訊方式將固井作業(yè)數(shù)據(jù)下載到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器通過衛(wèi)星通訊方式傳送到遠(yuǎn)程中控室。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)

2.1 自動(dòng)作業(yè)過程

操作員可以在人機(jī)界面上輸入混漿槽容量，PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，也可以在人機(jī)界面上完成對(duì)流量計(jì)和壓力傳感器等的校準(zhǔn)。操作員在設(shè)置完作業(yè)參數(shù)后，只需按 “自動(dòng)作業(yè)”后再按 “啟／?！辨I，控制器根據(jù)工藝流程自動(dòng)啟動(dòng)／停止清水泵和循環(huán)泵，自動(dòng)打開／關(guān)閉清水計(jì)量閥和干灰計(jì)量閥等，并將密度自動(dòng)控制系統(tǒng)和液位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)控制狀態(tài)。

2．1．1 密度自動(dòng)控制

控制系統(tǒng)對(duì)作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的3種變化做出響應(yīng)：清水流量的變化、設(shè)定密度的變化及干灰傳輸能力的變化。清水流量計(jì)測(cè)量清水流量并將其反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)用這些數(shù)據(jù)來計(jì)算控制器增益和干灰計(jì)量閥的設(shè)定位置。只要清水流量變化，干灰計(jì)量閥都會(huì)在密度值變化前做出響應(yīng)。控制器每秒鐘讀取一次密度值，PID控制算法結(jié)合實(shí)際密度及清水流量來計(jì)算并調(diào)節(jié)干灰計(jì)量閥的開啟度，PID的系數(shù)根據(jù)生產(chǎn)量和混漿槽容量的變化而變化。

操作員通常會(huì)在尾漿末段增加密度設(shè)定，控制器根據(jù)當(dāng)前干灰傳輸能力、當(dāng)前密度及清水流量計(jì)算新的干灰計(jì)量閥閥位值，該閥位值由已知的 “定位”值決定，當(dāng)干灰計(jì)量閥達(dá)到該 “定位”位置后還存在一定偏差時(shí)，PID控制回路開始作用，這時(shí)偏差通常會(huì)達(dá)到最小限度。由于干灰傳輸能力是個(gè)變化量，控制系統(tǒng)需要對(duì)干灰計(jì)量閥的閥位進(jìn)行修正。密度自動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)算實(shí)際干灰傳輸能力，并用該值與設(shè)定干灰傳輸量及排量來計(jì)算新的干灰計(jì)量閥閥位 “定位”值，干灰計(jì)量閥會(huì)再次達(dá)到新的“定位”值。

2．1．2 液位自動(dòng)控制

操作員在作業(yè)開始前設(shè)置一個(gè)設(shè)定液位 （通常該液位設(shè)定后就不需要更改），作業(yè)開始時(shí)液位控制處于手動(dòng)控制狀態(tài)，實(shí)際液位接近設(shè)定液位后再將其設(shè)置為自動(dòng)控制狀態(tài)，液位將很快被控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。混漿作業(yè)完成后，液位自動(dòng)控制應(yīng)該被設(shè)置為手動(dòng)控制狀態(tài)以便排出混漿槽內(nèi)剩余的泥漿。

2.2 數(shù)據(jù)管理方式

2．2．1 預(yù)存多組作業(yè)參數(shù)

SERVA ACM-V控制器預(yù)存了20組作業(yè)參數(shù)，操作員可以根據(jù)需要選擇其中的1組參數(shù)作為作業(yè)參數(shù)，而不需要逐一輸入。如果所需的作業(yè)數(shù)據(jù)沒有預(yù)存，操作員可以在預(yù)存數(shù)據(jù)中的一組對(duì)其加以修改。

2．2．2 絕對(duì)密度的測(cè)量與計(jì)算

為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，SERVA ACM-V系統(tǒng)安裝有2套非放射源密度計(jì)，控制器通過MODBUS模塊以通訊的方式讀取不同位置和不同壓力下的泥漿密度值，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出絕對(duì)密度。人機(jī)界面上顯示有測(cè)量密度、密度偏差和修正密度及一個(gè) “密度修正”按鍵，操作員可以根據(jù)需要來選擇用于控制和計(jì)算的密度。

2．2．3 階段體積的設(shè)計(jì)與顯示

SERVA ACM-V系統(tǒng)提供階段體積設(shè)置屏面，可以輸入階段名稱 （如沖洗液、隔離液、領(lǐng)漿、尾漿及頂替液等）和該階段的設(shè)定泥漿體積，并在運(yùn)行屏面上顯示每個(gè)階段泥漿的實(shí)際體積及進(jìn)程。

2．2．4 檔位設(shè)置

SERVA ACM-V系統(tǒng)提供檔位設(shè)置屏面，用以設(shè)置柱塞泵在不同檔位時(shí)的壓力和流量極限值及輸出馬力極限值，并在運(yùn)行屏面上顯示，操作員可以很直觀地了解當(dāng)前的壓力、流量及輸出馬力情況。

2．2．5 顯示曲線和工藝流程

SERVA ACM-V系統(tǒng)的運(yùn)行屏面顯示了密度曲線、壓力曲線、排量曲線和工藝流程。操作員可以修改每條曲線標(biāo)尺的最大值，控制器采集閥和泵的運(yùn)行／停止反饋信號(hào)并在工藝流程上加以顯示。

2．2．6 數(shù)據(jù)記錄和傳輸

密度、清水流量、排量及大泵壓力等數(shù)據(jù)以一定的時(shí)間間隔存儲(chǔ)控制器中，控制器可以存儲(chǔ)約2h的作業(yè)數(shù)據(jù)，超出存儲(chǔ)容量的數(shù)據(jù)將覆蓋最先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù) （先進(jìn)先出）。作業(yè)數(shù)據(jù)以ASCII格式存儲(chǔ)在控制器中，并可以通過RS232電纜／無線通訊方式下載到PC機(jī)／便攜式數(shù)據(jù)采集器中，下載后的數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)表用以制作報(bào)表或繪制曲線，數(shù)據(jù)采集器通過衛(wèi)星通訊方式傳送到遠(yuǎn)程中控室。專家、企業(yè)管理者、甲方管理者以及其他人員經(jīng)授權(quán)后，都能在自己的辦公室通過辦公電腦實(shí)時(shí)了解固井作業(yè)的實(shí)際情況，使大家都能觀察分析固井作業(yè)質(zhì)量，解決固井作業(yè)中的問題。

3 安全保障措施

SERVA ACM-V系統(tǒng)采用電噴發(fā)動(dòng)機(jī)和電控傳動(dòng)箱，并配置了完備的網(wǎng)絡(luò)通訊部件?？刂破魍ㄟ^網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊實(shí)時(shí)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)箱的系統(tǒng)配置和運(yùn)行參數(shù)，為設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行和維護(hù)保養(yǎng)提供了有力的保障。

4 模擬功能

控制器的模擬功能可用來進(jìn)行操作員培訓(xùn)和系統(tǒng)功能測(cè)試。使用模擬功能，操作員可在不用水泥的情況模擬實(shí)際固井作業(yè)，在不需要增加任何費(fèi)用的情況下提高操作質(zhì)量和技能。在模擬方式下，操作員啟動(dòng)清水，手動(dòng)或自動(dòng)控制干灰計(jì)量閥，控制器讀取閥位反饋值并計(jì)算模擬干灰量?？刂破鞲鶕?jù)清水流量，混漿槽容量、每袋水泥造漿量、每袋水泥需水量及每袋水泥重量計(jì)算模擬實(shí)時(shí)密度值。

5 結(jié)語

1）SERVA ACM-V全自動(dòng)控制混漿系統(tǒng)由密度自動(dòng)控制系統(tǒng)，液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)，絕對(duì)密度的計(jì)算系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)組成?？刂破魍ㄟ^網(wǎng)絡(luò)通訊方式讀取發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)箱的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過無線通訊方式將固井作業(yè)數(shù)據(jù)下載到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器通過衛(wèi)星通訊方式傳送到遠(yuǎn)程中控室。

2）SERVA ACM-V監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括密度和液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，多種數(shù)據(jù)管理方式進(jìn)行存儲(chǔ)與記錄。采用電噴發(fā)動(dòng)機(jī)和電控傳動(dòng)箱，并配置了完備的網(wǎng)絡(luò)通訊部件，具有穩(wěn)定安全的保障措施。其模擬功能可用于操作員培訓(xùn)和系統(tǒng)功能測(cè)試。