劉燕

長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023中石化石油工程機械有限公司第四石油機械廠，湖北 荊州 434024

馮定

重鉆井液快速混配自動控制系統(tǒng)研制

劉燕

長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023
中石化石油工程機械有限公司第四石油機械廠，湖北 荊州 434024

馮定

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

[摘要]在加重鉆井液快速混配裝置的基礎(chǔ)上，研制了一套自動控制混漿系統(tǒng)，用以彌補人為目測調(diào)節(jié)漿體密度過程中因遲滯與誤判造成的誤差。該系統(tǒng)以PID經(jīng)典控制為核心，采集混合后的加重鉆井液密度和液位，與設(shè)定的目標密度與液位進行對比，根據(jù)趨勢自動調(diào)節(jié)輸入口下灰量閾值，以實現(xiàn)加重漿混配密度的自動調(diào)配。配備了該套混漿自動控制的裝置經(jīng)過現(xiàn)場工業(yè)的實際試測，所配制的漿體密度均勻，比例統(tǒng)一，混合程度高，粘稠度完全達到鉆井加重工藝的需要。并且該自動控制裝置工作持久穩(wěn)定，控制精度高，響應即時，對密度變化的趨勢判斷準確，穩(wěn)態(tài)誤差小，抗干擾能力較強，無需人員值守，保證了作業(yè)的連續(xù)性。由于成本低廉，裝配簡易，其控制理論與數(shù)據(jù)在石油鉆采，固井混漿中有著廣泛的推行空間，可以衍生很多自動混配設(shè)備，該裝置為石油行業(yè)中各種工況混配系統(tǒng)奠定了標準性基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]加重鉆井液；拖拉多混合器；快速混配；自動控制；穩(wěn)態(tài)誤差；PID控制

在氣井鉆開儲層時，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。目前井隊大部分采用儲備加重鉆井液的方式，儲備鉆井液的配制均采用鉆機固控系統(tǒng)的鉆井液配液裝置進行混配，效率低，勞動強度大。2011年江漢石油管理局第四機械廠成功研制了加重泥漿的混配裝置[1]，并于同年底及2012年初進行了現(xiàn)場工業(yè)試驗。經(jīng)過試驗驗證，該裝置可以連續(xù)、快速的混配鉆井液，設(shè)備應用良好。但在設(shè)備作業(yè)過程中，操作人員勞動強度大，混配的加重鉆井液密度波動較大。

該裝置由于采用人工控制，操作人員通過觀察密度計的測量密度，手動調(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)基漿進口閥的閥位開度控制基漿流量，又或2個閥一起調(diào)節(jié)，來控制混配密度以接近于目標密度。操作人員要不停的調(diào)節(jié)2個閥，還要觀察混合罐液位，操作勞動強度較大，技能要求較高，系統(tǒng)容易遲滯落后，生產(chǎn)沒有連慣，混配的加重鉆井液密度與均勻度誤差也較大。為了減輕操作和降低人員的勞動強度與技能要求，提升裝置混漿密度的均勻性，筆者為該混配裝置研制了一套自動混漿系統(tǒng)，用來自動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，同時基礎(chǔ)鉆井液或者基漿(水)通過砂泵排出口的蝶閥進入噴射泵，加壓后形成高速流體進入拖拉多混合器。當下灰蝶閥開啟，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行混合?；旌虾笠簼{為加重漿或重漿，由排出蝶閥排出。通過混合器罐頂?shù)某暡▽崟r檢測罐內(nèi)液面的位置反饋，進而調(diào)節(jié)進液蝶閥、排出蝶閥的開度以便穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)進液量和排出量的平衡比例，可以穩(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。

圖1　加重泥漿混合及配制裝置

圖1所示為加重泥漿混合及配制裝置。自動混漿的密度控制系統(tǒng)是由安裝在循環(huán)管路的密度計來實時采樣反饋[3]，以控制基漿蝶閥、下灰蝶閥的開度來調(diào)節(jié)密度達到或趨于需要的設(shè)定值的[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，直接運算與推導具有很多的不可確定性。故以經(jīng)典的PID控制為主要運算反饋控制方式，這樣做的好處是只需要關(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)趨勢去負向調(diào)節(jié)輸入量，而無需關(guān)注混漿過程本身的諸多不可控因素。

2自動控制系統(tǒng)指標

基漿吸入量0～9.999m3/min,精度±0.2%+傳感器誤差；重漿排出量0～999.9m3/min ，精度±0.2%+傳感器誤差；重漿密度0～3.000g/cm3，精度±0.1%+傳感器誤差；混漿灌相對液位0%～100%，精度±2.5%+傳感器誤差；基漿吸入蝶閥角度0～90°，精度±0.2%+傳感器誤差；下灰蝶閥角度0～90°，精度±0.2%+傳感器誤差；重漿排出蝶閥角度0～90°，精度±0.2%+傳感器誤差。

3自動控制結(jié)構(gòu)

加重泥漿快速混配全自動控制系統(tǒng)是由工業(yè)計算機上位機、單片機控制單元、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2。

圖2　自動控制結(jié)構(gòu)

各種檢測傳感器負責對需要檢測的參數(shù)實施實時檢測，包括基漿吸入量、重漿排出量、混漿罐相對液位、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、基漿吸入泵電機電流、攪拌泵電機電流、循環(huán)泵電機電流、重漿排出泵電機電流和循環(huán)泵電機電流。這些參數(shù)有些對控制負反饋循環(huán)有直接作用，有些直接上傳給上位機做顯示參考用。

各種控制執(zhí)行器件負責根據(jù)控制命令執(zhí)行對需要控制的部件實施控制，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、攪拌泵電機、循環(huán)泵電機、重漿排出泵電機、中繼泵電機。

集成化的單片機控制單元負責根據(jù)工業(yè)計算機終端的命令與系統(tǒng)設(shè)置、各種檢測傳感器的實時檢測數(shù)據(jù)，計算后給各種控制執(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)計算機終端。

工業(yè)計算機終端負責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、模塊更換可在5min內(nèi)完成，熱備冗余的控制器模塊允許人員在線熱插拔裝配；系統(tǒng)軟件全程自檢，故障模塊可以在10s內(nèi)剔出運行、報警并指示故障部位；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

在混漿控制整個過程中，有2個設(shè)定參數(shù)是需要PID反饋控制的SP參數(shù)，一個是重漿在混合罐內(nèi)的液位，另一個是重漿密度。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。

4.1重漿排出蝶閥控制量

重漿排出蝶閥控制量與混合罐液位高度、下灰蝶閥開度的關(guān)系如下：

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

式中，A為重漿排出蝶閥控制量0點基數(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 K=2.0，下灰蝶閥控制量在25%～50%時K=1.5，下灰蝶閥控制量在50%～75%時K=1.0，下灰蝶閥控制量在75%～100%時K=0.5。

圖3　液位的PID閉環(huán)控制方框

混合罐液位高度由混合罐液位傳感器檢測輸入，混合罐高度和設(shè)備常量參數(shù)由用戶設(shè)置。當設(shè)定了重漿排出量與液位高度后，系統(tǒng)實際上將液位設(shè)為SP(設(shè)定值)，在保持液位在一定程度上波動的情況下，當人為設(shè)置排出量增加或減少時，系統(tǒng)根據(jù)超聲波探測器探測的液位高度來自動調(diào)節(jié)基液進口閥門的閾度，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致的液位線性增減，類同于PID二階系統(tǒng)的斜坡響應。其控制方框圖如圖3所示,其中KP為控制器的比例系數(shù)，主要影響系統(tǒng)的響應閾度，即響應的即時性；KP/TI為控制器的積分系數(shù)，其主要功能是隨著時間的積累減少或消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；KP/TD為控制器的微分系數(shù)，在實際的控制系統(tǒng)中，除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調(diào)節(jié)過程，在偏差出現(xiàn)的瞬間要根據(jù)變化的趨勢預判變化的過程，并減少這種變化對系統(tǒng)產(chǎn)生的響應，所以微分環(huán)節(jié)的作用就是阻止偏差的變化，對系統(tǒng)趨勢進行預修正，以減少慣量的沖擊。

4.2下灰蝶閥控制量

下灰蝶閥控制量與重漿密度的關(guān)系如下：

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

+(EB0-2EB1+EB2)×KBP×KBD

下灰蝶閥控制周期TBs=1000ms

式中，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。

密度控制的流程是建立在液位控制基礎(chǔ)上的，由于需要保持重漿在一定的水平液位上，基漿需要不斷補充由重漿排出導致的液位下降，勢必造成密度曲線性降低。因此以密度計為反饋信號的密度控制，是建立在以液位為控制對象的基礎(chǔ)上的，在控制聯(lián)級上成PID串聯(lián)控制，方框圖如圖4所示。密度PV(過程值)回饋給程序[5]，檢測回饋過程值與設(shè)定值之間的偏差，繼而加大或減小下灰閥閾值?？梢钥闯?，由串聯(lián)PID控制的方法同時可以滿足液位與密度的調(diào)節(jié)需要，同時這2個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。

4.3基漿吸入蝶閥控制量

基漿吸入蝶閥控制量與混合罐液位高度的關(guān)系如下：

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TAs=600ms

液位誤差值EA=混合罐液位高度-混合罐液位目標高度

式中,KAP為液位控制比例值；KAI為液位控制值積分；KAD為液位控制微分值；EA0為本周期液位誤差值；EA1為上周期液位誤差值；EA2為上上周期液位誤差值?；旌瞎抟何桓叨扔苫旌瞎抟何粋鞲衅鳈z測輸入，混合罐液位目標高度由控制系統(tǒng)根據(jù)混合罐高度(設(shè)備常量參數(shù))所產(chǎn)生，圖5所示為自動控制程序界面。

5現(xiàn)場應用

圖5　自動控制程序

2013年1月，該裝置在江漢油田進行了第2次工業(yè)性試驗，試驗設(shè)計混配加重鉆井液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)工作時間40min，完成了加重鉆井液的混配工作。密度計顯示為1.89g/cm3至1.91g/cm3，作業(yè)過程中3套自動控制的蝶閥調(diào)整良好，液位傳感器工作正常，操作人員的勞動強度大幅度降低，取得了較好的效果。

6結(jié)語

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)場應用試驗的檢驗，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，混合密度均勻，極大的提高了鉆井液加重的速度，整機性能先進，工作可靠。后配套的自動控制系統(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，密度波動可以保持在一個靜態(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)定的響應時間達到穩(wěn)態(tài)范圍。該混漿系統(tǒng)的研制成功，對石油行業(yè)的固井水泥裝備也影響頗深，基于同種控制理論的車載或撬式水泥混砂裝備，同樣可以衍生設(shè)計出自己的混砂控制系統(tǒng)。在海洋鉆采修設(shè)備中，重晶石粉與基液的混配控制也可以借鑒該控制原理。

[參考文獻]

[1]劉燕. 加重鉆井液快速混配設(shè)備的研制[J].石油機械， 2013，41(1)：24～26.

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[3]柴占文,牟長清,侯召坡，等. 4000m低溫車載鉆機固控系統(tǒng)的研制[J].石油機械， 2013，39(10)：57～60.

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[5]胡壽松. 自動控制原理[M].第5版.北京：科學出版社，2007.

[編輯]計飛翔

[引著格式]祝井崗,陳治，張強.稠油熱采固井地錨噴嘴選型試驗研究[J].長江大學學報(自科版)，2015,12(16)：47～50，60.

43 Research and Manufacturing of Fast Mixing Automatic Control System for Weighted Drilling Fluid

Liu Yan(YangtzeUniversity，Jingzhou，434023；SJ,PetroleumMachineryCo.Ltd,Jingzhou434024)

Feng Ding (YangtzeUniversity，Jingzhou434023)

Abstract:An automatic control system is researched and manufactured based on an existing fast mixing device,it is used to avoid errors caused by delay of visual observation of mud density and misjudgment.This system incorporates the core technology of classic PID control,the mixed liquid level is compared with the set density liquid level of weighted drilling fluid to automatically adjust dry cement metering valve according to the measured trend to realize the automatic density mixing of weighted fluid.The field test of a mixing device equipped with this system shows that the mixed mud density is consistent and uniform with high mixing degree, and that it can fully meet the requirements for weighted mud process.Meanwhile, this system can work stably and durably, it has high control accuracy with quick response, accurate judgment of density changes with less error, and it has high capacity of disturbance resistance with unmanned control for a consistent operation.Due to low cost and easy assembling, its control theory and data can be widely applied in petroleum drilling, production and cement slurry mixing, and many derivative automatic mixing equipment can be produced, therefore, it lays a solid foundation for different mixing systems in different operation conditions in petroleum industry.

Key words:weighted drilling fluid; Tornado Mixer; fast mixing; automatic control; steady-state error; PID control

[引著格式]劉燕，馮定.重鉆井液快速混配自動控制系統(tǒng)研制[J].長江大學學報(自科版)，2015,12(16)：43~46.

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)16-0043-04

[中圖分類號]TE926

[作者簡介]劉燕(1978-)男，工程師，碩士生，現(xiàn)主要從事石油機械研制方面的研究工作；E-mail:liuyanswpi@126.com。 祝井崗(1969-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事機械采油技術(shù)方面的研究工作；E-mail：jgz122333@qq.com。

[基金項目]中國石油化工集團公司石油工程技術(shù)先導試驗項目(SG0050)。 國家科技重大專項(2011ZX05024-005-009)。

[收稿日期]2015-02-10 2015-02-16