劉明輝

[摘 要]本文通過對雙S壓裂機(jī)組混砂自動控制系統(tǒng)的分析，并結(jié)合延長油田各采油廠的壓裂施工設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場運(yùn)行，修訂了存在的問題，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)壓裂施工過程的自動化控制，保證了現(xiàn)場施工的精確控制，提高了壓裂施工質(zhì)量，減輕了勞動強(qiáng)度。使得最為先進(jìn)的混砂自動控制系統(tǒng)在延長油田壓裂施工中得到了應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]混砂 密度控制器 砂比

中圖分類號：S193 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）10-0388-01

引言

延長油田井下作業(yè)工程公司購置的美國雙S公司2000型壓裂機(jī)組，具有極其先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)化自動控制系統(tǒng)，是目前國內(nèi)自動化程度最高的壓裂機(jī)組之一。使用初期，由于AccuFracTM混砂自動控制系統(tǒng)全英文操作界面、系統(tǒng)設(shè)定較為復(fù)雜、混砂車配套的射源密度計(jì)（測量砂比用）沒有到位，而且系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與延長油田的壓裂施工設(shè)計(jì)參數(shù)還存在一定的差異，因此一直沒有在現(xiàn)場施工中得到應(yīng)用。

雙S 2000型機(jī)組經(jīng)過一年多的運(yùn)行，設(shè)備的-先進(jìn)性能在壓裂施工中得到了體現(xiàn)，隨著密度計(jì)的配套和設(shè)備操作人員對系統(tǒng)的逐漸熟悉，混砂自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用具備了條件。

1 AccuFracTM混砂自動控制系統(tǒng)原理

混砂自動控制系統(tǒng)的核心是雙S自行設(shè)計(jì)的AccuFracTM混砂自動控制系統(tǒng)。如果整個(gè)施工過程已經(jīng)被預(yù)先編好程序并輸入到計(jì)算機(jī)中，則在系統(tǒng)可以保證混砂車執(zhí)行最復(fù)雜的施工程序，而整個(gè)施工過程中無需操作人員的協(xié)助。

1.1 混砂車AccuFracTM系統(tǒng)介紹

壓裂施工的關(guān)鍵參數(shù)是混合液密度（砂比）的控制?；焐败嘇ccuFracTM系統(tǒng)包括兩個(gè)主要部分，一是自動密度控制系統(tǒng)（ADC），混砂車密度控制系統(tǒng)的基本功能是控制壓裂液和支撐劑的混合，保證混砂車能夠按照預(yù)先設(shè)定好的程序輸出一定的混合液密度（砂比），在整個(gè)的施工過程中，需要我們輸入施工數(shù)據(jù)，然后密度控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)及反饋數(shù)據(jù)，計(jì)算需要多少支撐劑來達(dá)到設(shè)定目標(biāo)密度（砂比）。從而實(shí)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

1.2 通訊原理

AccuFrac PCTM軟件安裝于儀表車的計(jì)算機(jī)上，通過其進(jìn)行硬件參數(shù)、施工參數(shù)的設(shè)定。AccuFracTM則安裝于混砂車上，用于接收、處理來自儀表車的施工參數(shù)，并將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給儀表車。

網(wǎng)絡(luò)化自動控制的核心是網(wǎng)絡(luò)控制器，網(wǎng)絡(luò)控制器安裝在儀表車上，與儀表車計(jì)算機(jī)的AccuFrac PCTM軟件接口是RS232通訊協(xié)議。另外網(wǎng)絡(luò)控制器按RS485協(xié)議與其對應(yīng)的設(shè)備通訊，此設(shè)備包括：（1）一臺混砂車；（2）一個(gè)CAS（化學(xué)添加劑系統(tǒng)）；（3）一個(gè)DAS（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）。本文中我們重點(diǎn)介紹混砂車及AccuFracTM混砂自動控制系統(tǒng)。

2 混砂自動控制系統(tǒng)的設(shè)置及運(yùn)行

AccuFracTM自動控制系統(tǒng)是一個(gè)功能強(qiáng)大的可編程系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場施工設(shè)計(jì)需求，自定義設(shè)定系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、施工數(shù)據(jù)等。

2.1 作業(yè)設(shè)置

作業(yè)設(shè)置中各參數(shù)設(shè)定值的具體意義如下：

Stage：階段。軟件支持一個(gè)作業(yè)可以為100個(gè)階段，即前置、攜砂、頂替各個(gè)階段。

Volume：階段體積。即前置液、攜砂液、頂替液每個(gè)階段的液量體積。

Proppant：支撐劑的密度。壓裂砂的密度，我們常用的蘭州石英砂為2.65 g/cm3。

Bulk Density：支撐劑體積密度。壓裂砂的體積密度，我們常用的蘭州石英砂為1.6g/cm3。

Fluid：基液密度。壓裂液的密度，我們常用的為1.0千克/升。

Slurry Start：每個(gè)階段的起始砂比。

Slurry End：每個(gè)階段的結(jié)束砂比。

作業(yè)設(shè)置共有六項(xiàng)參數(shù)，其中三項(xiàng)為常數(shù)，

只要我們第一次設(shè)定后，以后就不需要進(jìn)行修改。每次需要我們進(jìn)行作業(yè)設(shè)置的只有Volume（階段體積）、Slurry Start（起始砂比）、Slurry End（結(jié)束砂比）三項(xiàng)。一旦完成作業(yè)設(shè)置，必須點(diǎn)擊Set將設(shè)置參數(shù)發(fā)送給混砂車，混砂車在接到數(shù)據(jù)后，將會按照作業(yè)設(shè)置中的參數(shù)進(jìn)行自動運(yùn)行。

2.2 混砂自動控制系統(tǒng)的運(yùn)行

自動控制系統(tǒng)是以階段體積（累計(jì)排出量）為計(jì)數(shù)器，當(dāng)階段累計(jì)排量達(dá)到設(shè)定的階段體積時(shí)，系統(tǒng)將自動切換進(jìn)入下一階段。我們以圖2中的施工數(shù)據(jù)作一運(yùn)行。當(dāng)設(shè)置好相關(guān)硬件參數(shù)及施工程序，并將混砂車啟動，AccuFracTM系統(tǒng)的按鈕設(shè)置為Auto（自動），此時(shí)點(diǎn)擊AccuFrac PC軟件的“start”按鈕，整個(gè)混砂自動控制系統(tǒng)便開始運(yùn)行。

第1，2階段，混砂車只做吸入、排出動作，當(dāng)累計(jì)排量達(dá)到4.5+21m3時(shí)，進(jìn)入下一階段；

第3階段，輸砂絞龍開始運(yùn)轉(zhuǎn)，保證輸入的砂量在混合罐中的體積比達(dá)到20%，此時(shí)砂比由密度計(jì)測量得到，并反饋給混砂控制器，對絞龍轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)階段累計(jì)排量達(dá)到10方時(shí)，進(jìn)入下一階段；

第4階段，輸砂絞龍轉(zhuǎn)速增加，保證輸入的砂量在混合罐中的體積比達(dá)到25%，當(dāng)階段累計(jì)排量達(dá)到16方時(shí)，進(jìn)入下一階段；

第5、6階段，混砂車動作與第3、4階段相同；

第7階段，由于沒有起始和結(jié)束砂比，此時(shí)絞龍停止運(yùn)轉(zhuǎn)，，混砂車只做吸入、排出動作，當(dāng)階段累計(jì)排量達(dá)到3.2方時(shí)，進(jìn)入下一階段；

第8階段，階段體積值為0，此時(shí)，混砂自動控制系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，施工結(jié)束。

2.3 混砂自動控制系統(tǒng)異常情況的處理

每次壓裂施工，不可能保證都像程序設(shè)定那樣順利執(zhí)行。因此，會出現(xiàn)一些異常情況，比如壓力高，若按作業(yè)設(shè)置進(jìn)行運(yùn)行，則會出現(xiàn)砂堵等情況的出現(xiàn)，導(dǎo)致施工失敗。此時(shí)我們該如何應(yīng)對？

自動控制系統(tǒng)是一種互動式的系統(tǒng)，因?yàn)樽鳂I(yè)者為任何一個(gè)階段指定的值都可以在系統(tǒng)執(zhí)行該階段之前進(jìn)行調(diào)整。主要的操作方法有修改階段數(shù)據(jù)、暫停功能、切換手動控制三種。

2.3.1 修改階段數(shù)據(jù)

當(dāng)出現(xiàn)施工異常情況，需要對以后的所有階段量進(jìn)行改變時(shí)，此時(shí)可以按照現(xiàn)場情況及技術(shù)人員的要求調(diào)整參數(shù)，對作業(yè)設(shè)置中的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新修改。而此時(shí)并未運(yùn)行該階段，則階段運(yùn)行時(shí)修改會生效。設(shè)置好后，按Set將設(shè)置參數(shù)發(fā)送給混砂車，此時(shí)修改后的數(shù)據(jù)將會覆蓋原先的數(shù)據(jù)。即當(dāng)前階段以后的所有階段，將會按照修改后的數(shù)據(jù)運(yùn)行。

2.3.2 暫停（Hold）功能的應(yīng)用

當(dāng)暫停階段時(shí)，階段的結(jié)束和作業(yè)的結(jié)束則被推后。即當(dāng)進(jìn)行到第3階段，由于施工壓力高，提高砂比容易造成砂堵等施工事故，需要保持20%的砂比，不能立刻將砂比提高到25%，即進(jìn)入第4階段。此時(shí)，只需點(diǎn)擊軟件中的Hold（暫停）按鈕，軟件將控制混砂車?yán)^續(xù)進(jìn)行第二階段的施工參數(shù)。當(dāng)施工壓力穩(wěn)定，需要繼續(xù)提高砂比時(shí)，此時(shí)按Resume（繼續(xù)）按鈕，混砂車將按照作業(yè)設(shè)置繼續(xù)運(yùn)行。

2.3.3 自動/手動功能切換

當(dāng)壓裂施工出現(xiàn)更加復(fù)雜的情況時(shí)，混砂自動控制系統(tǒng)不適用于壓裂施工，此時(shí)，將混砂車上AccuFracTM系統(tǒng)的按鈕由Auto（自動）切換到Manual（手動）模式，混砂自動控制系統(tǒng)失去作用，混砂車將由操作工來完成操作。

4 結(jié)論

經(jīng)過在延長油田5口井的現(xiàn)場試驗(yàn)，混砂自動控制系統(tǒng)得到了很好的應(yīng)用，總結(jié)起來有以下幾點(diǎn)：

第一、混砂自動控制系統(tǒng)能精確的控制施工參數(shù)，階段液量、砂量的控制誤差為零，砂比準(zhǔn)確率大大高于人工操控，提高了壓裂施工質(zhì)量。

第二、在施工條件惡劣的井場，如毒害氣體超標(biāo)、暴雨等情況時(shí)，混砂車無人值守也可以正常施工，減少了混砂車操作人員的安全隱患。

第三、在天然氣井、頁巖氣井等大規(guī)模施工時(shí)，混砂自動控制系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景，在長達(dá)數(shù)小時(shí)的壓裂施工中，混砂車操作工不用一直在混砂車上進(jìn)行操作，減輕了勞動強(qiáng)度。

第四、混砂自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使得延長油田井下壓裂作業(yè)水平上升到了一個(gè)新的臺階。

參考文獻(xiàn)

[1] Stewart&Stevenson.AccuFrac; PC混砂自動控制操作手冊[Z] 2009年.

[2] Stewart&Stevenson.MC-75;車載式壓裂混砂機(jī)組操作和維護(hù)手冊[Z] 2009年.