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性較差，但比較適合大劑量的固井水泥漿的運用，且方便運輸，同時又能很好的保證水泥漿體系各項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現(xiàn)了自動化控制，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，同時缺乏對于干混參數(shù)的精確設(shè)置與記錄。進而使得很多干混設(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?，本文將對油井水泥干混設(shè)備的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化、設(shè)計，設(shè)計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)量進行檢測，以探究本文所設(shè)計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、混拌與散化，三個方面的功能。因此，油井水泥的混拌系統(tǒng)主要是由儲存系統(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)的干混攪拌自動控制與生產(chǎn)管理系統(tǒng)，其主要包括工業(yè)計算機與穩(wěn)定的PLC自動控制系統(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)、成品儲存和運輸設(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)單獨控制，然后再由工業(yè)PC進行數(shù)據(jù)收集、分析、匯總，并進一步處理和命令。進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

2.1 上位機監(jiān)控程序設(shè)計

整個油井水泥干混控制系統(tǒng)主要由上位機和下位機兩大程序組成。其中由6臺HC900控制器組成油井水泥干混控制系統(tǒng)的下位機；由4臺現(xiàn)場操作站、1臺工程師操作站和4臺服務(wù)器組成的上位機。上下位機間利用電纜環(huán)網(wǎng)的方式進行連接。在上位機中的工程師操作站下需要對6臺HC900控制站上傳的數(shù)據(jù)信息進行處理，通常在本設(shè)計中會另外設(shè)計出一個備用工程師操作工位，以便應(yīng)對突發(fā)狀況。因此，本設(shè)計中油井水泥干混控制系統(tǒng)的設(shè)計概念結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 本文設(shè)計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)的上位機監(jiān)控程序設(shè)計中，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)軟件進行主體程序的編寫與試運行[1]。在該部分中需要重點明確油井水泥干混控制系統(tǒng)下的各個命令段設(shè)計目標(biāo)，如干混過程中的啟動、運行、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)還具有對運行參數(shù)信息進行更改等功能。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)備的運行參數(shù)，從而實現(xiàn)對設(shè)備的安全連鎖、遠(yuǎn)程控制以及緊急保護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喔苫旎顒拥臄?shù)據(jù)進行進行記錄，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的各種狀態(tài)信息進行打印，但是由于HoneyWell軟件無法提供一種符合常規(guī)報表的表格形式，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)報表的問題。

2.2 下位機控制程序設(shè)計

本文所設(shè)計油井水泥干混控制系統(tǒng)的下位機控制程序同樣以HoneyWell軟件為基礎(chǔ)，對HC900控制站進行控制程序設(shè)計。對HC900程序的常規(guī)設(shè)計分為三種，即結(jié)構(gòu)化編程設(shè)計、梯形圖編程設(shè)計以及模塊化編程設(shè)計，考慮到本文所設(shè)計的油井水泥干混系統(tǒng)的實際情況，將選取模塊化編程作為下位機控制程序的設(shè)計[3]。首先，需要對每個控制站的通信數(shù)據(jù)初始化，并分別將下位機中六臺HC900控制站與上位機中操作站服務(wù)器進行銜接。其次，還需要構(gòu)建六臺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IP地址，并分別對8個IP地址進行ping操作若請求通信命令運行成功便可對六臺HC900控制站的通信參數(shù)進行進一步的設(shè)置，以此來實現(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

3.1 微觀結(jié)構(gòu)檢驗

為驗證上述設(shè)計下油井水泥干混質(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級油井水泥作為實驗檢測對象，通過某公司生產(chǎn)的高效氣流分級機對該油井水泥進行分級處理，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級油井水泥進行混合，進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)計設(shè)備生產(chǎn)的油井水泥進行測試，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)進行檢驗[5]。

3.2 物理性質(zhì)檢驗

針對上述控制系統(tǒng)生產(chǎn)的油井水泥干混材料進行物理性質(zhì)的測定。以油井水泥的流動程度為基準(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)進行油井水泥調(diào)配的稠化時間與初稠測試控制[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)境條件下進行凝固，且分別需要養(yǎng)護8h、24h和72h。等待水泥漿完全凝固之后使用壓力機對其進行抗壓強度檢驗[7]。

4 檢驗結(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隨之增大，降低水泥漿稠化的時間。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越大，當(dāng)進行油井水泥的調(diào)配時水泥分子與水分子接觸反應(yīng)的時間就會越迅速，使水泥間分子鏈得以相互搭接，從而降低泥漿的流動性，加速油井水泥的稠化時間。[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漿體在進行流動度檢測的過程中出現(xiàn)游離水的現(xiàn)象，并在靜置一段時間之后漿體還產(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，進而導(dǎo)致固液分離的現(xiàn)象發(fā)生，使得油井水泥在進行調(diào)配時保水性能會出現(xiàn)下降，游離液會在靜止階段不斷析出，從而造成漿體分離和漿體稠化時間延長的現(xiàn)象。[10]

4.2 粒徑大小對水泥漿強度的影響

在室壓下分別對上述型號的油井水泥干混強度進行測試，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，G級油井水泥試驗?zāi)Ｐ蛷姸葧哂贕1、G2、G1和G2的試驗?zāi)Ｐ蛷姸?，其中G1模型強度最低，而G1和G2的模型強度基本相同。在確保混合后的水泥漿具有合適的流動度條件下，對G-1和G-2兩種水灰比為0.83和1.05的超細(xì)油井水泥模型進行抗壓強度檢測，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具有較高的穩(wěn)定性和流動性，且在無震蕩的條件下不會析水，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。