唐 軍

(四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州 434024)

壓裂機(jī)組定排量控制系統(tǒng)算法的研究

唐 軍

(四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州 434024)

對(duì)國(guó)內(nèi)壓裂機(jī)組定排量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、控制對(duì)象進(jìn)行了深入地研究，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的控制方案，建立了控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。提出基于bang-bang-PI算法的復(fù)合控制方法來(lái)改進(jìn)控制效果?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該控制算法具有良好控制精度與穩(wěn)定性能，取得了預(yù)期效果。

壓裂機(jī)組；定排量控制；bang-bang控制

壓裂是目前提高油氣井采收率的有效措施之一, 廣泛應(yīng)用于油、氣井增產(chǎn)和注水井的增注。壓裂設(shè)備是實(shí)施壓裂施工改造的核心設(shè)備, 其技術(shù)性能的高低, 直接關(guān)系到壓裂施工作業(yè)的效果。大型復(fù)雜壓裂作業(yè)對(duì)壓裂設(shè)備的要求更高。國(guó)內(nèi)壓裂設(shè)備控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)在[1-2]：①液位無(wú)法精確控制，當(dāng)施工排量發(fā)生變化時(shí)易抽空和漫罐，操作人員需時(shí)刻觀察和調(diào)整液位，勞動(dòng)強(qiáng)度大；②響應(yīng)速度無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜施工需要。筆者重點(diǎn)研究壓裂車(chē)組定排量控制模式的數(shù)學(xué)模型及其控制算法。

1 自動(dòng)定排量模式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泵車(chē)定排量自動(dòng)控制就是將某些泵車(chē)設(shè)置為自動(dòng)定排量模式，然后設(shè)定一個(gè)排量值，設(shè)置為自動(dòng)定排量模式的泵車(chē)將根據(jù)設(shè)定的排量值自動(dòng)調(diào)節(jié)檔位和油門(mén)，讓機(jī)組內(nèi)所有泵的實(shí)際瞬時(shí)排量之和達(dá)到設(shè)定的排量。作業(yè)過(guò)程中如有個(gè)別泵車(chē)出現(xiàn)故障，設(shè)置為自動(dòng)定排量的其他泵車(chē)能自動(dòng)提高排量，維持機(jī)組內(nèi)所有泵車(chē)的瞬時(shí)排量之和為設(shè)定排量。

根據(jù)作業(yè)階段施工工藝設(shè)計(jì)的極限壓力值，在設(shè)定機(jī)組工作總排量后，控制系統(tǒng)跟據(jù)壓力反饋值適當(dāng)分配各臺(tái)壓裂泵裝備輸出排量，以達(dá)到在一定壓力范圍內(nèi)(小于極限壓力值)實(shí)現(xiàn)定排量作業(yè)要求。

圖1 排量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖2 排量控制系統(tǒng)框圖

(1)

由式(1)可知，排量環(huán)是穩(wěn)定的。又因?yàn)橄到y(tǒng)屬于零型系統(tǒng)，會(huì)有一定的穩(wěn)態(tài)誤差，因此對(duì)于排量控制器Gc(s)的設(shè)計(jì)選用PI控制算法，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。

2 自動(dòng)定排量控制算法研究

2.1PI控制算法

采用頻率響應(yīng)法來(lái)確定PI控制器的參數(shù)[2-3]。設(shè)PI控制器的傳遞函數(shù)為:

(2)

則加上PI校正裝置后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

(3)

令τ=Tq=5，可得:

(4)

圖3 排量控制系統(tǒng)波特圖

圖4 排量控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

圖5 排量控制仿真波形圖

繪制開(kāi)環(huán)系統(tǒng)加校正前后的波特圖如圖3所示。由圖3可知，校正前截止頻率為0.2rad/s。為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，將校正后截止頻率定為1rad/s，可求的Kpi=1。由此可得PI控制器的傳遞函數(shù)為：

(5)

校正后流量環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

(6)

圖4給出了流量控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖，在Matlab/Simulink中進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，圖5是仿真結(jié)果。從系統(tǒng)單位階躍輸入仿真結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)能夠在5s內(nèi)達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定下來(lái)，而且整個(gè)系統(tǒng)輸出無(wú)超調(diào)，無(wú)靜差。

2.2復(fù)合控制

圖6 定排量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如果系統(tǒng)特性發(fā)生變化，控制將發(fā)生失誤，從而產(chǎn)生大的誤差，并使系統(tǒng)不穩(wěn)定。自動(dòng)定排量控制采用帶死區(qū)的Bang-Bang加PI的復(fù)合控制，Bang-Bang控制是一種時(shí)間最優(yōu)控制，又稱(chēng)快速控制法。它的輸出只有開(kāi)和關(guān)2種狀態(tài)。在輸出低于設(shè)定值時(shí)，控制為開(kāi)狀態(tài)(最大控制量)，使輸出量迅速增大。在輸出預(yù)計(jì)達(dá)到設(shè)定值的時(shí)刻，關(guān)閉控制輸出，依靠系統(tǒng)慣性，使系統(tǒng)輸出達(dá)到設(shè)定值。它的優(yōu)點(diǎn)是控制速度快，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制比較簡(jiǎn)單(只有開(kāi)、關(guān)2種狀態(tài))。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

首先通過(guò)查表法，快速獲取使得輸出排量距離給定排量最近的傳動(dòng)箱檔位[4]，剩下的誤差通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)控制時(shí)，采用比例積分調(diào)節(jié)器(PI)，可提高系統(tǒng)的抗干擾能力，減小靜差。為了避免油門(mén)控制動(dòng)作過(guò)于頻繁，消除由此引起的震蕩，人為設(shè)置一個(gè)不靈敏區(qū)B，既采用帶死區(qū)的非線(xiàn)性控制。當(dāng)排量誤差|ek|≤B時(shí)，控制器輸出維持不變；只有當(dāng)|ek|>B時(shí)，才按Bang-Bang-PI復(fù)合控制算式計(jì)算控制量。其中，死區(qū)B是一個(gè)可調(diào)參數(shù)。B值太小，調(diào)節(jié)動(dòng)作過(guò)于頻繁，達(dá)不到穩(wěn)定控制過(guò)程的目的；B值太大，又會(huì)產(chǎn)生很大的誤差和滯后。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)設(shè)定B的數(shù)值。

因此，定排量的控制可綜合PI和Bang-Bang 2種控制方式，即:

其中，Q是一個(gè)可調(diào)參數(shù)。Q取得小，Bang-Bang控制范圍大，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，但超調(diào)量可能變大。Q取得大，則情況相反。在實(shí)際控制算法中，當(dāng)|ek|>Q時(shí)，控制量取與偏差同符號(hào)的最大值，因此，當(dāng)偏差較大時(shí)，該最大的控制量將使偏差迅速減小，可加速過(guò)渡過(guò)程。

3 控制系統(tǒng)仿真及結(jié)論分析

圖7給出了控制系統(tǒng)的仿真波形圖，設(shè)定排量值為120L/min，可以看到該算法對(duì)給定值跟蹤迅速，調(diào)節(jié)時(shí)間短，具有一定的自適應(yīng)性。

圖8給出了實(shí)際測(cè)得的草27-平25井施工試驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)控制排量為2.7m3/min時(shí)，控制精度為0.5%，說(shuō)明系統(tǒng)具有良好的控制精度和穩(wěn)定性。

圖7 定排量控制系統(tǒng)仿真波形圖 圖8 草27-平25井施工試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

定排量壓裂作業(yè)是提高油氣井采收率的有效措施之一，廣泛用于油、氣井增產(chǎn)和注水井增注。通過(guò)科技攻關(guān)，將壓裂作業(yè)所需配備的機(jī)械設(shè)備包括泵車(chē)組、混砂車(chē)、儀表控制室和遙控箱等20余臺(tái)壓裂設(shè)備聯(lián)網(wǎng)并最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組的協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、快捷的施工管理和指揮。從定排量壓裂工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以看到壓力和排量控制誤差在0.5%之內(nèi)，滿(mǎn)足定排量壓裂作業(yè)要求。

[1]任勇.新型壓裂酸化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)用 [J].天然氣工業(yè)，2007(8)：32-34.

[2]杜衛(wèi)平.用PLC技術(shù)改造傳統(tǒng)的壓裂車(chē)組[J].石油機(jī)械，2003(7)：49-50.

[3]盛超華.壓裂車(chē)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010 (11)：2497-2498.

[4]李家強(qiáng).油田壓裂車(chē)組控制系統(tǒng)的改進(jìn) [J]. 機(jī)械工程師，2005(10)：144-145.

[編輯] 易國(guó)華

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.06.045

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A

1673-1409(2012)06-N138-03