劉燕

長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023中石化石油工程機(jī)械有限公司第四石油機(jī)械廠，湖北 荊州 434024

馮定

重鉆井液快速混配自動(dòng)控制系統(tǒng)研制

劉燕

長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023
中石化石油工程機(jī)械有限公司第四石油機(jī)械廠，湖北 荊州 434024

馮定

(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(dòng)控制混漿系統(tǒng)，用以彌補(bǔ)人為目測(cè)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(biāo)密度與液位進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)趨勢(shì)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入口下灰量閾值，以實(shí)現(xiàn)加重漿混配密度的自動(dòng)調(diào)配。配備了該套混漿自動(dòng)控制的裝置經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)的實(shí)際試測(cè)，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(dá)到鉆井加重工藝的需要。并且該自動(dòng)控制裝置工作持久穩(wěn)定，控制精度高，響應(yīng)即時(shí)，對(duì)密度變化的趨勢(shì)判斷準(zhǔn)確，穩(wěn)態(tài)誤差小，抗干擾能力較強(qiáng)，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(jiǎn)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)控制；穩(wěn)態(tài)誤差；PID控制

在氣井鉆開儲(chǔ)層時(shí)，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(duì)大部分采用儲(chǔ)備加重鉆井液的方式，儲(chǔ)備鉆井液的配制均采用鉆機(jī)固控系統(tǒng)的鉆井液配液裝置進(jìn)行混配，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。2011年江漢石油管理局第四機(jī)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(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置可以連續(xù)、快速的混配鉆井液，設(shè)備應(yīng)用良好。但在設(shè)備作業(yè)過程中，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，混配的加重鉆井液密度波動(dòng)較大。

該裝置由于采用人工控制，操作人員通過觀察密度計(jì)的測(cè)量密度，手動(dòng)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(jìn)口閥的閥位開度控制基漿流量，又或2個(gè)閥一起調(diào)節(jié)，來控制混配密度以接近于目標(biāo)密度。操作人員要不停的調(diào)節(jié)2個(gè)閥，還要觀察混合罐液位，操作勞動(dòng)強(qiáng)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(dòng)強(qiáng)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(dòng)混漿系統(tǒng)，用來自動(dòng)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(shí)基礎(chǔ)鉆井液或者基漿(水)通過砂泵排出口的蝶閥進(jìn)入噴射泵，加壓后形成高速流體進(jìn)入拖拉多混合器。當(dāng)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(jìn)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▽?shí)時(shí)檢測(cè)罐內(nèi)液面的位置反饋，進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)液蝶閥、排出蝶閥的開度以便穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)進(jìn)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(dòng)混漿的密度控制系統(tǒng)是由安裝在循環(huán)管路的密度計(jì)來實(shí)時(shí)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(dá)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(jìn)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(yùn)算與推導(dǎo)具有很多的不可確定性。故以經(jīng)典的PID控制為主要運(yùn)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(shì)去負(fù)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(dòng)控制系統(tǒng)指標(biāo)

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(duì)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(dòng)控制結(jié)構(gòu)

加重泥漿快速混配全自動(dòng)控制系統(tǒng)是由工業(yè)計(jì)算機(jī)上位機(jī)、單片機(jī)控制單元、檢測(cè)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(dòng)控制結(jié)構(gòu)

各種檢測(cè)傳感器負(fù)責(zé)對(duì)需要檢測(cè)的參數(shù)實(shí)施實(shí)時(shí)檢測(cè)，包括基漿吸入量、重漿排出量、混漿罐相對(duì)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(jī)電流、攪拌泵電機(jī)電流、循環(huán)泵電機(jī)電流、重漿排出泵電機(jī)電流和循環(huán)泵電機(jī)電流。這些參數(shù)有些對(duì)控制負(fù)反饋循環(huán)有直接作用，有些直接上傳給上位機(jī)做顯示參考用。

各種控制執(zhí)行器件負(fù)責(zé)根據(jù)控制命令執(zhí)行對(duì)需要控制的部件實(shí)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(jī)、攪拌泵電機(jī)、循環(huán)泵電機(jī)、重漿排出泵電機(jī)、中繼泵電機(jī)。

集成化的單片機(jī)控制單元負(fù)責(zé)根據(jù)工業(yè)計(jì)算機(jī)終端的命令與系統(tǒng)設(shè)置、各種檢測(cè)傳感器的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)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(cè)傳感器的檢測(cè)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(jì)算機(jī)終端。

工業(yè)計(jì)算機(jī)終端負(fù)責(zé)接收操作手柄與按鍵的操作命令并顯示各種檢測(cè)傳感器的檢測(cè)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(jì)、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(yùn)行、報(bào)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(gè)過程中，有2個(gè)設(shè)定參數(shù)是需要PID反饋控制的SP參數(shù)，一個(gè)是重漿在混合罐內(nèi)的液位，另一個(gè)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(jí)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(diǎn)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(shí) K=2.0，下灰蝶閥控制量在25%～50%時(shí)K=1.5，下灰蝶閥控制量在50%～75%時(shí)K=1.0，下灰蝶閥控制量在75%～100%時(shí)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(cè)輸入，混合罐高度和設(shè)備常量參數(shù)由用戶設(shè)置。當(dāng)設(shè)定了重漿排出量與液位高度后，系統(tǒng)實(shí)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(dòng)的情況下，當(dāng)人為設(shè)置排出量增加或減少時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)超聲波探測(cè)器探測(cè)的液位高度來自動(dòng)調(diào)節(jié)基液進(jìn)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(gè)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(dǎo)致的液位線性增減，類同于PID二階系統(tǒng)的斜坡響應(yīng)。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(yīng)閾度，即響應(yīng)的即時(shí)性；KP/TI為控制器的積分系數(shù)，其主要功能是隨著時(shí)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(shí)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(shì)預(yù)判變化的過程，并減少這種變化對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的響應(yīng)，所以微分環(huán)節(jié)的作用就是阻止偏差的變化，對(duì)系統(tǒng)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)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(bǔ)充由重漿排出導(dǎo)致的液位下降，勢(shì)必造成密度曲線性降低。因此以密度計(jì)為反饋信號(hào)的密度控制，是建立在以液位為控制對(duì)象的基礎(chǔ)上的，在控制聯(lián)級(jí)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(cè)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?？梢钥闯觯纱?lián)PID控制的方法同時(shí)可以滿足液位與密度的調(diào)節(jié)需要，同時(shí)這2個(gè)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(dòng)。

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(biāo)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(cè)輸入，混合罐液位目標(biāo)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(dòng)控制程序界面。

5現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖5　自動(dòng)控制程序

2013年1月，該裝置在江漢油田進(jìn)行了第2次工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)間40min，完成了加重鉆井液的混配工作。密度計(jì)顯示為1.89g/cm3至1.91g/cm3，作業(yè)過程中3套自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)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(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)的檢驗(yàn)，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(qiáng)，混合密度均勻，極大的提高了鉆井液加重的速度，整機(jī)性能先進(jìn)，工作可靠。后配套的自動(dòng)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(shí)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(dòng)可以保持在一個(gè)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(yīng)時(shí)間達(dá)到穩(wěn)態(tài)范圍。該混漿系統(tǒng)的研制成功，對(duì)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(jì)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(xiàn)]

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

[2]白旭東. 鉆井液加重裝置的研制[J]. 機(jī)械工程師,2010， 1(3)：129～131.

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

[4]張杰,柴占文,常亮，等. 低溫鉆機(jī)固控系統(tǒng)保溫研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械， 2012，41(6)：33～37.

[5]胡壽松. 自動(dòng)控制原理[M].第5版.北京：科學(xué)出版社，2007.

[編輯]計(jì)飛翔

[引著格式]祝井崗,陳治，張強(qiáng).稠油熱采固井地錨噴嘴選型試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(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(dòng)控制系統(tǒng)研制[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2015,12(16)：43~46.

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2015)16-0043-04

[中圖分類號(hào)]TE926

[作者簡(jiǎn)介]劉燕(1978-)男，工程師，碩士生，現(xiàn)主要從事石油機(jī)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(jī)械采油技術(shù)方面的研究工作；E-mail：jgz122333@qq.com。

[基金項(xiàng)目]中國(guó)石油化工集團(tuán)公司石油工程技術(shù)先導(dǎo)試驗(yàn)項(xiàng)目(SG0050)。 國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05024-005-009)。

[收稿日期]2015-02-10 2015-02-16