CN100559012C - 用于油田压裂酸化防砂混合液的混配控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于油田压裂酸化防砂混合液的混配控制方法，按设定配比将基液、液态和干粉状添加剂和支撑剂混合成混合液并送入井下，其特征是：(1)设定混合液液位，根据超声波液位计采集到的实时液位信号调节基液流量，并在作业过程中使混合罐的液位保持在设定高度；(2)根据设定的支撑剂起始浓度、结尾浓度、阶段基液总量，采集的实时基液流量，计算出设定的绞龙转速以确定支撑剂输送量；根据采集的绞龙转速，在阶段作业过程中，自动让支撑剂浓度成一条均匀变化的曲线，用PID控制方式调节绞龙转速。(3)根据设定的添加剂配比和采集的基液实时流量计算出设定的添加剂流量，并根据采集的实时添加剂的流量，以PID控制方式自动调节各种添加剂的流量。

Description

用于油田压裂酸化防砂混合液的混配控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于油田压裂、酸化、防砂混合液的混配控制方法，主要用于陆地或海洋油田的压裂、酸化、防砂施工的自动控制。

背景技术

我国油田疏松砂岩油藏分布范围较广，储量大，产量占有重要的地位。油井出砂是这类油藏开采的主要矛盾。出砂危害极大，砂埋油层或井筒砂堵造成油井停产作业；出砂后大大提高了原油生长成本，因而油井防砂等是这类油藏的基本采油工艺，也是正常生产的重要保证。随着油田疏松砂岩油藏勘探开发的不断深入，对压裂、酸化、防砂工艺技术的要求也越来越高。在传统压裂、酸化、防砂作业中，由于地层井下情况复杂多变，该作业一直由经验丰富的工人手工操作，其不足之处主要表现在：操作通过手动按钮完成，无法进行实时的数据交换。控制主要依靠经验判断，控制点多，不易操作。由于判断失误或是操作的熟练程度不高，操作人员的协调不好，达不到设定的理想的混配比和设定的添加剂浓度，将影响整个压裂、酸化、防砂质量，重者将导致油层堵塞、油井减产甚至油层破坏，油井报废。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于油田压裂酸化防砂混合液的混配控制方法，它不仅能够实现混配作业的自动控制，而且还具有更高的可靠性和易维修性，并能对混合液的混配工况变化实时地进行监视和控制。

实现本发明的技术方案是：一种用于油田压裂酸化防砂混合液的混配控制方法，按设定配比将基液、液态和干粉状添加剂和支撑剂混合成混合液并送入井下，其独到之处是：

(1)设定混合液液位，根据超声波液位计采集到的实时液位信号调节基液流量，并在作业过程中使混合罐的液位保持在设定高度；

(2)根据设定的支撑剂起始浓度、结尾浓度、阶段基液总量，采集的实时基液流量，计算出设定的绞龙转速以确定支撑剂输送量；根据采集的绞龙转速，在阶段作业过程中，自动让支撑剂浓度成一条均匀变化的曲线，用PID控制方式调节绞龙转速

(3)根据设定的添加剂配比和采集的基液实时流量计算出设定的添加剂流量，并根据采集的实时添加剂的流量，以PID控制方式自动调节各种添加剂的流量。

而且，支撑剂浓度曲线的关系式为：设定支撑剂浓度＝设定起始浓度+[(设定结尾浓度-设定起始浓度)/(设定阶段基液总量-阶段基液起始总量)]。

而且，设有2台输送支撑剂的绞龙。

而且，4.1将采集的绞龙转速(单位：转/分)经微处理器转化为数字量，作为过程变量PV；根据设定的支撑剂起始浓度、支撑剂结尾浓度、阶段基液总量，计算出对应不同阶段基液总量时支撑剂设定的浓度，再用计算出的设定支撑剂浓度乘以采集的基液流量，得出设定支撑剂速度(方/分钟)，再除以绞龙因子(方/转)，得出设定绞龙转速，最后乘以绞龙速比，得出单个绞龙的设定转速，再将这个设定转速转化为数字量的设定值SP，根据SP和PV，用PID进行控制，将计算的数字量的结果转化为电压后，经微处理器的控制输出模块输出给外部电路，经过外部电路的放大，输出给液力马达，从而控制绞龙转速。

4.2将设定的混合液液位作为设定值并转化为数字量SP；采集的实际液位，经微处理器处理后转化为数字量的PV，用PID指令进行控制，将计算出的数字量结果转化为电压后，经微处理器的控制输出模块输出给外部电路，经过外部电路的放大，输出给变量泵来控制基液流量大小；而且，在人机界面上设定最低液位上、下限值和最高液位上、下限值；当测量液位达到最低液位下限时，基液流量控制直接为最大值；直到测量液位回复到设定最低液位上限，再采用PID控制；当测量液位达到最高液位上限时，基液流量控制为最小，直到测量液位回复到设定最大液位下限，再采用PID控制。

4.3添加剂包括2种液体添加剂和1种干粉添加剂，根据设定的添加剂浓度，采集的基液流量，计算出设定添加剂的流量，转化为数字量SP，根据流量计测得的实时添加剂流量，转化为数字量作为PV，用PID进行控制，计算出一个控制电压并由微处理器的模拟输出模块输出给多路阀，从而控制添加剂流量。

而且，按以下方式确定支撑剂的设定浓度：当一个阶段开始时，也就是阶段基液总量为0时，支撑剂浓度为设定的支撑剂起始浓度；当一个阶段结束时，也就是阶段基液总量为设定的阶段基液总量时，支撑剂浓度为设定的支撑剂结尾浓度，从支撑剂起始浓度到支撑剂结尾浓度变化过程中，根据不同的阶段基液总量呈一个线性变化关系即：设定支撑剂浓度＝设定起始浓度+[(设定结尾浓度-设定起始浓度)/(设定阶段基液总量-阶段基液起始总量)]。

而且，根据设定混合液排出口压力，采集的排出口压力，当排出口压力小于设定压力时，增大混合液排出流量；当排出口压力大于设定的压力时，减少混合液排出流量；当排出口压力在设定的压力范围内时，保持当前的混合液排出流量。

而且，PID方程为：

$\mathrm{OUTPUT}=\mathrm{Kc}[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}\∫e\left(t\right)d\left(t\right)+T_D\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]$

式中：OUTPUT为计算机控制的数字量输出，得到此控制输出值后，再转化为电流或电压输出，Kc为控制比例系数，T₁为控制微分系数，T_D为控制积分系数。e(t)为对应不同时刻的偏差(error)。

而且，在微处理器的存储器的不同地址中，分别存入至多20个阶段的作业数据，每个阶段包括：支撑剂起始浓度、支撑剂结尾浓度、阶段基液体积、设定液位值、添加剂浓度、绞龙速比，以备调用或修改。

本发明的优点是：1.能根据液位实时的调整基液流量，控制液位在设定液位。保证了不抽空，不满罐；避免了传统控制方式下混合罐满罐而造成的浪费，混合罐抽空而对设备产生的危害；2.能根据测量的实时的基液流量和设定砂比有效的控制绞龙转速，保证加砂的匀变性。从而也保证了密度的均匀变化；3.能根据测量的基液流量和设定添加剂浓度自动调整添加剂的流量；4.能根据设定的排出口压力实时的调整排出液流量；5.能按用户要求准确高效地对混合液中3至10种固体和/或液体介质进行混配；6.在一次作业中，可以预先输入设定最多达20个阶段的参数，在控制过程中根据实时的工况进行调用。避免了操作工临时输入参数时手慌脚乱，提高了工作效率；7.友好，直观简单，动画形象的监控人机界面，能给操作者有效的提示帮助。

附图说明

图1是本发明的程序流程图。

图2是混砂自动控制系统的示意图。

图3是PID控制示意图。

图4是防砂控制系统曲线图。

具体实施方式

参照图1～图4，在图1所示的程序流程图中：1.1.开始，2.1.数据采集，3.1.控制方式是否自动，若否，则4.1手动按钮自行调节，若是，则5.1根据设定液位调节基液流量，6.1.由设定支撑剂起始、结尾浓度，实测基液流量、总量，调节支撑剂速率，7.1由设定添加剂浓度、实测基液流量调节添加剂流量，8.1.由设定排出口压力上下限调节混合液排出流量，9.1.是否停止作业，若否，则返回，若是，则10.1停止。

实施本发明所述控制方法的控制系统可包括(见图2)：1.混合液排出口的压力传感器，2.绞龙A转速传感器，3.绞龙B转速传感器，4.测量混合液流量的涡轮流量计，5.控制电缆，6.控制电缆，7.混合液密度计，8.干添绞龙转速传感器，9.液添涡轮流量计，10.液添涡轮流量计，11.基液涡轮流量计，12.混合液涡轮流量计，13.测量混合液液位的超声波液位计，14.通迅总线(型号：DH485)，15.通迅总线(型号：RS232)，16.人机界面(触摸屏)，17.PLC可编程逻辑控制器(programmablelogic controller)；通过编制下载到微处理器中的程序，控制各种变量，经过数模转换成模拟量输出控制，18.便携式数据采集器，19.绞龙A液力马达(变量泵)，20.绞龙B液力马达(变量泵)，21.基液吸入液力马达(变量泵)，22.混合液排出液力马达(变量泵)，23.控制固体添加剂加入量的多路阀。图3中的标记含意：24.设定值SP，25.输入，26.偏差，27.PID方程，28.前馈或偏差，29.输出，30.反馈PV，31.传感器，32.数字量结果，33.控制。

本发明所述用于油田压裂酸化防砂混合液的混配控制方法，按设定配比将基液、液态和干粉状添加剂和支撑剂混合成混合液并送入井下，其独到之处是：

(1)设定混合液液位，根据超声波液位计采集到的实时液位信号调节基液流量5.1，并在作业过程中使混合罐的液位保持在设定高度8.1；

(2)根据设定的支撑剂起始浓度、结尾浓度、阶段基液总量，采集的实时基液流量，计算出设定的绞龙转速以确定支撑剂输送量6.1；

(3)根据设定的添加剂配比和采集的基液实时流量计算出设定的添加剂流量，并根据采集的实时添加剂的流量，以PID控制方式自动调节各种添加剂的流量7.1；

而且，根据采集的绞龙转速，在阶段作业过程中，自动让支撑剂浓度成一条均匀变化的曲线，用PID控制方式调节绞龙转速。

图4中曲线标记的含意：34.混合液排量，35.泵压，36.砂浓度。在砂(支撑剂)浓度曲线中，曲线忽然向下的是在换砂罐。图中套压指井口压力，泵压指混合液输送泵的泵压力。

所述基液可以是水，也可以是水与胍尔粉的混合物；所述添加剂可以是胍尔粉，胍胶，田箐等；所述支撑剂可以是砂或陶砾；所述混合液是基液、添加剂和支撑剂的混合物。用户在使用时，它们的配比可能会各不相同，但只要使用本发明就能够满足其要求的配比，并能按要求准确高效地对混合液中3至10种固体和/或液体介质进行混配。

进一步的技术方案可以是：支撑剂浓度曲线的关系式为：设定支撑剂浓度＝设定起始浓度+[(设定结尾浓度-设定起始浓度)/(设定阶段基液总量-阶段基液起始总量)]。

而且，设有2台输送支撑剂的绞龙A、B。

而且，4.1将采集的绞龙转速(单位：转/分)经微处理器转化为数字量，作为过程变量PV；根据设定的支撑剂起始浓度、支撑剂结尾浓度、阶段基液总量，计算出对应不同阶段基液总量时支撑剂设定的浓度，再用计算出的设定支撑剂浓度乘以采集的基液流量，得出设定支撑剂速度(方/分钟)，再除以绞龙因子(方/转)，得出设定绞龙转速，最后乘以绞龙速比，得出单个绞龙的设定转速，再将这个设定转速转化为数字量的设定值(SP)，根据SP和PV，用PID进行控制，将计算的数字量的结果转化为电压后，经微处理器的控制输出模块输出给外部电路，经过外部电路的放大，输出给液力马达，从而控制绞龙转速。

4.2将设定的混合液液位作为设定值并转化为数字量SP；采集的实际液位，经微处理器处理后转化为数字量的PV，用PID指令进行控制，将计算出的数字量结果转化为电压后，经微处理器的控制输出模块输出给外部电路，经过外部电路的放大，输出给变量泵来控制基液流量大小；而且，在人机界面上设定最低液位上、下限值和最高液位上、下限值；当测量液位达到最低液位下限时，基液流量控制直接为最大值；直到测量液位回复到设定最低液位上限，再采用PID控制；当测量液位达到最高液位上限时，基液流量控制为最小，直到测量液位回复到设定最大液位下限，再采用PID控制。

4.3添加剂包括2种液体添加剂和1种干粉添加剂，根据设定的添加剂浓度，采集的基液流量，计算出设定添加剂的流量，转化为数字量SP，根据流量计测得的实时添加剂流量，转化为数字量作为PV，用PID进行控制，计算出一个控制电压并由微处理器的模拟输出模块输出给多路阀，从而控制添加剂流量。

而且，按以下方式确定支撑剂的设定浓度：当一个阶段开始时，也就是阶段基液总量为0时，支撑剂浓度为设定的支撑剂起始浓度；当一个阶段结束时，也就是阶段基液总量为设定的阶段基液总量时，支撑剂浓度为设定的支撑剂结尾浓度，从支撑剂起始浓度到支撑剂结尾浓度变化过程中，根据不同的阶段基液总量呈一个线性变化关系即：设定支撑剂浓度＝设定起始浓度+[(设定结尾浓度-设定起始浓度)/(设定阶段基液总量-阶段基液起始总量)]。

而且，根据设定混合液排出口压力，采集的排出口压力，当排出口压力小于设定压力时，增大混合液排出流量；当排出口压力大于设定的压力时，减少混合液排出流量；当排出口压力在设定的压力范围内时，保持当前的混合液排出流量8.1。

而且，PID方程为：

$\mathrm{OUTPUT}=\mathrm{Kc}[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}\∫e\left(t\right)d\left(t\right)+T_D\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]$

式中：OUTPUT为计算机控制的数字量输出，得到此控制输出值后，再转化为电流或电压输出，Kc为控制比例系数，T₁为控制微分系数，T_D为控制积分系数。e(t)为对应不同时刻的偏差(error)。

在控制过程中，传感器测量的模拟量值经微处理器数据采集模块处理后转化为数字量，作为PID控制的反馈(process variable，简称PV)；一个由人机界面直接设定的或是微处理器计算的为工程单位的设定值转化为数字量后作为设定值(set point简称SP)进行比较得出一个偏差(error)。

PID控制的比例项是用偏差直接乘以一个比例系数

PID控制的微分项是求偏差根据时间变化的累加和，然后用计算的累加和乘以一个微分系数。

PID控制的积分项是偏差对应于时间的变化率。用这个变化率乘以积分系数。

在本控制系统中，没有用到此参数。

将计算的数字量结果(OUTPUT)，转化为执行元件对应的控制电压或电流，由微处理器的控制模块输出。

而且，在微处理器的存储器的不同地址中，分别存入至多20个阶段的作业数据，每个阶段包括：支撑剂起始浓度、支撑剂结尾浓度、阶段基液体积、设定液位值、添加剂浓度、绞龙速比，以备调用或修改。

具体可以是：设置20个阶段作业数据的存储及调用，即先从人机界面上输入阶段号1～20，然后依次输入需要设定的数据，每输入一个设定的数据，将在微处理器中根据阶段号的不同而存储在不同的地址中；当所有的数据设定完后，若需要修改，输入需要修改的阶段号，设定的作业数据将会被调用并在人机界面上显示，以供修改并由微处理器保存修改后的数据；在人机界面输入至多20个阶段的作业数据包括：支撑剂起始浓度、支撑剂结尾浓度、阶段基液体积、设定液位值、添加剂浓度、绞龙A速比。

根据基液实时流量，设定的支撑剂起始浓度，设定支撑剂结尾浓度，可以算出当前需要的支撑剂流量V，此流量＝绞龙A对应的流量+绞龙B对应的流量。假设当前绞龙A速比为X，则绞龙B的速比为100％-X，绞龙A流量＝V×X，绞龙B流量＝V×(100％-X)。

在作业运行过程中，一个阶段作业数据完成后，根据操作者的选择或设定，若进入下一个阶段，清零当前的阶段累计量，调用设定的阶段作业参数；若结束当前作业，则保持当前的阶段累计量，停止作业。

作业前可按照工艺要求设置好每个阶段的作业参数(共可设置20阶段的作业参数)。设置好起始阶段作业号，按键开始作业。若所有控制设置为自动控制方式，作业开始后根据用户输入的设定液位，超声波液位计采集到的实时液位信号，自动调节基液流量；根据设定的添加剂配比和采集的基液实时流量计算出设定的添加剂流量，并根据采集的实时添加剂的流量，PID控制自动的调节各种添加剂的流量；根据设定的支撑剂起始浓度、结尾浓度、阶段基液总量，采集的实时基液流量，计算出设定的绞龙转速，并根据采集的绞龙A、B转速，在阶段作业过程中，自动让支撑剂浓度成一条均匀变化的曲线(曲线图如图4所示)，用PID控制自动调节绞龙A、B转速。作业进行中，可根据用户需要按键保持后，保持在当前浓度；根据设定排出口压力上下限，采集的排出口压力值，自动的调节排量，确保打入井下的混合液压力的正常。根据设定的阶段基液总量，在一个阶段基液总量达到后，若阶段控制设置为自动控制，自动进行下一个阶段的作业。若下阶段的基液设定总量为0，则自动停止整个作业过程。若阶段控制设置为手动控制，在当前阶段作业完成后，整个作业过程自动停止。

若用户需要单独手动进行操作，将该控制对应的控制方式设置为手动即可。这些过程用户只需要作业前在混砂监控人机显示软件面板上输入用户需要的几组参数就可自动完成。整个作业过程的参数和状态在一个10”彩色显示屏上即可显示。

Claims (8)

1.一种用于油田压裂酸化防砂混合液的混配控制方法，按设定配比将基液、液态和干粉状添加剂和支撑剂混合成混合液并送入井下，其特征是：

(1)设定混合液液位，根据超声波液位计采集到的实时液位信号调节基液流量，并在作业过程中使混合罐的液位保持在设定高度；

(2)根据设定的支撑剂起始浓度、结尾浓度、阶段基液总量，采集的实时基液流量，计算出设定的绞龙转速以确定支撑剂输送量；根据采集的绞龙转速，在阶段作业过程中，自动让支撑剂浓度成一条均匀变化的曲线，用PID控制方式调节绞龙转速；

(3)根据设定的添加剂配比和采集的基液实时流量计算出设定的添加剂流量，并根据采集的实时添加剂的流量，以PID控制方式自动调节各种添加剂的流量。

2.根据权利要求1所述的用于油田压裂酸化防砂混合液的混配控制方法，其特征是：支撑剂浓度曲线的关系式为：设定支撑剂浓度＝设定起始浓度+[(设定结尾浓度-设定起始浓度)/(设定阶段基液总量-阶段基液起始总量)]。

3.根据权利要求1或2所述的用于油田压裂酸化防砂混合液的混配控制方法，其特征是：设有2台输送支撑剂的绞龙。

4.根据权利要求3所述的用于油田压裂酸化防砂混合液的混配控制方法，其特征是：

4.1将采集的绞龙转速经微处理器转化为数字量，作为过程变量PV；根据设定的支撑剂起始浓度、支撑剂结尾浓度、阶段基液总量，计算出对应不同阶段基液总量时支撑剂设定的浓度，再用计算出的设定支撑剂浓度乘以采集的基液流量，得出设定支撑剂速度，再除以绞龙因子，得出设定绞龙转速，最后乘以绞龙速比，得出单个绞龙的设定转速，再将这个设定转速转化为数字量的设定值SP，根据SP和PV，用PID进行控制，将计算的数字量的结果转化为电压后，经微处理器的控制输出模块输出给外部电路，经过外部电路的放大，输出给液力马达，从而控制绞龙转速；

4.2将设定的混合液液位作为设定值并转化为数字量SP；采集的实际液位，经微处理器处理后转化为数字量的PV，用PID指令进行控制，将计算出的数字量结果转化为电压后，经微处理器的控制输出模块输出给外部电路，经过外部电路的放大，输出给变量泵来控制基液流量大小；而且，在人机界面上设定最低液位上、下限值和最高液位上、下限值；当测量液位达到最低液位下限时，基液流量控制直接为最大值；直到测量液位回复到设定最低液位上限，再采用PID控制；当测量液位达到最高液位上限时，基液流量控制为最小，直到测量液位回复到设定最大液位下限，再采用PID控制；

4.3添加剂包括2种液体添加剂和1种干粉添加剂，根据设定的添加剂浓度，采集的基液流量，计算出设定添加剂的流量，转化为数字量SP，根据流量计测得的实时添加剂流量，转化为数字量作为PV，用PID进行控制，计算出一个控制电压并由微处理器的模拟输出模块输出给多路阀，从而控制添加剂流量。

5.根据权利要求1或4所述的用于油田压裂酸化防砂混合液的混配控制方法，其特征是：按以下方式确定支撑剂的设定浓度：当一个阶段开始时，也就是阶段基液总量为0时，支撑剂浓度为设定的支撑剂起始浓度；当一个阶段结束时，也就是阶段基液总量为设定的阶段基液总量时，支撑剂浓度为设定的支撑剂结尾浓度，从支撑剂起始浓度到支撑剂结尾浓度变化过程中，根据不同的阶段基液总量呈一个线性变化关系即：设定支撑剂浓度＝设定起始浓度+[(设定结尾浓度-设定起始浓度)/(设定阶段基液总量-阶段基液起始总量)]。

6.根据权利要求1或5所述的用于油田压裂酸化防砂混合液的混配控制方法，其特征是：根据设定混合液排出口压力，采集的排出口压力，当排出口压力小于设定压力时，增大混合液排出流量；当排出口压力大于设定的压力时，减少混合液排出流量；当排出口压力在设定的压力范围内时，保持当前的混合液排出流量。

7.根据权利要求1或6所述的用于油田压裂酸化防砂混合液的混配控制方法，其特征是：

PID方程为：

式中：OUTPUT为计算机控制的数字量输出，得到此控制输出值后，再转化为电流或电压输出，Kc为控制比例系数，T_I为控制微分系数，T_D为控制积分系数，e(t)为对应不同时刻的偏差。

8.根据权利要求7所述的用于油田压裂酸化防砂混合液的混配控制方法，其特征是：在微处理器的存储器的不同地址中，分别存入至多20个阶段的作业数据，每个阶段包括：支撑剂起始浓度、支撑剂结尾浓度、阶段基液体积、设定液位值、添加剂浓度、绞龙速比，以备调用或修改。

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