CN102003159B - 固井水泥混浆作业的自动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固井水泥混浆作业的自动控制方法，在油田固井作业时用于水泥混浆作业的自动控制，该方法主要是依靠液位计采集混浆槽内的液位，排出流量计采集泥浆排量，微处理器比较实际液位和设定液位，计算出需要的清水阀阀位，通过控制清水阀电磁阀来控制清水阀阀位编码器从而控制清水阀，进而自动控制水泥浆液位。本发明能够进行液位自动控制，与泥浆密度自动控制方法相结合使用，便于动态、精确地自动控制水泥混浆作业过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种固井水泥混浆作业的自动控制方法，在油田固井作业时用于水泥混浆作业的自动控制。
背景技术
目前，固井水泥混浆作业出现高压力、大排量作业、高精度密度控制等新的要求，中国专利申请200610018396.8已公开了如何精确测量控制水泥浆密度的技术方案，如何在此基础上自动控制水泥浆液位，能够在提高自动化程度前提下减轻混浆作业强度、降低混浆作业难度，成为当前固井水泥混浆作业新的课题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足之处，提供一种固井水泥混浆作业的自动控制方法，它能够进行液位自动控制，与泥浆密度自动控制方法相结合使用，便于动态、精确地自动控制水泥混浆作业过程。
固井水泥混浆作业的自动控制方法，包括清水流量计、液位计、排出流量计、控制清水吸入流量的清水阀，其独特之处在于按下列步骤控制泥浆液位：
1.1采集泥浆的实际液位信号、清水流量信号、泥浆排量信号，并将其传送给微处理器；
1.2比较泥浆的设定液位和实际液位，得到液位偏差和液位偏差变化率，所述液位偏差为设定液位与实际液位的差值，所述液位偏差变化率为单位时间内液位偏差的变化值；
1.3由液位偏差变化率来计算清水流量变化率Xdot，由液位偏差计算达到设定液位应增清水流量Qadd，由实际泥浆排量计算清水流量Qslry；其中，Xdot=（（（（液位偏差变化率*微分系数）*液面面积）*60）|(231*2)）*((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))，微分系数通常取值0.5；Qadd=((((设定液位-实际液位)*液面面积)*60)|(231*时间t))* ((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))，时间t通常取值30秒；Qslry=(实际泥浆排量*42)*((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))；
1.4通过计算出的清水流量变化率Xdot、应增清水流量Qadd及清水流量Qslry的总和求得达到泥浆设定液位所需的清水流量，即设定清水流量Qnew；其中Qnew=Xdot+Qadd+Qslry=（（（（液位偏差变化率*微分系数）*液面面积）*60）|(231*2)）*((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))+ ((((设定液位-实际液位)*液面面积)*60)|(231*时间t))* ((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度)) +(实际泥浆排量*42)*((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))；
1.5计算设定清水阀位，设定清水阀位=设定清水流量|实际进水能力，其中实际进水能力=实际清水流量|实际清水阀位；其中实际清水流量由清水流量计采集获得；
1.6由微处理器根据设定清水阀位,调节清水阀位输出控制电压控制清水阀的电磁阀，并通过该电磁阀启动驱动装置改变清水阀的阀位；
1.7采集调节后设定清水流量Qnew，根据变化情况重复上述步骤1.1至步骤1.6反馈调整清水阀位输出控制电压，其步骤如下
1.7.1计算设定清水流量变化值，设定清水流量变化=设定清水流量-1秒前设定清水流量；
1.7.2判断设定清水流量变化是否大于1bbl，
判断结果为是时，在2分钟以内，持续轮序执行步骤1.1至1.6，更新清水阀位输出控制电压；
判断结果为否时，根据液位偏差情况选择执行下列步骤之一，
1.7.2a如果液位偏差大于1.5inch时，持续轮序执行步骤1.1至1.6，更新清水阀位输出控制电压；
1.7.2b如果液位偏差小于0.5inch时，保持当前清水阀位输出控制电压；
1.7.2c如果液位偏差大于0.5inch且小于1.0inch时，每10秒轮序执行一次步骤1.1至1.6，更新一次清水阀位输出控制电压；
1.7.2d如果液位偏差大于1.0inch且小于1.5inch时，每1秒轮序执行一次步骤1.1至1.6，更新一次清水阀位输出控制电压。
在上述技术方案中，所述液位偏差变化率通过以下公式计算：
液位偏差变化率＝液位偏差-1秒前的液位偏差。
本发明提供了一种固井水泥混浆作业的自动控制方法，它能够进行密度自动控制、液位自动控制和数据发送，从而动态、精确地自动控制水泥混浆作业过程，并且真实、全面地记录作业时的作业状态与作业数据。本发明的优点是：1.在液位变化时，能及时准确地调整清水比例阀，以保证液位平稳。2.数据记录和实时传送功能便于作业中和作业后的数据分析。
附图说明
图1 是固井水泥混浆的控制系统示意图。
图2 是本发明固井水泥混浆作业的自动控制方法实施例流程图。
具体实施方式
现有固井水泥混浆作业系统一般由柴油发动机提供动力，灰罐中的水泥干灰通过管线流到混浆槽的下灰阀，经清水泵抽到轴流式混合器内高速喷射的水流形成真空，吸入水泥干灰与清水混合。注入清水水流及干灰的量可由清水比例阀（简称清水阀）、干灰计量阀（简称下灰阀）来调节。经过循环泵作用，干灰混合物以循环方式进行多次掺混，从而使水泥浆密度符合设定密度，满足固井工艺要求。混合好的水泥浆由混浆槽出口排出。由于混浆槽有一定的混浆容量，所以本发明提出在密度自动控制同时，进行泥浆的液位自动控制，以免调配干灰和清水比例时，超出了需要的设定液位。而且控制液位可以精确的控制固井水泥浆的总量，保证固井需要。这种自动控制可以通过实时采集作业过程中的实际液位数据，再根据需要的设定液位调节清水比例阀来实现。具体实施时，可以通过在混浆槽中设置液位计实现采集实际液位数据，微处理器处理采集得到的数据后，输出控制电压控制清水比例阀的电磁阀，并通过该电磁阀启动驱动装置改变清水比例阀的阀位。
如图1所示，实施固井水泥混浆的自动控制系统包括：微处理器1，人机界面2，下灰阀阀位编码器3，清水阀阀位编码器4，密度计5，密度计变送器5.1，清水流量计6，液位计7，下灰阀电磁阀8，清水阀电磁阀 9；柱塞泵压力传感器10、11，排出流量计 12、13；下灰阀手动/自动切换开关14，清水阀手动/自动切换开关15。其中：微处理器1通过Ethernet/IP端口与人机界面2实现人机通讯，方便远程输入作业参数和实时工序操控。
人机界面2可以根据需要设置功能按键供工作人员使用，例如在人机界面2上通过按键在校准屏面进行校准的相关设置；在人机界面2上通过按键在主屏面输入数据记录编号；在人机界面2上通过按键作业设置屏面设置作业参数；在人机界面2上通过按键在主屏面上开始作业。
通过软件程序设置，微处理器1可以控制混浆作业自动按以下步骤进行：
液位计7采集混浆槽内的液位，传动箱的控制模块（TCM）中的排出流量计12、13采集泥浆排量，微处理器1比较实际液位和设定液位，计算出需要的清水阀的阀位，通过控制清水阀电磁阀9来控制清水阀阀位编码器4从而控制清水阀，从而自动控制水泥浆液位；
微处理器1通过密度计5和密度计变送器5.1采集密度信号，清水流量计6采集到的清水流量信号，计算出需要的下灰阀的阀位，通过控制下灰阀电磁阀8来控制下灰阀编码器3从而控制下灰阀，从而自动控制系统保持水泥浆密度；
柱塞泵压力传感器10、11分别采集左右三缸柱塞泵压力；
在启动作业的同时，采集各数据并将其传送给微处理器1，并在人机界面2上显示；操作员通过人机界面2的按键根据工艺要求输入标记；微处理器1将自动控制下灰电磁阀8、下灰阀、下灰阀编码器3、清水阀电磁阀9、清水阀、清水阀阀位编码器4；在人机界面2上通过按键发出停止作业命令，停止作业，从而对水泥混浆作业进行精确、动态、全面的自动控制。
本发明提供的调节清水阀具体步骤如下，
1.1采集泥浆的实际液位信号、清水流量信号、泥浆排量信号,并将其传送给微处理器；
1.2比较泥浆的设定液位和实际液位，得到液位偏差和液位偏差变化率，所述液位偏差为设定液位与实际液位的差值，所述液位偏差变化率为单位时间内液位偏差的变化值；其中液位偏差变化率＝液位偏差-1秒前的液位偏差；
1.3由液位偏差变化率来计算清水流量变化率Xdot，由液位偏差计算达到设定液位应增清水流量Qadd，由实际泥浆排量计算清水流量Qslry；其中Xdot=（（（（液位偏差变化率*微分系数）*液面面积）*60）|(231*2)）*((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))，微分系数通常取值0.5，用户可以在人机界面上输入该值；Qadd=((((设定液位-实际液位)*液面面积)*60)|(231*时间t))* ((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))，时间t通常取值30秒，用户可以在人机界面上输入该值；Qslry=(实际泥浆排量*42)*((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))；
1.4通过计算出的清水流量变化率Xdot、应增清水流量Qadd及清水流量Qslry的总和求得达到泥浆设定液位所需的清水流量，即设定清水流量Qnew；其中Qnew=Xdot+Qadd+Qslry=（（（（液位偏差变化率*微分系数）*液面面积）*60）|(231*2)）*((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))+ ((((设定液位-实际液位)*液面面积)*60)|(231*时间t))* ((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度)) +(实际泥浆排量*42)*((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))；
1.5计算设定清水阀位，设定清水阀位=设定清水流量|实际进水能力，其中实际进水能力=实际清水流量|实际清水阀位；
1.6由微处理器根据设定清水阀位,调节清水阀位输出控制电压控制清水阀的电磁阀，并通过该电磁阀启动驱动装置改变清水阀的阀位；
1.7采集调节后设定清水流量Qnew，根据变化情况重复上述步骤1.1至步骤1.6反馈调整清水阀位输出控制电压。
本发明还提供了进一步方案，针对不同具体情况设计了反馈调整的频率，以避免不必要的资源浪费：所述收集调节后设定清水流量Qnew，根据变化情况重复上述步骤反馈调整清水阀位输出控制电压，采用以下方式实现，
1.7.1计算设定清水流量变化值，设定清水流量变化=设定清水流量-1秒前设定清水流量；
1.7.2判断设定清水流量变化是否大于1bbl，
判断结果为是时，在2分钟以内，持续轮序执行步骤1.1至1.6，更新清水阀位输出控制电压；
判断结果为否时，根据液位偏差情况选择执行下列步骤之一，
1.7.2a如果液位偏差大于1.5inch时，持续轮序执行步骤1.1至1.6，更新清水阀位输出控制电压；
1.7.2b如果液位偏差小于0.5inch时，保持当前清水阀位输出控制电压；
1.7.2c如果液位偏差大于0.5inch且小于1.0inch时，每10秒轮序执行一次步骤1.1至1.6，更新一次清水阀位输出控制电压；
1.7.2d如果液位偏差大于1.0inch且小于1.5inch时，每1秒轮序执行一次步骤1.1至1.6，更新一次清水阀位输出控制电压。
其中bbl、inch为国际石油行业常用的英制单位，中文含义为（bbl）桶和(inch)英寸，对应的公制单位为M3/MIN(方/分钟)及M（米）。其中：1桶=0.15898729方/分钟，1英寸=0.0254米。具体实施时，可以根据需要采用其它方式设定反馈调整的频率，例如改变选择执行步骤2.2a、2.2b、2.2c或2.2d中的液位偏差条件，或者改变轮序执行一次步骤1.1至1.6的时间间隔大小。
如图2所示，作业开始后，程序进行初始化；开始发送实时数据；然后根据设计输入作业参数；当工作人员按下“开始”键，系统开始记录作业数据；程序启动密度自动控制算法和液位自动控制算法；操作人员在面板上旋动下灰阀手动/自动开关，将下灰阀切换到自动控制方式，计算机输出控制下灰阀以实现密度自动控制；操作人员在面板上旋动清水阀手动/自动开关，将清水阀切换到自动控制方式，计算机输出控制清水阀以实现液位自动控制；当工作人员按“停止”键停止作业；下灰阀关到最小控制阀位；清水阀关到最小控制阀位；下载历史数据；结束。这种工作人员控制方案需要通过人机界面设计相应按键，本技术领域人员可以根据流程进行设计实现。
控制步骤中的密度自动控制部分可以参见中国专利申请200610018396.8的公开文本，本实施例不予赘述。
为了便于实施，本实施例提供了适合石油行业常用单位的液位偏差变化率以及Xdot、Qslry、Qadd、Qnew数值的计算方法。1加仑=231立方英寸、1立方英尺=7.48加仑、1桶=42加仑、1分钟=60秒，即1桶/分钟=2520加仑/秒。
Claims (2)
1.固井水泥混浆作业的自动控制方法，包括清水流量计、液位计、排出流量计、控制清水吸入流量的清水阀，其特征在于按下列步骤控制泥浆液位：
1.1采集泥浆的实际液位信号、清水流量信号、泥浆排量信号，并将其传送给微处理器；
1.2比较泥浆的设定液位和实际液位，得到液位偏差和液位偏差变化率，所述液位偏差为设定液位与实际液位的差值，所述液位偏差变化率为单位时间内液位偏差的变化值；
1.3由液位偏差变化率来计算清水流量变化率Xdot，由液位偏差计算达到设定液位应增清水流量Qadd，由实际泥浆排量计算清水流量Qslry；其中，Xdot=（（（（液位偏差变化率*微分系数）*液面面积）*60）|(231*2)）*((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))，Qadd=((((设定液位-实际液位)*液面面积)*60)|(231*时间t))* ((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))，Qslry=(实际泥浆排量*42)*((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))；
1.4通过计算出的清水流量变化率Xdot、应增清水流量Qadd及清水流量Qslry的总和求得达到泥浆设定液位所需的清水流量，即设定清水流量Qnew；其中，Qnew=Xdot+Qadd+Qslry=（（（（液位偏差变化率*微分系数）*液面面积）*60）|(231*2)）*((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))+ ((((设定液位-实际液位)*液面面积)*60)|(231*时间t))* ((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度)) +(实际泥浆排量*42)*((干灰绝对密度－设定泥浆密度）|(干灰绝对密度－清水密度))；
1.5计算设定清水阀位，设定清水阀位=设定清水流量|实际进水能力，其中实际进水能力=实际清水流量|实际清水阀位；其中实际清水流量由清水流量计采集获得；
1.6由微处理器根据设定清水阀位,调节清水阀位输出控制电压控制清水阀的电磁阀，并通过该电磁阀启动驱动装置改变清水阀的阀位；
1.7采集调节后设定清水流量Qnew，根据变化情况重复上述步骤1.1至步骤1.6反馈调整清水阀位输出控制电压，其步骤如下
1.7.1计算设定清水流量变化值，设定清水流量变化=设定清水流量-1秒前设定清水流量；
1.7.2判断设定清水流量变化是否大于1bbl，
判断结果为是时，在2分钟以内，持续轮序执行步骤1.1至1.6，更新清水阀位输出控制电压；
判断结果为否时，根据液位偏差情况选择执行下列步骤之一，
1.7.2a如果液位偏差大于1.5inch时，持续轮序执行步骤1.1至1.6，更新清水阀位输出控制电压；
1.7.2b如果液位偏差小于0.5inch时，保持当前清水阀位输出控制电压；
1.7.2c如果液位偏差大于0.5inch且小于1.0inch时，每10秒轮序执行一次步骤1.1至1.6，更新一次清水阀位输出控制电压；
1.7.2d如果液位偏差大于1.0inch且小于1.5inch时，每1秒轮序执行一次步骤1.1至1.6，更新一次清水阀位输出控制电压。
2.根据权利要求1所述的固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征在于所述液位偏差变化率通过以下公式计算：
液位偏差变化率＝液位偏差-1秒前的液位偏差。
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