压裂机组定排量控制系统算法的研究

唐 军

(四机赛瓦石油钻采设备有限公司，湖北 荆州 434024)

压裂机组定排量控制系统算法的研究

唐 军

(四机赛瓦石油钻采设备有限公司，湖北 荆州 434024)

对国内压裂机组定排量控制系统结构组成、控制对象进行了深入地研究，在此基础上提出相应的控制方案，建立了控制系统数学模型。提出基于bang-bang-PI算法的复合控制方法来改进控制效果。现场应用表明，该控制算法具有良好控制精度与稳定性能，取得了预期效果。

压裂机组；定排量控制；bang-bang控制

压裂是目前提高油气井采收率的有效措施之一, 广泛应用于油、气井增产和注水井的增注。压裂设备是实施压裂施工改造的核心设备, 其技术性能的高低, 直接关系到压裂施工作业的效果。大型复杂压裂作业对压裂设备的要求更高。国内压裂设备控制系统存在的问题主要体现在[1-2]：①液位无法精确控制，当施工排量发生变化时易抽空和漫罐，操作人员需时刻观察和调整液位，劳动强度大；②响应速度无法满足复杂施工需要。笔者重点研究压裂车组定排量控制模式的数学模型及其控制算法。

1 自动定排量模式控制系统结构设计

泵车定排量自动控制就是将某些泵车设置为自动定排量模式，然后设定一个排量值，设置为自动定排量模式的泵车将根据设定的排量值自动调节档位和油门，让机组内所有泵的实际瞬时排量之和达到设定的排量。作业过程中如有个别泵车出现故障，设置为自动定排量的其他泵车能自动提高排量，维持机组内所有泵车的瞬时排量之和为设定排量。

根据作业阶段施工工艺设计的极限压力值，在设定机组工作总排量后，控制系统跟据压力反馈值适当分配各台压裂泵装备输出排量，以达到在一定压力范围内(小于极限压力值)实现定排量作业要求。

图1 排量控制系统结构图 图2 排量控制系统框图

(1)

由式(1)可知，排量环是稳定的。又因为系统属于零型系统，会有一定的稳态误差，因此对于排量控制器Gc(s)的设计选用PI控制算法，以消除稳态误差。

2 自动定排量控制算法研究

2.1PI控制算法

采用频率响应法来确定PI控制器的参数[2-3]。设PI控制器的传递函数为:

(2)

则加上PI校正装置后系统的开环传递函数为：

(3)

令τ=Tq=5，可得:

(4)

图3 排量控制系统波特图

图4 排量控制系统仿真结构图

图5 排量控制仿真波形图

绘制开环系统加校正前后的波特图如图3所示。由图3可知，校正前截止频率为0.2rad/s。为了提高系统的动态特性，将校正后截止频率定为1rad/s，可求的Kpi=1。由此可得PI控制器的传递函数为：

(5)

校正后流量环的闭环传递函数为：

(6)

图4给出了流量控制系统仿真结构图，在Matlab/Simulink中进行了动态仿真，图5是仿真结果。从系统单位阶跃输入仿真结果来看，系统能够在5s内达到设定值并稳定下来，而且整个系统输出无超调，无静差。

2.2复合控制

图6 定排量控制系统结构图

如果系统特性发生变化，控制将发生失误，从而产生大的误差，并使系统不稳定。自动定排量控制采用带死区的Bang-Bang加PI的复合控制，Bang-Bang控制是一种时间最优控制，又称快速控制法。它的输出只有开和关2种状态。在输出低于设定值时，控制为开状态(最大控制量)，使输出量迅速增大。在输出预计达到设定值的时刻，关闭控制输出，依靠系统惯性，使系统输出达到设定值。它的优点是控制速度快，对执行机构控制比较简单(只有开、关2种状态)。系统结构如图6所示。

首先通过查表法，快速获取使得输出排量距离给定排量最近的传动箱档位[4]，剩下的误差通过调整发动机的油门来实现。在发动机油门控制时，采用比例积分调节器(PI)，可提高系统的抗干扰能力，减小静差。为了避免油门控制动作过于频繁，消除由此引起的震荡，人为设置一个不灵敏区B，既采用带死区的非线性控制。当排量误差|ek|≤B时，控制器输出维持不变；只有当|ek|>B时，才按Bang-Bang-PI复合控制算式计算控制量。其中，死区B是一个可调参数。B值太小，调节动作过于频繁，达不到稳定控制过程的目的；B值太大，又会产生很大的误差和滞后。所以应根据实际情况来设定B的数值。

因此，定排量的控制可综合PI和Bang-Bang 2种控制方式，即:

其中，Q是一个可调参数。Q取得小，Bang-Bang控制范围大，过渡过程时间短，但超调量可能变大。Q取得大，则情况相反。在实际控制算法中，当|ek|>Q时，控制量取与偏差同符号的最大值，因此，当偏差较大时，该最大的控制量将使偏差迅速减小，可加速过渡过程。

3 控制系统仿真及结论分析

图7给出了控制系统的仿真波形图，设定排量值为120L/min，可以看到该算法对给定值跟踪迅速，调节时间短，具有一定的自适应性。

图8给出了实际测得的草27-平25井施工试验数据。当控制排量为2.7m3/min时，控制精度为0.5%，说明系统具有良好的控制精度和稳定性。

图7 定排量控制系统仿真波形图 图8 草27-平25井施工试验数据

4 结 语

定排量压裂作业是提高油气井采收率的有效措施之一，广泛用于油、气井增产和注水井增注。通过科技攻关，将压裂作业所需配备的机械设备包括泵车组、混砂车、仪表控制室和遥控箱等20余台压裂设备联网并最终实现机组的协同作业，实现统一、快捷的施工管理和指挥。从定排量压裂工业现场数据可以看到压力和排量控制误差在0.5%之内，满足定排量压裂作业要求。

[1]任勇.新型压裂酸化实时监测系统及应用 [J].天然气工业，2007(8)：32-34.

[2]杜卫平.用PLC技术改造传统的压裂车组[J].石油机械，2003(7)：49-50.

[3]盛超华.压裂车组远程监控系统设计[J]. 计算机测量与控制，2010 (11)：2497-2498.

[4]李家强.油田压裂车组控制系统的改进 [J]. 机械工程师，2005(10)：144-145.

[编辑] 易国华

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

TP393

A

1673-1409(2012)06-N138-03