加重钻井液快速混配自动控制系统研制

卢 晨，刘 燕

中国石化石油工程机械公司第四石油机械厂 （湖北 荆州 434023）

在气井钻开储层时，极易发生井喷事故，采用加重钻井液快速压井是确保钻井作业安全的必备手段。目前井队大部分采用储备加重钻井液的方式，储备钻井液的配制均采用钻机固控系统的钻井液配液装置进行混配，效率低，劳动强度大。2011年研制成功了加重泥浆的混配装置[1]，并于2011年底及2012年初进行了现场工业试验。经过试验验证，该装置可以连续、快速的混配钻井液，设备应用良好；但在设备作业过程中，操作人员劳动强度大，混配的加重钻井液密度波动较大。该装置由于采用手动控制，操作人员通过观察密度计的测量密度，手动调节下灰阀的阀位开度以控制下灰量，或者通过调节基浆进口阀的阀位开度控制基浆流量，或者2个阀一起调节，来控制混配密度以接近于目标密度，操作人员要不停的调节2个阀，还要观察混合罐液位，操作劳动强度较大，混配的加重钻井液密度均匀度也有限。为了减轻操作人员的劳动强度，提升装置混浆密度的均匀性，为混配装置研制了一套自动混浆系统，以用来自动控制混配加重钻井液的密度及混合罐液位[2]。

1 工作原理

灰罐里的粉状加重剂通过压缩空气沿管线输送到拖拉多混合器上端的下灰蝶阀，基础钻井液或基浆（水）通过砂泵排出口的蝶阀进入喷射泵，加压后形成高速流体进入拖拉多混合器。当下灰蝶阀开启，高速流体在拖拉多混合器内产生的涡流形成的真空，还可以帮助从下灰蝶阀吸入的粉状加重剂与高速流体进行混合。混合后液浆叫加重浆或重浆，由排出蝶阀排出。通过混合器罐顶的超声波液位检测反馈，以及吸入口蝶阀、排出口蝶阀的开度可以稳态的调节进液量和排出量的输入输出，用以稳定混合罐内的加重浆至所需要的液位，从而避免发生液体吸空和溢出的情况。

自动混浆控制系统是由安装在循环管路的密度计来实时采样反馈[3]，以控制基浆蝶阀、下灰蝶阀的开度来调节密度达到或趋于需要的设定值[4]。由于混浆控制系统中，密度的确定与基浆和加重剂的进入速度，流量大小，搅拌速度，及压缩空气的压力等系列不可控因素有密切关系，直接运算与推导具有很多的不可确定性。故以经典的PID控制为主要运算反馈控制方式，这样做的好处是我们只需要关注混浆系统的输入与输出，并根据输出稳态误差与超调趋势去负向调节输入量，而无需关注混浆本身的诸多不可控因素。

2 自动控制系统指标

①基浆吸入量：范围(0.000～9.999)m3/min；精度：±0.2%+传感器误差；②重浆排出量：范围：(0.000～999.9)m3/min；精度：±0.2%+传感器误差；③重浆密度：范围：(0.000～3.000)g/cm3；精度：±0.1%+传感器误差；④混浆灌相对液位：范围：(0.0～100.0)%；精度：±2.5%+传感器误差；⑤基浆吸入蝶阀角度：范围：(0～90)°；精度：±0.2%+传感器误差；⑥下灰蝶阀角度：范围：(0～90)°；精度：±0.2%+传感器误差；⑦重浆排出蝶阀角度：范围：(0～90)°；精度：±0.2%+传感器误差。

3 自动控制结构

加重泥浆快速混配全自动控制系统是由工业计算机上位、单片机控制单元、检测传感器、阀门阈度执行器件、操作手柄与输入按键5大部分组成，系统结构见图1。

图1 自动控制结构

各种检测传感器负责对需要检测的参数实施实时检测，包括基浆吸入量、重浆排出量、混浆罐相对液位、重浆密度、基浆吸入碟阀手控量、下灰碟阀手控量、重浆排出碟阀手控量、基浆吸入碟阀角度、下灰碟阀角度、重浆排出碟阀角度、基浆吸入碟阀控制、下灰碟阀控制、重浆排出碟阀控制、基浆吸入泵电机电流、搅拌泵电机电流、循环泵电机电流、重浆排出泵电机电流、循环泵电机电流。这些参数有些对控制负反馈循环有直接作用，有些直接上传给上位机做显示参考用（参数量见图1）。

各种控制执行器件负责根据控制命令执行对需要控制的部件实施控制，包括基浆吸入碟阀、下灰碟阀、重浆排出碟阀、基浆吸入泵电机、搅拌泵电机、循环泵电机、重浆排出泵电机、中继泵电机。

集成化的单片机控制单元负责根据工业计算机终端的命令与系统设置、各种检测传感器的实时检测数据，计算后给各种控制执行器件发送控制命令，并将各种检测传感器的检测数据与各种控制执行器件的控制状态发送给工业计算机终端。工业计算机终端负责接收操作手柄与按键的操作命令并显示各种检测传感器的检测数据与各种控制执行器件的控制状态。

系统硬件全部采用模块化设计、模块更换可在5min内完成，并且允许热插拔；系统硬件采用全热备份冗余设计；系统软件全程自检，故障模块可以在10s内剔出运行、报警并指示故障部位；将设备操作工艺集成入系统，保证设备安全。

4 控制流程与算法

在混浆控制整个过程中，有2个设定参数是需要PID反馈控制的SP参数，一个是重浆在混合罐内的液位；另一个便是重浆密度。 重浆混配的质量是由控制重浆密度来保证的，重浆密度通过下灰蝶阀和基浆蝶阀阈度，重浆排出蝶阀的角度控制来调节，控制基于串级PID反馈控制算法；重浆混配速度（在一定液位下）通过调节重浆排出蝶阀的角度来控制，控制基于PID反馈控制算法。

1）重浆排出蝶阀控制与混合罐液位高度、下灰蝶阀开度的关系：

重浆排出蝶阀控制量＝A＋（混合罐液位高度/混合罐高度）×K×B；

重浆排出蝶阀控制周期：Ts=600ms。

其中：A为重浆排出蝶阀控制量0点基数；B为重浆排出蝶阀控制量最大值；K为控制系数。

下灰蝶阀控制量在0～25%时K=2.0；下灰蝶阀控制量在25%～50%时K=1.5；下灰蝶阀控制量在50%～75%时K=1.0；下灰蝶阀控制量在75%～100%时K=0.5。

混合罐液位高度：由混合罐液位传感器检测输入；混合罐高度：设备常量参数，用户设置。

当设定了重浆排出量与液位高度后，系统实际上将液位做为SP（设定值）；保持液位在一定程度上波动的情况下，当人为设置排出量增加或减少时，系统根据超声波探测器探测的液位高度来自动调节基液进口阀门的阈度；通过阀门调节使得排出与输入在液位（PV）过程输出值上与设定值趋于一个稳态误差范围内，并通过积分原理逐步逼近SP值，消除误差。在控制原理上来讲，干扰液位的主要来源是排出口的快速变化导致的液位线性增减，类同于PID二阶系统的斜坡响应。

2）下灰蝶阀控制与重浆密度的关系：

下灰蝶阀控制量＝下灰蝶阀上周期控制量＋下灰蝶阀控制增量；

下灰蝶阀控制增量＝(EB0－EB1)×KBP＋(EB0+EB1)KBP/KBI＋(EB0－2×EB1＋EB2)×KBP×KBD；

下灰蝶阀控制周期：=1 000ms；

其中：KBP为密度控制比例值；KBI为密度控制值积分；KBD为密度控制微分值；EB0为本周期密度误差值；EB1为上周期密度误差值；EB2为上上周期密度误差值。

密度误差值 ＝密度实际采集值－密度控制目标值；密度实际采集值由密度传感器检测输入；密度控制目标值（SP）为重浆混配质量参数，用户现场设置。

密度控制的流程建立在液位控制基础上。由于需要保持重浆在一定的水平液位上，基浆需要不断补充由重浆排出导致的液位下降，势必造成密度曲线性降低。因此以密度计为反馈信号的密度控制，建立在以液位为控制对象的基础上。在控制联级上成PID串联控制，方框图见图2。

图2 串联的PID控制方框图

密度PV（过程值）回馈给程序[5]，检视回馈过程值与设定值之间的偏差，继而加大或减小下灰阀阈值。由串联PID控制的方法同时可以满足液位与密度的调节需要。同时这两个互相作用的因素也因PID的调节作用保持一定的范围波动。

3）基浆吸入蝶阀控制与混合罐液位高度的关系：

基浆吸入蝶阀控制量＝基浆吸入蝶阀上周期控制量＋基浆吸入蝶阀控制增量；

基浆吸入蝶阀控制增量＝（EA0－EA1）×KAP＋(EA0＋EA1)KAP/KAI＋(EA0－2×EA1＋EA2）×KAP×KAD；

基浆吸入阀控制周期=600ms。

5 现场应用

2013年1月，该装置在江汉油田进行了第二次工业性试验，试验设计混配加重钻井液180m3，基浆密度1.1g/cm3，加重后钻井液密度要求1.8g/cm3，加入重晶石粉100t，装置连续工作时间40min，完成了加重钻井液的混配工作，密度为1.89～1.91g/cm3，作业过程中三套自动控制的蝶阀调整良好，液位传感器工作正常，操作人员的劳动强度大幅度降低。取得了较好的效果。

6 结论

加重泥浆快速混配设备经过3年的研制，通过4次现场应用试验的检验，该设备布局合理，操作方便，作业压力高，排量大，混浆能力强，混合密度均匀，极大的提高了钻井液加重的速度，整机性能先进，工作可靠。尤其是后配套的自动控制系统，不但减少了人力成本，避免人员手工参与控制工作，同时工艺的连贯性也得到了保证，重浆生产随需随配，控制人员只需要熟练操作设备即可。生产出的加重浆体密度比手工明显均匀，密度波动可以保持在一个静态范围内，随着工艺精度的需要，可以人为上位调节比例积分和微分，确保系统在规定的响应时间达到稳态范围。

[1]刘燕,余旭阳，秦赟.加重钻井液快速混配装置的研制[J].石油机械,2013，41（1）：24-26.

[2]白旭东.钻井液加重装置的研制[J].机械工程师,2010（3）：129-130.

[3]柴占文,牟长清,侯召坡,等.4000m低温车载钻机固控系统的研制[C]∥2011年石油装备学术研讨会论文专辑.

[4]张杰,柴占文,常亮,等.低温钻机固控系统保温研究[J].石油矿场机械,2012,41（6）：33-37.

[5]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2011.