一种新型固井作业监测系统的技术特点

2014-04-05范毅长江大学文理学院机电系湖北荆州434023

石油天然气学报 2014年12期

范毅（长江大学文理学院机电系，湖北荆州434023）

李玲玲（河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘062552）

范红喜（中石油华北油田分公司储气库事业部，河北任丘062552）

SERVA ACM-V固井作业监测系统是针对油田固井作业研制的新一代计算机自动监测系统，用于对固井设备的作业进行全程实时测控和远程管理。SERVA ACM-V固井作业监测系统对泥浆泵输出液体的密度、压力、排量和清水流量进行实时监测与显示，并对作业中各阶段及全过程的累计排量与累计时间进行计算与实时显示。系统可以保存固井作业过程中的全部监测数据，供随时查看与分析作业质量。系统现场仪表的泥浆泵超压保护功能可实现自动碰压和超压保护，保证作业质量和设备安全。现场仪表的远程功能可以通过Internet网络在后台计算机上对固井作业的全过程进行远程监测。

1 系统组成和基本原理

SERVA ACM-V全自动控制混浆系统由以下几部分组成：①密度自动控制系统；②液位自动控制系统；③自动作业系统；④绝对密度的计算系统；⑤网络通讯系统。

操作员输入作业参数后，按 “自动作业”键，控制器根据工艺流程自动启动／停止清水泵和循环泵，自动打开／关闭清水计量阀和干灰计量阀等，并将密度自动控制系统和液位自动控制系统设置为自动控制状态。控制器通过MODBUS模块以通讯方式读取2个密度值和泥浆温度值，并根据经验公式计算绝对密度。控制器通过网络通讯方式读取发动机和传动箱的相关数据，通过无线通讯方式将固井作业数据下载到数据采集器，数据采集器通过卫星通讯方式传送到远程中控室。

2 监测系统的主要技术特点

2.1 自动作业过程

操作员可以在人机界面上输入混浆槽容量，PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数，也可以在人机界面上完成对流量计和压力传感器等的校准。操作员在设置完作业参数后，只需按 “自动作业”后再按 “启／停”键，控制器根据工艺流程自动启动／停止清水泵和循环泵，自动打开／关闭清水计量阀和干灰计量阀等，并将密度自动控制系统和液位自动控制系统设置为自动控制状态。

2．1．1 密度自动控制

控制系统对作业过程中可能出现的3种变化做出响应：清水流量的变化、设定密度的变化及干灰传输能力的变化。清水流量计测量清水流量并将其反馈给计算机，计算机用这些数据来计算控制器增益和干灰计量阀的设定位置。只要清水流量变化，干灰计量阀都会在密度值变化前做出响应。控制器每秒钟读取一次密度值，PID控制算法结合实际密度及清水流量来计算并调节干灰计量阀的开启度，PID的系数根据生产量和混浆槽容量的变化而变化。

操作员通常会在尾浆末段增加密度设定，控制器根据当前干灰传输能力、当前密度及清水流量计算新的干灰计量阀阀位值，该阀位值由已知的 “定位”值决定，当干灰计量阀达到该 “定位”位置后还存在一定偏差时，PID控制回路开始作用，这时偏差通常会达到最小限度。由于干灰传输能力是个变化量，控制系统需要对干灰计量阀的阀位进行修正。密度自动控制系统计算实际干灰传输能力，并用该值与设定干灰传输量及排量来计算新的干灰计量阀阀位 “定位”值，干灰计量阀会再次达到新的“定位”值。

2．1．2 液位自动控制

操作员在作业开始前设置一个设定液位（通常该液位设定后就不需要更改），作业开始时液位控制处于手动控制状态，实际液位接近设定液位后再将其设置为自动控制状态，液位将很快被控制在设定的范围内。混浆作业完成后，液位自动控制应该被设置为手动控制状态以便排出混浆槽内剩余的泥浆。

2.2 数据管理方式

2．2．1 预存多组作业参数

SERVA ACM-V控制器预存了20组作业参数，操作员可以根据需要选择其中的1组参数作为作业参数，而不需要逐一输入。如果所需的作业数据没有预存，操作员可以在预存数据中的一组对其加以修改。

2．2．2 绝对密度的测量与计算

为保证数据的准确性，SERVA ACM-V系统安装有2套非放射源密度计，控制器通过MODBUS模块以通讯的方式读取不同位置和不同压力下的泥浆密度值，并根据经验公式计算出绝对密度。人机界面上显示有测量密度、密度偏差和修正密度及一个 “密度修正”按键，操作员可以根据需要来选择用于控制和计算的密度。

2．2．3 阶段体积的设计与显示

SERVA ACM-V系统提供阶段体积设置屏面，可以输入阶段名称（如冲洗液、隔离液、领浆、尾浆及顶替液等）和该阶段的设定泥浆体积，并在运行屏面上显示每个阶段泥浆的实际体积及进程。

2．2．4 档位设置

SERVA ACM-V系统提供档位设置屏面，用以设置柱塞泵在不同档位时的压力和流量极限值及输出马力极限值，并在运行屏面上显示，操作员可以很直观地了解当前的压力、流量及输出马力情况。

2．2．5 显示曲线和工艺流程

SERVA ACM-V系统的运行屏面显示了密度曲线、压力曲线、排量曲线和工艺流程。操作员可以修改每条曲线标尺的最大值，控制器采集阀和泵的运行／停止反馈信号并在工艺流程上加以显示。

2．2．6 数据记录和传输

密度、清水流量、排量及大泵压力等数据以一定的时间间隔存储控制器中，控制器可以存储约2h的作业数据，超出存储容量的数据将覆盖最先存储的数据（先进先出）。作业数据以ASCII格式存储在控制器中，并可以通过RS232电缆／无线通讯方式下载到PC机／便携式数据采集器中，下载后的数据可以转换成电子数据表用以制作报表或绘制曲线，数据采集器通过卫星通讯方式传送到远程中控室。专家、企业管理者、甲方管理者以及其他人员经授权后，都能在自己的办公室通过办公电脑实时了解固井作业的实际情况，使大家都能观察分析固井作业质量，解决固井作业中的问题。

3 安全保障措施

SERVA ACM-V系统采用电喷发动机和电控传动箱，并配置了完备的网络通讯部件。控制器通过网络数据通讯实时获取发动机、传动箱的系统配置和运行参数，为设备的安全、稳定运行和维护保养提供了有力的保障。

4 模拟功能

控制器的模拟功能可用来进行操作员培训和系统功能测试。使用模拟功能，操作员可在不用水泥的情况模拟实际固井作业，在不需要增加任何费用的情况下提高操作质量和技能。在模拟方式下，操作员启动清水，手动或自动控制干灰计量阀，控制器读取阀位反馈值并计算模拟干灰量。控制器根据清水流量，混浆槽容量、每袋水泥造浆量、每袋水泥需水量及每袋水泥重量计算模拟实时密度值。