雷彪 LEI Biao

（中海油服油田化学事业部，天津300450）

0 引言

伴随着石油工业的发展，石油钻采中钻井的深度越来越深，钻采的难度也越来越大。为了尽可能保证油井的质量，工业对石油钻采工艺中油井的加固提出了更高的要求。其固井质量的好坏，不仅关系到后续油井的使用，与石油的开采，还会对油井使用寿命的长短造成直接影响。这其中，作为固井工艺使用的直接原材料，固井水泥与添加剂的搅拌混合方式，主要包括干混和湿混两种形式。而相对于湿混来说，油井水泥的干混搅拌虽然流动性较差，但比较适合大剂量的固井水泥浆的运用，且方便运输，同时又能很好的保证水泥浆体系各项原材料与添加剂的特性，从而被广泛应用。在现阶段的油井水泥干混设备中，随着PLC控制系统与FIX监控程序的引入与应用，使油井水泥的干混搅拌初步实现了自动化控制，并具有很高的可靠性。但由于目前干混设备的控制系统智能化程度较低，且设备状态的信息的共享程度较差，同时缺乏对于干混参数的精确设置与记录。进而使得很多干混设备生产出的油井水泥，无法真正的应用到原油生产当中。基于此，本文将对油井水泥干混设备的控制系统进行优化、设计，设计出一套具有干混过程监控、记录、控制以及通信的程序。并对该系统下设备生产出的油井水泥质量进行检测，以探究本文所设计是否能够解决上述所提问题。以期为相关工作人员或单位的生产建设提供技术帮助。

1 油井水泥混拌系统的概述

1.1 油井水泥干混设备及其混拌原理

油井水泥干混设备作为石油钻采固井环节中的重要装置，是石油工业中最常用到的设备之一，其作用主要用于将固井水泥浆与特定添加剂的均匀混合与搅拌。干混设备混合能力的高低，直接会对后续固井作业的工程质量产生重要影响。关于油井水泥干混设备，其理论基础是气力的输送，在水泥浆的搅拌与混合中，主要表现为物料存储、混拌与散化，三个方面的功能。因此，油井水泥的混拌系统主要是由储存系统、混拌系统与散化系统三部分构成，如图1，为干混搅拌系统的总生产工艺流程图。

图1 干混设备总生产流程图

1.2 油井水泥控制系统

油井水泥的控制系统是设计人员针对固井作业的水泥干混工序，研究、开发的干混搅拌自动控制与生产管理系统，其主要包括工业计算机与稳定的PLC自动控制系统两部分。在具体的固井作业工艺中，干混设备控制系统根据其功能与干混搅拌设备的生产流程，可划分为以下几个部分组成，即：原材料预制设备及其控制系统、配料搅拌设备及其控制系统、成品储存和运输设备及其控制系统三部分。各部分设备由相应的PLC控制系统单独控制，然后再由工业PC进行数据收集、分析、汇总，并进一步处理和命令。进行集散式的管理与监控。

2 油井水泥干混制备的控制系统设计

2.1 上位机监控程序设计

整个油井水泥干混控制系统主要由上位机和下位机两大程序组成。其中由6台HC900控制器组成油井水泥干混控制系统的下位机；由4台现场操作站、1台工程师操作站和4台服务器组成的上位机。上下位机间利用电缆环网的方式进行连接。在上位机中的工程师操作站下需要对6台HC900控制站上传的数据信息进行处理，通常在本设计中会另外设计出一个备用工程师操作工位，以便应对突发状况。因此，本设计中油井水泥干混控制系统的设计概念结构图如图2所示。

图2 本文设计的油井水泥干混控制系统结构概念图

针对油井水泥干混控制系统的上位机监控程序设计中，为保障编写程序具有高度的兼容性与规范性，将使用HoneyWell组态软件进行主体程序的编写与试运行[1]。在该部分中需要重点明确油井水泥干混控制系统下的各个命令段设计目标，如干混过程中的启动、运行、数据监测以及停止等操作命令，而且控制程序中应当还具有对运行参数信息进行更改等功能。通过安装在干混设备中的各种传感器的方式来获取设备的运行参数，从而实现对设备的安全连锁、远程控制以及紧急保护等安全防范措施的监控[2]。在该系统下设备能够对油井水泥干混活动的数据进行进行记录，并将记录的数据上传至控制程序的终端，技术人员可通过调取终端信息的方式将油井水泥干混活动的各种状态信息进行打印，但是由于HoneyWell软件无法提供一种符合常规报表的表格形式，因此需要利用组态软件的方式来为HoneyWell软件提供必要的VBA脚本编辑功能，将其记录的数据以Excel的格式进行输出。该部分的操作程序如图3。

图3 操作程序

将PP加入该程序并把记录的数据写入到Excel表格中的相对位置处，即可解决HoneyWell软件之间无法输出常规报表的问题。

2.2 下位机控制程序设计

本文所设计油井水泥干混控制系统的下位机控制程序同样以HoneyWell软件为基础，对HC900控制站进行控制程序设计。对HC900程序的常规设计分为三种，即结构化编程设计、梯形图编程设计以及模块化编程设计，考虑到本文所设计的油井水泥干混系统的实际情况，将选取模块化编程作为下位机控制程序的设计[3]。首先，需要对每个控制站的通信数据初始化，并分别将下位机中六台HC900控制站与上位机中操作站服务器进行衔接。其次，还需要构建六台HC900控制站与组态软件间的通信通道，借助以太网通信模块的方式下分8个IP地址，并分别对8个IP地址进行ping操作若请求通信命令运行成功便可对六台HC900控制站的通信参数进行进一步的设置，以此来实现油井水泥干混设备各阶段的协同操作，提高油井水泥干混的操作流畅性。

3 控制系统下油井水泥干混的质量检验

3.1 微观结构检验

为验证上述设计下油井水泥干混质量是否能够达到预期标准，将以某特种水泥生产企业生产的G级油井水泥作为实验检测对象，通过某公司生产的高效气流分级机对该油井水泥进行分级处理，从而制备出粗料产品G1与G2和超细油井水泥G-1与G-2，并将G1与G2粗料油井水泥按照一定比例与未分级的G级油井水泥进行混合，进而得出合格油井水泥产品G1与G2[4]。通过激光粒度仪的方式对上述设计设备生产的油井水泥进行测试，然后对合格油井水泥产品G1与G2和G级油井水泥颗粒级配。最后利用X射线衍射仪对油井水泥干混微观结构进行检验[5]。

3.2 物理性质检验

针对上述控制系统生产的油井水泥干混材料进行物理性质的测定。以油井水泥的流动程度为基准设定水灰比，然后将上述7种油井水泥调配制为水泥浆，该水泥浆需要以GB/T10238—2015为参考标准进行油井水泥调配的稠化时间与初稠测试控制[6]。并将调配好的水泥浆倒入模板中，使其可以在45℃的环境条件下进行凝固，且分别需要养护8h、24h和72h。等待水泥浆完全凝固之后使用压力机对其进行抗压强度检验[7]。

4 检验结果与讨论

4.1 粒径大小对水泥浆基本性能的影响

将上述检验操作得出的数据结果汇总与表1中所示。从表1中检验数据能够得出[8]，油井水泥的基本性能与制备的水泥粒径有直接关系，当制备的油井水泥细化程度越高，调配的水灰比和初稠程度将会随之增大，降低水泥浆稠化的时间。出现该现象的主要原因在于，制备的油井水泥颗粒越细，其单体的表面积与体积的比值将会越大，当进行油井水泥的调配时水泥分子与水分子接触反应的时间就会越迅速，使水泥间分子链得以相互搭接，从而降低泥浆的流动性，加速油井水泥的稠化时间。[9]

表1 对不同粒径油井水泥的调和性质检测

发现G1、G2浆体在进行流动度检测的过程中出现游离水的现象，并在静置一段时间之后浆体还产生明显的固液分层现象。通过分析得知，该现象主要是因水泥经分级处理之后粗细两种比例的油井水泥存在较大的间隙，进而导致固液分离的现象发生，使得油井水泥在进行调配时保水性能会出现下降，游离液会在静止阶段不断析出，从而造成浆体分离和浆体稠化时间延长的现象。[10]

4.2 粒径大小对水泥浆强度的影响

在室压下分别对上述型号的油井水泥干混强度进行测试，测试温度分别为45℃和60℃。从测试数据中能够看出，在同等温度条件下调配水灰比为0.45时，G级油井水泥试验模型强度会高于G1、G2、G1和G2的试验模型强度，其中G1模型强度最低，而G1和G2的模型强度基本相同。在确保混合后的水泥浆具有合适的流动度条件下，对G-1和G-2两种水灰比为0.83和1.05的超细油井水泥模型进行抗压强度检测，结果显示G-1和G-2两种超细油井水泥模型的抗压能力明显低于0.45水灰比下其它几种油井水泥干混制备的模型强度。[11]

4.3 不同粒径对油井水泥颗粒分布的影响

将G级油井水泥与分级且经过干混处理的油井水泥浆颗粒分布情况通过曲线图（如图4所示）的方式进行表示，并将不同级别油井水泥浆下体积密度特征值用曲线图4表示。

图4 不同级别油井水泥体积密度特征分布曲线

由图4和表2中数据信息能够看出，油井水泥浆粒径大小为10μm附近的超细油井水泥完全可以通过0.25mm的窄小缝隙，且实际通过量是未经过分级处理G级油井水泥的5倍，由该级别油井水泥形成的隔绝层会具有较高的稳定性和流动性，且在无震荡的条件下不会析水，因此可得出该级别的油井水泥还具有较高的防渗固结作用。另外，由表2中数据可知，将该粒级的油井水泥通过干混制备可以满足多种微细间隙或者小孔径井的固井作业，与其它级别的油井水泥相比可以适用于更多的施工领域。[12]

表2 不同级别油井水泥体积密度特征值μm

5 结语

通过对上述干混控制系统生产的油井水泥质量检测试验可知，经干混制成的G1和G2级油井水泥无论是从水泥浆的颗粒分布角度出发，还是从粒径分布特征值角度出发都可以证明，本文设计的干混控制系统生产的G1和G2油井水泥能够与G级油井水泥媲美。因此，可以佐证本文设计的干混设备控制系统能够实现对油井水泥的精细化分级控制，具有较高的设计研发性与质量控制性，可以为相关生产企业或使用单位提供帮助。