基于PLC混砂车控制系统在页岩气压裂机组中应用 -.pdf

基 于 P L C 混砂车控制 系统在页岩气 压裂机组 中应用 陈永军 。等 基于 P L C混砂车控制系统 在页岩气压裂机组中应用 PLC Ba s e d o n Co n t r o l S y s t e m o f Bl e n d e r a n d I t s Ap p l i c a t i o n i n S h a l e Ga s Fr a c t u r i n g 引言 陈永 军 1 ，2 贾甜 1 ， 2 1 ．非常规油气湖北省协 同创新 中心 ，湖北武汉 4 3 0 1 0 0 ； 2 ．长江大学电子信 息学院 ，湖北荆 州 4 3 4 0 2 3 [ 摘 要】 设计 了页岩气压裂过程 中混砂 车工 艺流程 。在 此基 础上分析 了混砂 车混砂 工艺原 理 ，给 出 了基 于 A B P L C控 制 系统框 图 ，提 取 了混 砂控 制 过 程 中的关键 变量 ，并 对 各 个 变量 的 控制及其难点给 出了解决方法 ，最后给 出了混砂 车在页岩 气开采现场 中的砂比及液添变量控制 的 测 试 结 果 [ 关键词】 页岩气；混砂车 ；压裂作业 ；P L C 【 中图分类号】 T M9 3 2 【 文献标识码】 A 随着经济的发展 ，我 国对 能源的需求越来越 大。而我国石 油资源短缺 ，传 统的石油资源 1 3 益 枯竭 ，导致对天然气 的依存度越来越高 。 页岩气 属于非常规天然气 ，它主要 以吸附态 或游离态保存 于高碳 或暗色泥页岩中 ，具有 自生 自储 、无需 圈闭条件 、大面积连续聚集 、低孔 隙 度 、低渗透率等特点 。近年来 ，经 济发 展对 能 源 的 需 求 不 断 增 加 、开 发 者 对 页 岩 储 层 特 征 和 成 藏 条件 的认 识不断加 深 、水平井 工艺和多级压裂 技术不断进 步 ，使 得对页岩气 的开发 由北美 向全 球范 围内迅 速蔓延 。加快页岩气资源 的开发与利 用 ，形成 自主 的开发技术 ，是各 页岩气大 国解决 自身能源危机的最佳选择 。 中国页岩气 技术可采资源量达 到 3 6万亿方 ． 居世界第一。加快页岩气资源 的勘探 与开发 有助 于缓解 中国的能源危机 [ 1 ] 。 在 5 O 0 0 m 以下 的 页 岩 深 层 勘 探 和 开 发 方 面 。 越来越多的储层需要进行水力压裂施工改造 ．深 层压裂改造规模也在不断增大 。最高工作压力在 9 0 MP a以上 ， 总施 工 液 量 在 1 O 0 0 m 以上 ．施 工 时 间长达 2 0 0 ～ 3 0 0 m i n 。 目前在 国内投入使用 的混砂 设备 已经不能满足施工作业 的要求 ，或者使用上 存在 安全 隐 患 ，很 多地 区 的勘探 开 发受 到 了制 约[ 2 1 。这些大型复杂压裂作业对压裂设备的要求更 高。针对混砂 车的控制 系统 ，页岩气压裂现场 的 要求主要体现在以下几个方面【3 J 1 反应及时 ，液位控制迅速 ，可 以根据施工 设计和修改 即时改变排量 2 砂 比精确 ，反应迅速 ，可以根据施工设计 和修改即时调整砂 比 基金项 目 “ 非常规油气湖 I T S “ 协 同创新 中心” H B U O G 一 2 0 1 4 1 1 资助项 目 国家重 大专项 “ 3 0 0 0型成套压裂装备研制及应用示 范工程 ” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 4 8 一 23 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 仪器仪表与 分析监测 2 0 1 5年第 1期 3 可 以 自动 进 行 阶段控 制 4 系统易用 、易维护 、可靠性高 。 本文分析 了页岩气压裂过程 中混砂 车工艺流 程 ，探 讨 了混砂 车混 砂 工 艺 原 理 ，研 究 了混 砂 控 制算 法 ，再 从 基 础 上 给 出 了基 于 美 国 A B公 司 的 P L C控 制 系 统 设计 框 图 ，并 给 出 了混 砂 车在 页 岩 气开采现场中的测试结果 。 1 混砂车作 业工艺流程 1 设 定混 合 液液 位 ，根 据超 声 波液 位 计 采 集 到的实时液位信号调节基液流量 ，并在作业过程 中使混合罐 的液位保持在设定高度 ，如图 1 所示 。 图 1 混 砂 车 作 业 工 艺 流 程 图 2 根据设定的支撑剂起始 浓度 、结尾浓 度 、 阶段基液 总量 ，采集 的实时基液流量 ，计算 出设 定的绞龙转速以确定支撑剂输送量。 3 根据 设 定 的添 加剂 配 比和采 集 的基 液 实 时 流量计算 出设定 的添加剂流量 ，并根据采集 的实 时 添 加 剂 的流 量 ．以 P I D控 制 方 式 自动 调 节各 种 添加 剂 的流量 。 2混砂 工作原理 混砂装备是页岩气压裂机组 中的关键设备 之 一 ，其作用是在压裂施工 中按一定 的比例和程序 输 砂和 混 砂 ，并 把这 些 不 同砂 比 砂 液 浓度 、不 同粘 度 的 压 裂砂 液 低 压 泵 送 给 压 裂 泵 送 装 备 。它 的工作 性 能 的好 坏将 影 响 到整 个 压裂 施 工 的成 败 。 所 以在设 计混 砂 车时， 既要 考虑 到设备 的耐 用 、 一 2 4 一 可 靠 ， 又 要 顾 及 到 它 应 有 较 大 的 处 理 量 。 液 量 、 砂量 应 能分 别 自由控 制 和 计 量 ，含 砂 比则 要 尽 可 能高 。 混 砂 车 的结 构 主要 由传 动 、供 液 和输 砂 系 统 三部 分 组 成 。其 工 作 流 程 为 将 混 砂 车通 过 以 太 网 与 中 央控 制 器 相 连 ，吸 入 泵 离 心 泵 向混 砂 罐提供清水 、输砂器 向混砂罐提 供干砂 、液添 泵 向混砂罐提供胶联剂 支撑剂以及干粉添加等 。 经混砂罐 内搅拌器充分搅拌后 ，由砂泵 离心泵 从 罐 内 吸 出排 给 压 裂 车 的 柱 塞泵 吸 人端 。 流程 图 如 图 2所 示 。此 过 程 为 连 续 动 态 过 程 。上 述 所 有 执 行 均 为液 压 驱 动 ．并 可无 级 变 速 ．在 手 动控 制 或 自动控制的方式下实现各种介 质按 比例 、按排 量 的混合液排出。 将混砂 车坶巾央控 制器 通 过以太嘲连接 ● 吸入援向混砂 镩提 供清水 ● 输砂器 向混砂罐提供 r 砂 添泵 向混砂 罐提供立挎荆及 f 粉 ★ 充分搅拌 。排 给聪襞 牟 柱褰泵 吸入端 图 2 混 砂 工 作 流 程 图 控 制 系统 由液 位 自动 控 制 子 系统 、绞 龙 自动 控 制 子 系统 、液 添 自动 控 制 子 系 统 、干 添 自动 控 制 子 系 统 、排 出 自动控 制 子 系 统组 成 。包 括 手／ 自 动无扰切换功能 、斜线添加功能 、阶梯添加功能 和 自动 作业 阶段 功能 。系统 框 图如 图 3所示 。 I擗 出 自 动 拄 ．制 1 ． 一 ． J 渡 能 动 控 制 I 乎 系 统 I ’ ≯ 系 统 l 手 自 动 切 换F - ． 一 绞 龙 舟 动 控 制 ’ l } 系 统 混秒 率巾央控制器 斜线添加功能 L - A B PL C 液 制 阶梯添加功能I _ 一 千 添 自 动 控 制 l 系 统 图 3 中央 控 制 器 及 其 子 系统 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基于 P L C混砂 车控制 系统在页岩气压 裂机组 中应 用 陈永军 。等 系统 的基本工作原理如下 操 作 员 输 人 多 组 作业 参 数 最 多 可 以输 入 2 0 组 后 ，按“ 开 始 ”键 开 始 混 砂 作 业 ，计 算 机采 集 混砂罐液位 ，控制软件 比较实 际液位和设定液 位来设定 吸人流量 ，并 由此来控制 吸入 阀位 和吸 人泵 转 速 计算机采集吸人流量和绞龙转速 ，控制 软件 根据实际吸人流量 和设定浓度来计算设定绞龙转 速 ，比较设定绞龙转速和实 际绞龙转速来调节 实 际 绞龙 转 速 ； 计算机采集吸人流量和液体添加剂速率 ，控 制软件根据实际吸人 流量 和设 定液体 添加剂 配 比 来计算设定液体 添加剂 速率 ，比较设定 添加 剂速 率和实际液体添加剂速率来 调节实际液体添加剂 速 率 计算机采集 吸人 流量和干粉添加剂速率 ，控 制 软 件 根 据 实 际 吸 人 流 量 和 设 定 干 粉 添 加 剂 配 比来 计 算设 定干 粉 添加剂 速 率 ，比较 设 定 干粉 添 加剂 速率 和实 际干 粉添 加 剂速 率来 调 节实 际 干 粉 添 加 剂 速 率 计算机采集排 出 口压力和排 出流量 ，控 制软 件 通 过 调 节 排 出 口的 压 力 来 调 节 排 出 泵 的转 速 ， 以保证 排 出 口压 力在 设定 排 出 口压力 上 限 和设 定排 出 口压 力下 限之 间 ．以免排 出 口压 力值 太 高导致 排 出泵长 时间高速工 作 ，影 响机械 寿命 ， 或排 出 口压力值太低 ，导致排 出管线抽空 。 3 混砂作 业过程参 数的测控 要求 3 ． 1液位 自动控 制 子 系统 系统 由流量计 、超声波液位计 、计算机 、吸 入泵驱动板和手动控制组成 。工作 时 ，通过液位 计将实 时检测到的液面信号反馈 给 P L C．P L C将 该数据与作业设 定数据进行 比较 ，输出控制信号 给 吸 人 泵 驱 动 电 路 板 ，从 而 调 节 吸 人 泵 转 速 ，维 持液面高度的稳定 ，实现液面 自动 。 控制系统的精度主要取决于检测反馈 回路的 精度 。整个 系统 的精度不 可能高于检测反 溃回路 的精度 ，所 以信号精度将最终 限制所设计 的控 制 系统 的精度 。 因 此基 于混 砂 工 艺 特点 的 信号 采 集 和测 量 方 式 的确定非常重要 。混砂车液位计使用超声波液 位 计 ，抗 干 扰 能 力 更 好 ．可 应 用 于 含 有 泡 沫 的 介 质测 量 。 3 ． 2 砂 密 度 自动 控 制子 系统 将采集 的绞龙转速 单位 转／ 分经微处理 器转化为数字量 ，作为过程变量 P V。 根据设定 的支撑剂起始浓 度 、支撑 剂结 尾浓 度 、阶段基液 总量 ，计算 出对应不 同阶段基液总 量时支撑剂设定 的浓度 ，再用计算 出的设定支撑 剂 浓 度 乘 以采 集 的基 液 流 量 ，得 出设 定 支 撑 剂 速 度 方／ 分钟 ，再除 以绞龙 因子 方／ 转 ，得 出设 定绞龙转速 ，最后乘 以绞龙速 比 ，得 出单个绞龙 的设定转速 ，再将 这个设定转速转化为数字量 的 设定值 S P 。 根据 s P和 P V，用 P I D进 行控制 ，将计算 的 数 字 量 的结 果转 化 为 电 压后 ，经 微处 理 器 的控 制 输出模块输出给外部电路 ，经过外部 电路的放大 ． 输出给液力马达 ，从而控制绞龙转速 。 3 ． 3液添 自动控制子系统 液体添加剂包括 2个 ，其 自动添加控制流程 如 下 根 据设定 的添加剂浓 度 ，采集 的基液 流量 ． 计算出设定添加剂的流量 ，转化为数字量 S P 。根 据流量计测得 的实 时添加剂 流量 ，转化为数字量 作为 P V。用 P I D进行控制 ，计算 出一个控制电压 并 由微处理器的模 拟输出模块输 出给多路 阀 ，从 而控制添加剂流量 。 3 ． 4干添 自动控 制 子 系统 控制干粉添加剂 的浓度 。计算机采集吸人流 量和干添泵的转 速 ，控制软件根 据设定 干粉添加 剂 的浓度及实际吸人 流量来计算设定 干粉添加剂 的输入速率 ，再 比较 实际干粉添加剂 的输入速率 和设 定干粉添加剂 的输入速率来调节实际干粉添 加剂的输入速率 。控制软件具有斜线加干粉添加 剂功能和阶梯加干粉添加剂功能 ，并具有浓度保 持功能 。 一 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m