壓裂機組定排量控制系統(tǒng)算法的研究

唐 軍

(四機賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州 434024)

壓裂機組定排量控制系統(tǒng)算法的研究

唐 軍

(四機賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州 434024)

對國內(nèi)壓裂機組定排量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、控制對象進行了深入地研究，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的控制方案，建立了控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。提出基于bang-bang-PI算法的復(fù)合控制方法來改進控制效果。現(xiàn)場應(yīng)用表明，該控制算法具有良好控制精度與穩(wěn)定性能，取得了預(yù)期效果。

壓裂機組；定排量控制；bang-bang控制

壓裂是目前提高油氣井采收率的有效措施之一, 廣泛應(yīng)用于油、氣井增產(chǎn)和注水井的增注。壓裂設(shè)備是實施壓裂施工改造的核心設(shè)備, 其技術(shù)性能的高低, 直接關(guān)系到壓裂施工作業(yè)的效果。大型復(fù)雜壓裂作業(yè)對壓裂設(shè)備的要求更高。國內(nèi)壓裂設(shè)備控制系統(tǒng)存在的問題主要體現(xiàn)在[1-2]：①液位無法精確控制，當施工排量發(fā)生變化時易抽空和漫罐，操作人員需時刻觀察和調(diào)整液位，勞動強度大；②響應(yīng)速度無法滿足復(fù)雜施工需要。筆者重點研究壓裂車組定排量控制模式的數(shù)學(xué)模型及其控制算法。

1 自動定排量模式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

泵車定排量自動控制就是將某些泵車設(shè)置為自動定排量模式，然后設(shè)定一個排量值，設(shè)置為自動定排量模式的泵車將根據(jù)設(shè)定的排量值自動調(diào)節(jié)檔位和油門，讓機組內(nèi)所有泵的實際瞬時排量之和達到設(shè)定的排量。作業(yè)過程中如有個別泵車出現(xiàn)故障，設(shè)置為自動定排量的其他泵車能自動提高排量，維持機組內(nèi)所有泵車的瞬時排量之和為設(shè)定排量。

根據(jù)作業(yè)階段施工工藝設(shè)計的極限壓力值，在設(shè)定機組工作總排量后，控制系統(tǒng)跟據(jù)壓力反饋值適當分配各臺壓裂泵裝備輸出排量，以達到在一定壓力范圍內(nèi)(小于極限壓力值)實現(xiàn)定排量作業(yè)要求。

圖1 排量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖2 排量控制系統(tǒng)框圖

(1)

由式(1)可知，排量環(huán)是穩(wěn)定的。又因為系統(tǒng)屬于零型系統(tǒng)，會有一定的穩(wěn)態(tài)誤差，因此對于排量控制器Gc(s)的設(shè)計選用PI控制算法，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。

2 自動定排量控制算法研究

2.1PI控制算法

采用頻率響應(yīng)法來確定PI控制器的參數(shù)[2-3]。設(shè)PI控制器的傳遞函數(shù)為:

(2)

則加上PI校正裝置后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(3)

令τ=Tq=5，可得:

(4)

圖3 排量控制系統(tǒng)波特圖

圖4 排量控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

圖5 排量控制仿真波形圖

繪制開環(huán)系統(tǒng)加校正前后的波特圖如圖3所示。由圖3可知，校正前截止頻率為0.2rad/s。為了提高系統(tǒng)的動態(tài)特性，將校正后截止頻率定為1rad/s，可求的Kpi=1。由此可得PI控制器的傳遞函數(shù)為：

(5)

校正后流量環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

(6)

圖4給出了流量控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖，在Matlab/Simulink中進行了動態(tài)仿真，圖5是仿真結(jié)果。從系統(tǒng)單位階躍輸入仿真結(jié)果來看，系統(tǒng)能夠在5s內(nèi)達到設(shè)定值并穩(wěn)定下來，而且整個系統(tǒng)輸出無超調(diào)，無靜差。

2.2復(fù)合控制

圖6 定排量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如果系統(tǒng)特性發(fā)生變化，控制將發(fā)生失誤，從而產(chǎn)生大的誤差，并使系統(tǒng)不穩(wěn)定。自動定排量控制采用帶死區(qū)的Bang-Bang加PI的復(fù)合控制，Bang-Bang控制是一種時間最優(yōu)控制，又稱快速控制法。它的輸出只有開和關(guān)2種狀態(tài)。在輸出低于設(shè)定值時，控制為開狀態(tài)(最大控制量)，使輸出量迅速增大。在輸出預(yù)計達到設(shè)定值的時刻，關(guān)閉控制輸出，依靠系統(tǒng)慣性，使系統(tǒng)輸出達到設(shè)定值。它的優(yōu)點是控制速度快，對執(zhí)行機構(gòu)控制比較簡單(只有開、關(guān)2種狀態(tài))。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

首先通過查表法，快速獲取使得輸出排量距離給定排量最近的傳動箱檔位[4]，剩下的誤差通過調(diào)整發(fā)動機的油門來實現(xiàn)。在發(fā)動機油門控制時，采用比例積分調(diào)節(jié)器(PI)，可提高系統(tǒng)的抗干擾能力，減小靜差。為了避免油門控制動作過于頻繁，消除由此引起的震蕩，人為設(shè)置一個不靈敏區(qū)B，既采用帶死區(qū)的非線性控制。當排量誤差|ek|≤B時，控制器輸出維持不變；只有當|ek|>B時，才按Bang-Bang-PI復(fù)合控制算式計算控制量。其中，死區(qū)B是一個可調(diào)參數(shù)。B值太小，調(diào)節(jié)動作過于頻繁，達不到穩(wěn)定控制過程的目的；B值太大，又會產(chǎn)生很大的誤差和滯后。所以應(yīng)根據(jù)實際情況來設(shè)定B的數(shù)值。

因此，定排量的控制可綜合PI和Bang-Bang 2種控制方式，即:

其中，Q是一個可調(diào)參數(shù)。Q取得小，Bang-Bang控制范圍大，過渡過程時間短，但超調(diào)量可能變大。Q取得大，則情況相反。在實際控制算法中，當|ek|>Q時，控制量取與偏差同符號的最大值，因此，當偏差較大時，該最大的控制量將使偏差迅速減小，可加速過渡過程。

3 控制系統(tǒng)仿真及結(jié)論分析

圖7給出了控制系統(tǒng)的仿真波形圖，設(shè)定排量值為120L/min，可以看到該算法對給定值跟蹤迅速，調(diào)節(jié)時間短，具有一定的自適應(yīng)性。

圖8給出了實際測得的草27-平25井施工試驗數(shù)據(jù)。當控制排量為2.7m3/min時，控制精度為0.5%，說明系統(tǒng)具有良好的控制精度和穩(wěn)定性。

圖7 定排量控制系統(tǒng)仿真波形圖 圖8 草27-平25井施工試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

定排量壓裂作業(yè)是提高油氣井采收率的有效措施之一，廣泛用于油、氣井增產(chǎn)和注水井增注。通過科技攻關(guān)，將壓裂作業(yè)所需配備的機械設(shè)備包括泵車組、混砂車、儀表控制室和遙控箱等20余臺壓裂設(shè)備聯(lián)網(wǎng)并最終實現(xiàn)機組的協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)統(tǒng)一、快捷的施工管理和指揮。從定排量壓裂工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以看到壓力和排量控制誤差在0.5%之內(nèi)，滿足定排量壓裂作業(yè)要求。

[1]任勇.新型壓裂酸化實時監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用 [J].天然氣工業(yè)，2007(8)：32-34.

[2]杜衛(wèi)平.用PLC技術(shù)改造傳統(tǒng)的壓裂車組[J].石油機械，2003(7)：49-50.

[3]盛超華.壓裂車組遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機測量與控制，2010 (11)：2497-2498.

[4]李家強.油田壓裂車組控制系統(tǒng)的改進 [J]. 機械工程師，2005(10)：144-145.

[編輯] 易國華

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

TP393

A

1673-1409(2012)06-N138-03