劉明輝

[摘 要]本文通過對雙S壓裂機組混砂自動控制系統(tǒng)的分析，并結合延長油田各采油廠的壓裂施工設計參數(shù)進行了現(xiàn)場運行，修訂了存在的問題，實現(xiàn)了整個壓裂施工過程的自動化控制，保證了現(xiàn)場施工的精確控制，提高了壓裂施工質量，減輕了勞動強度。使得最為先進的混砂自動控制系統(tǒng)在延長油田壓裂施工中得到了應用。

[關鍵詞]混砂 密度控制器 砂比

中圖分類號：S193 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）10-0388-01

引言

延長油田井下作業(yè)工程公司購置的美國雙S公司2000型壓裂機組，具有極其先進的網絡化自動控制系統(tǒng)，是目前國內自動化程度最高的壓裂機組之一。使用初期，由于AccuFracTM混砂自動控制系統(tǒng)全英文操作界面、系統(tǒng)設定較為復雜、混砂車配套的射源密度計（測量砂比用）沒有到位，而且系統(tǒng)參數(shù)設置與延長油田的壓裂施工設計參數(shù)還存在一定的差異，因此一直沒有在現(xiàn)場施工中得到應用。

雙S 2000型機組經過一年多的運行，設備的-先進性能在壓裂施工中得到了體現(xiàn)，隨著密度計的配套和設備操作人員對系統(tǒng)的逐漸熟悉，混砂自動控制系統(tǒng)的應用具備了條件。

1 AccuFracTM混砂自動控制系統(tǒng)原理

混砂自動控制系統(tǒng)的核心是雙S自行設計的AccuFracTM混砂自動控制系統(tǒng)。如果整個施工過程已經被預先編好程序并輸入到計算機中，則在系統(tǒng)可以保證混砂車執(zhí)行最復雜的施工程序，而整個施工過程中無需操作人員的協(xié)助。

1.1 混砂車AccuFracTM系統(tǒng)介紹

壓裂施工的關鍵參數(shù)是混合液密度（砂比）的控制。混砂車AccuFracTM系統(tǒng)包括兩個主要部分，一是自動密度控制系統(tǒng)（ADC），混砂車密度控制系統(tǒng)的基本功能是控制壓裂液和支撐劑的混合，保證混砂車能夠按照預先設定好的程序輸出一定的混合液密度（砂比），在整個的施工過程中，需要我們輸入施工數(shù)據，然后密度控制系統(tǒng)根據監(jiān)測的數(shù)據及反饋數(shù)據，計算需要多少支撐劑來達到設定目標密度（砂比）。從而實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的運行。

1.2 通訊原理

AccuFrac PCTM軟件安裝于儀表車的計算機上，通過其進行硬件參數(shù)、施工參數(shù)的設定。AccuFracTM則安裝于混砂車上，用于接收、處理來自儀表車的施工參數(shù)，并將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據反饋給儀表車。

網絡化自動控制的核心是網絡控制器，網絡控制器安裝在儀表車上，與儀表車計算機的AccuFrac PCTM軟件接口是RS232通訊協(xié)議。另外網絡控制器按RS485協(xié)議與其對應的設備通訊，此設備包括：（1）一臺混砂車；（2）一個CAS（化學添加劑系統(tǒng)）；（3）一個DAS（數(shù)據采集系統(tǒng)）。本文中我們重點介紹混砂車及AccuFracTM混砂自動控制系統(tǒng)。

2 混砂自動控制系統(tǒng)的設置及運行

AccuFracTM自動控制系統(tǒng)是一個功能強大的可編程系統(tǒng)，用戶可以根據現(xiàn)場施工設計需求，自定義設定系統(tǒng)的運行參數(shù)、施工數(shù)據等。

2.1 作業(yè)設置

作業(yè)設置中各參數(shù)設定值的具體意義如下：

Stage：階段。軟件支持一個作業(yè)可以為100個階段，即前置、攜砂、頂替各個階段。

Volume：階段體積。即前置液、攜砂液、頂替液每個階段的液量體積。

Proppant：支撐劑的密度。壓裂砂的密度，我們常用的蘭州石英砂為2.65 g/cm3。

Bulk Density：支撐劑體積密度。壓裂砂的體積密度，我們常用的蘭州石英砂為1.6g/cm3。

Fluid：基液密度。壓裂液的密度，我們常用的為1.0千克/升。

Slurry Start：每個階段的起始砂比。

Slurry End：每個階段的結束砂比。

作業(yè)設置共有六項參數(shù)，其中三項為常數(shù)，

只要我們第一次設定后，以后就不需要進行修改。每次需要我們進行作業(yè)設置的只有Volume（階段體積）、Slurry Start（起始砂比）、Slurry End（結束砂比）三項。一旦完成作業(yè)設置，必須點擊Set將設置參數(shù)發(fā)送給混砂車，混砂車在接到數(shù)據后，將會按照作業(yè)設置中的參數(shù)進行自動運行。

2.2 混砂自動控制系統(tǒng)的運行

自動控制系統(tǒng)是以階段體積（累計排出量）為計數(shù)器，當階段累計排量達到設定的階段體積時，系統(tǒng)將自動切換進入下一階段。我們以圖2中的施工數(shù)據作一運行。當設置好相關硬件參數(shù)及施工程序，并將混砂車啟動，AccuFracTM系統(tǒng)的按鈕設置為Auto（自動），此時點擊AccuFrac PC軟件的“start”按鈕，整個混砂自動控制系統(tǒng)便開始運行。

第1，2階段，混砂車只做吸入、排出動作，當累計排量達到4.5+21m3時，進入下一階段；

第3階段，輸砂絞龍開始運轉，保證輸入的砂量在混合罐中的體積比達到20%，此時砂比由密度計測量得到，并反饋給混砂控制器，對絞龍轉速進行調整，當階段累計排量達到10方時，進入下一階段；

第4階段，輸砂絞龍轉速增加，保證輸入的砂量在混合罐中的體積比達到25%，當階段累計排量達到16方時，進入下一階段；

第5、6階段，混砂車動作與第3、4階段相同；

第7階段，由于沒有起始和結束砂比，此時絞龍停止運轉，，混砂車只做吸入、排出動作，當階段累計排量達到3.2方時，進入下一階段；

第8階段，階段體積值為0，此時，混砂自動控制系統(tǒng)停止運轉，施工結束。

2.3 混砂自動控制系統(tǒng)異常情況的處理

每次壓裂施工，不可能保證都像程序設定那樣順利執(zhí)行。因此，會出現(xiàn)一些異常情況，比如壓力高，若按作業(yè)設置進行運行，則會出現(xiàn)砂堵等情況的出現(xiàn)，導致施工失敗。此時我們該如何應對？

自動控制系統(tǒng)是一種互動式的系統(tǒng)，因為作業(yè)者為任何一個階段指定的值都可以在系統(tǒng)執(zhí)行該階段之前進行調整。主要的操作方法有修改階段數(shù)據、暫停功能、切換手動控制三種。

2.3.1 修改階段數(shù)據

當出現(xiàn)施工異常情況，需要對以后的所有階段量進行改變時，此時可以按照現(xiàn)場情況及技術人員的要求調整參數(shù)，對作業(yè)設置中的數(shù)據進行重新修改。而此時并未運行該階段，則階段運行時修改會生效。設置好后，按Set將設置參數(shù)發(fā)送給混砂車，此時修改后的數(shù)據將會覆蓋原先的數(shù)據。即當前階段以后的所有階段，將會按照修改后的數(shù)據運行。

2.3.2 暫停（Hold）功能的應用

當暫停階段時，階段的結束和作業(yè)的結束則被推后。即當進行到第3階段，由于施工壓力高，提高砂比容易造成砂堵等施工事故，需要保持20%的砂比，不能立刻將砂比提高到25%，即進入第4階段。此時，只需點擊軟件中的Hold（暫停）按鈕，軟件將控制混砂車繼續(xù)進行第二階段的施工參數(shù)。當施工壓力穩(wěn)定，需要繼續(xù)提高砂比時，此時按Resume（繼續(xù)）按鈕，混砂車將按照作業(yè)設置繼續(xù)運行。

2.3.3 自動/手動功能切換

當壓裂施工出現(xiàn)更加復雜的情況時，混砂自動控制系統(tǒng)不適用于壓裂施工，此時，將混砂車上AccuFracTM系統(tǒng)的按鈕由Auto（自動）切換到Manual（手動）模式，混砂自動控制系統(tǒng)失去作用，混砂車將由操作工來完成操作。

4 結論

經過在延長油田5口井的現(xiàn)場試驗，混砂自動控制系統(tǒng)得到了很好的應用，總結起來有以下幾點：

第一、混砂自動控制系統(tǒng)能精確的控制施工參數(shù)，階段液量、砂量的控制誤差為零，砂比準確率大大高于人工操控，提高了壓裂施工質量。

第二、在施工條件惡劣的井場，如毒害氣體超標、暴雨等情況時，混砂車無人值守也可以正常施工，減少了混砂車操作人員的安全隱患。

第三、在天然氣井、頁巖氣井等大規(guī)模施工時，混砂自動控制系統(tǒng)有著廣闊的應用前景，在長達數(shù)小時的壓裂施工中，混砂車操作工不用一直在混砂車上進行操作，減輕了勞動強度。

第四、混砂自動控制系統(tǒng)的應用，使得延長油田井下壓裂作業(yè)水平上升到了一個新的臺階。

參考文獻

[1] Stewart&Stevenson.AccuFrac; PC混砂自動控制操作手冊[Z] 2009年.

[2] Stewart&Stevenson.MC-75;車載式壓裂混砂機組操作和維護手冊[Z] 2009年.