基于PLC的壓裂液連續混配車自動控制系統研究

李 磊 （四機賽瓦石油鉆采設備有限公司，湖北 荊州434024）

目前，我國各大油田水基壓裂液的配制主要采用提前在配液池 （罐）內按比例批量加入水、瓜爾膠粉、液體添加劑，然后進行攪拌、循環、靜置等步驟，當瓜爾膠粉在水中溶脹達到一定粘度后，才會供給壓裂施工使用。傳統的配液過程大多依靠人工操作，勞動強度大、時間長且混合不均勻，容易產生水包粉現象 （俗稱 “魚眼”），造成壓裂液粘度不均勻。壓裂液是壓裂施工的基礎保證，如果它質量不好，將直接危害到油氣層壓裂施工，容易造成事故。另外，如果提前配制的壓裂液不能被及時使用，將會腐壞變質，造成極大的經濟損失。鑒于此，筆者對壓裂液連續混配車自動控制系統進行設計并應用于作業現場，較好地解決了傳統壓裂液配制中存在的問題。

1 系統設計思路

壓裂液連續混配車自動控制系統以可編程控制器 （Programmable Logic Controller，PLC）為核心，充分利用可編程控制器配置靈活、控制方便和適應性強的優點，同時配備了高精度的傳感器和可靠的控制單元，PLC在采集了現場傳感器數據后，將其作為反饋與預設的參數進行對比計算，然后輸出信號調節控制單元，再進行對比計算，直到符合要求，最終實現液位的自動控制，并大幅提高瓜爾膠液、液體添加劑的配比精度和控制速度，使連續混配、即配即壓成為可能［1］。此外，混配車自動控制系統標配人機界面進行本地監控，也可選配遠程人機界面實現遠程監控。同時，控制系統還可以連接數據采集器（或無線數據采集器），用來記錄、存儲施工數據，并可生成報表、曲線等進行打印。

2 系統設計

2．1 混配車自動控制系統功能結構

混配車自動控制系統可根據預先在人機界面上設置的作業參數自動進行瓜爾膠液配比控制，液體添加劑配比控制以及液位自動控制。現場傳感器采集瓜爾膠粉的重量變化，吸入／排出流量計的流量變化，液體添加劑的流量變化以及罐內液位的變化，這些變化作為反饋輸入到可編程控制器中，然后與預設的瓜爾膠液配比參數、液體添加劑配比參數和液位參數進行對比計算，自動調節電控元器件的工作狀態，即調節喂料機、吸入泵和液體添加劑泵的轉速，保證混配車能夠按照預設的作業參數進行作業，準確控制配液的各個環節，確保按比例、按順序的在水中均勻加入瓜爾膠粉和液體添加劑，自動液位控制能夠增加瓜爾膠液在罐內的滯留時間，保證瓜膠粉充分溶脹，提高壓裂液出口粘度，系統在排出口可配置在線粘度計，用來采集粘度信號，可實時監測壓裂液的混配質量［2］。自動控制系統功能結構圖如圖1所示。

2．2 混配車自動控制系統構成

混配車自動控制系統由人機界面、遠程人機界面、可編程控制器、交換機、現場傳感器 （吸入流量計，排出流量計，液體添加劑流量計，電子秤，液位計，粘度計），控制單元 （吸入泵，液體添加劑泵，喂料機）、數據采集器和無線數據采集器等構成。它們的配置，保證了操作人員通過人機界面就能設置作業參數，并能了解設備的運行情況，掌握施工的實時數據，這些都是設備穩定可靠運行的保證［3］。自動控制系統構成圖如圖2所示。

3 可編程控制器配置及軟件設計

3．1 通訊及模塊組成

可編程控制器是自動控制系統的核心，具有可靠性高，編程靈活簡單的突出優點，成為了機電一體化的連接橋梁。壓裂液連續混配車自動控制系統選用的是美國Allen-Bradley公司的500系列可編程控制器，它在中小型控制系統里應用廣泛，性能穩定。壓裂液連續混配車需要在現場與壓裂設備連接進行配套作業，為了保證現場施工實時、連續、穩定，系統必須選用快速穩定的通訊方式。系統控制層采用了以太網通訊，通過交換機連接人機界面、遠程人機界面、可編程控制器、數據采集器等，它具有穩定可靠、通信速率高、擴展方便等特點，被廣泛應用于過程自動化控制領域。系統設備層直接采用I／O模塊進行采集和控制，配置了模擬量輸入模塊，用來采集液位、電子秤、粘度信號；高速計數模塊，用來采集吸入流量、排出流量、液體添加劑流量；模擬量輸出模塊，用來調節吸入泵轉速、液體添加劑泵轉速、喂料機轉速［4］。

圖1 混配車自動控制系統硬件功能結構圖

圖2 混配車自動控制系統構成圖

3．2 軟件流程設計思路

壓裂液連續混配車有3個重要的自動控制部分，分別是瓜爾膠液配比控制、液體添加劑配比控制及液位自動控制。

1）瓜爾膠液配比控制 其指在吸入單位體積的清水中按比例添加一定重量的瓜爾膠粉。電子秤計量瓜爾膠粉重量，采用失重法計量下粉量 （減少的瓜爾膠粉重量為下粉量），吸入流量計計量清水流量，單位時間的下粉量和清水流量的比值即為瓜爾膠液配比。可編程控制器實時采集以上各量，經過配比計算后與設置的配比參數進行對比，如果不符合要求，將調節喂料機轉速，然后再進行配比對比，直到符合要求；如果符合要求，將維持不變［5］。

2）液體添加劑配比控制 其指在排出單位體積的瓜爾膠液中按比例添加一定體積的液體添加劑。液添流量計計量液體添加劑流量，排出流量計計量瓜爾膠液流量，單位時間的液添流量和瓜爾膠液流量的比值即為液體添加劑配比。可編程控制器實時采集以上各量，經過配比計算后與設置的配比參數進行對比，如果不符合要求，將調節液添泵轉速，然后再進行配比對比，直到符合要求；如果符合要求，將維持不變［6］。

3）液位自動控制 其指在排出流量連續變化的情況下，自動調節吸入泵轉速，使液位維持在設置的液位參數上。吸入流量計計量清水吸入流量，排出流量計計量瓜爾膠液流量，液位計計量液位的實際高度。可編程控制器通過實時采集以上各量，與設置的液位參數進行對比，如果不符合要求，將調節吸入泵轉速，然后再進行液位對比，直到符合要求；如果符合要求，將維持不變［7］。

4 現場應用

壓裂液連續混配車首先在長慶油田投入工業試驗，第一次試驗采用長慶井下油田助劑公司生產的CJ2-8瓜爾膠粉，瓜爾膠液配比設置為0．3%，配液總量為28．4m3，瓜爾膠粉總量98kg，配液后剩余12．5kg，配液使用85．5kg，實際配比0．301%，配比誤差約0．3%，在3m3／min的排量下，清水和瓜爾膠粉混合后大約4min進入混砂車，在排出口進行取樣化驗，溶解率均超過90% （見表1）。

利用該控制系統在長慶油田實施連續混配壓裂作業15井次，配液總量超2000m3，均取得成功。配置的壓裂液外觀均勻透明，無水包粉現象，平均出口粘度達到了最高粘度的88%，超過了設計要求 （出口粘度是最高粘度的85%）。各項技術指標均符合現配現壓的設計要求，采用壓裂液連續混配車后，節約了費用，減低了環境污染，同時大大縮短施工周期，提高了生產效率。

表1 0．3%CJ2-8現場配液溶解率

［1］黃依理，杜彪，謝璇，等 ．長慶油氣田連續混配壓裂液 ［J］．油田化學，2009，26（4）：376-379．

［2］張華、丁勝生，周入剛，等．CSGT-180A壓裂液自動混配車 （橇）的研制 ［J］．石油機械，2009，37（3）：43-45．

［3］王婷婷，邵克勇 ．水力壓裂混合液砂密度模糊控制方法研究 ［J］．自動化技術與應用，2007，26（10）：45-46．

［4］羅彤彤，盧亞平，李強 ．濕法煉銅中瓜爾膠溶液配制設備 ［J］．有色金屬，2009，61（3）：80-82．

［5］袁世平，李俊文 ．自動調節配液裝置及其應用 ［J］．水處理技術，1998，24（2）：99-103．

［6］鄔春學，李宏魁，雷鳴，等 ．基于PC104計算機的車載自動連續配液系統 ［J］．電腦開發與應用，2003，16（5）：31-32．

［7］羅彤彤，盧亞平，潘英民 ．石油壓裂液高效快速混配車工業試驗 ［J］．礦冶，2004，13（4）：87-90．