頁巖氣井加砂壓裂組合砂罐下砂自動化控制探討

李朝榮 江南 胡杰 朱強 付云鵬

摘 要 本文論述了采用PLC控制系統控制大型組合砂罐出砂口的理論，介紹通過際操作編寫邏輯控制程序，配置相應的觸屏或按鍵，集成安裝于混砂車操作室內進行操作控制的設計思路，并分析了緊急情況下的應急措施，確保頁巖氣大規模加砂壓裂作業多種支撐劑精準加入。

關鍵詞 頁巖氣壓裂;組合砂罐;PLC;HSE

引言

目前大型水力加砂壓裂增產作業已成為頁巖氣井增產、穩產的主要技術措施，大規模加砂壓裂作業施工已是常態。組合砂罐是壓裂加砂設備重要組成，其儲砂、下砂功能關系到壓裂作業的質量和效果，在職業健康、安全、環保前提下，提速、創效地開發組合砂罐自動化下砂控制系統裝置迫在眉睫。

1 頁巖氣井加砂壓裂組合砂罐下砂現狀

（1）大型頁巖氣井加砂壓裂施工作業時間長，單段施工需3小時左右。每日2-3段;頁巖氣壓裂施工作業需分階段加入不同類型的支撐劑，按施工設計要求將不同類型支撐劑精準切換加入對于整體施工質量尤為重要。因不同類型支撐劑分別預裝于3砂罐內，為達到支撐劑精準控制加入要求，加砂作業期間砂罐下砂口至少需二人操作3個砂罐的出口閘板，負責按施工設計或實際施工要求開/關砂罐口閘板及不同類型支撐劑切換加入操作[1]。

（2）組合砂罐靠近主要泵車/撬組擺放，作業區域存在高分貝噪聲、有害粉塵、高處作業、日曬雨淋、作業時間長等問題，對長期負責砂罐操作的人員身體健康存在安全隱患。

（3）人工手動操作砂罐出砂口閘板臨時切換，倒砂響應速度較慢，其作業方式時效性差。同時因現場噪聲較大，易出現操作指令傳達/接收失真，導致相關操作準確響應速度，現場多次出現因未能及時按指揮要求切換的情況。

2 改進目的

改變現行砂罐出砂口操作切換作業模式，采用全電氣化精準控制操作，使砂口操作工作更加精準、便捷、高效。同時可減少砂罐下砂操作員人工成本，使下砂作業內容符合HSE管理要求，提高壓裂施工作業工程質量[2]。

3 設計思路

（1）對于頁巖氣工區所使用砂罐出砂口手動閘板進行相應的電氣化升級改造，設計選用技術成熟、穩定可靠、性價比高的西門子S7-200 PLC加上位機觸屏控制系統。其PLC主機及相應的控制系統主設備安裝在混砂車操作室內，上位機觸屏控制顯示器和各手動控制開關、旋鈕等安裝于混砂車操作臺合適位置，便于混砂車操作人員觀察、操作。在砂罐出口閘板現有手動轉盤開關基礎上加裝電動驅動裝置。如圖3-1所示。

設計在出砂口閘板完全開/關到位位置安裝相應的限位開關，當步進電機驅動閘板開/關到位時，閘板一側的限位塊會接觸到相當的限位開關，觸發控制系統預設的邏輯控制程序，實現自動停機控制等，可有效保障步進電機驅動裝置安全。如圖3-2所示。

為提高系統對于閘板開啟高度的精準控制，在閘板另一側安裝一套用于測量閘板行進位置的光柵尺，可實時將檢測到的閘板位移距離轉換為模擬信號傳送至PLC控制系統。經PLC系統解析顯示到上位機觸屏顯示界面上，便于混砂車操作手觀察、掌握砂口閘板開啟/關閉情況。

（2）控制系統針對實際操作要求編寫邏輯控制程序，配置相應的觸屏顯示器、預置簡潔明了的操作及參數顯示畫面，并配置對應的手動按鍵/旋鈕開關輔助進行操作控制，混砂車操作人員在操作室內根據實際施工需要可實現對于多套砂罐不同出砂模式的操作控制。PLC控制系統硬件設施配置如圖3-3所示。

4 應急處理

刀板閥絲桿頂部加裝手輪，若供電動驅動系統裝置出現故障無法使用時，現場可及時手動切換至手動控制操作模式。通過人工手動操作轉輪驅動出砂口閘板開啟或關閉，保障加砂壓裂作業施工需要。

5 結束語

完成下砂自動化控制改裝后，下砂工作由混砂車操作手完成，其高清視頻監控系統配合PLC控制系統可對砂罐下砂口閘板實現精準操控，在有效提高各類型支撐劑切換速度的同時亦能降低現場作業人員勞動強度，并且可最大限度減少操作人員進入輸砂區域滯留時間，從而消除加砂作業過程中噪聲、支撐劑粉塵及長時間高處作業對于操作人員人身健康影響，達到壓裂施工作業現場HSE管理方針要求。

參考文獻

[1] 吳漢川，高文金.混砂車自動控制系統研究[J].石油機械，2003， （S1）：63-65.

[2] 王震宇.PLC在工業自動化控制應用的探討[J].中國新通信， 2015， （6）：92.