一種應用于干混設備的控制系統設計

雷彪 LEI Biao

（中海油服油田化學事業部，天津300450）

0 引言

伴隨著石油工業的發展，石油鉆采中鉆井的深度越來越深，鉆采的難度也越來越大。為了盡可能保證油井的質量，工業對石油鉆采工藝中油井的加固提出了更高的要求。其固井質量的好壞，不僅關系到后續油井的使用，與石油的開采，還會對油井使用壽命的長短造成直接影響。這其中，作為固井工藝使用的直接原材料，固井水泥與添加劑的攪拌混合方式，主要包括干混和濕混兩種形式。而相對于濕混來說，油井水泥的干混攪拌雖然流動性較差，但比較適合大劑量的固井水泥漿的運用，且方便運輸，同時又能很好的保證水泥漿體系各項原材料與添加劑的特性，從而被廣泛應用。在現階段的油井水泥干混設備中，隨著PLC控制系統與FIX監控程序的引入與應用，使油井水泥的干混攪拌初步實現了自動化控制，并具有很高的可靠性。但由于目前干混設備的控制系統智能化程度較低，且設備狀態的信息的共享程度較差，同時缺乏對于干混參數的精確設置與記錄。進而使得很多干混設備生產出的油井水泥，無法真正的應用到原油生產當中?；诖?，本文將對油井水泥干混設備的控制系統進行優化、設計，設計出一套具有干混過程監控、記錄、控制以及通信的程序。并對該系統下設備生產出的油井水泥質量進行檢測，以探究本文所設計是否能夠解決上述所提問題。以期為相關工作人員或單位的生產建設提供技術幫助。

1 油井水泥混拌系統的概述

1.1 油井水泥干混設備及其混拌原理

油井水泥干混設備作為石油鉆采固井環節中的重要裝置，是石油工業中最常用到的設備之一，其作用主要用于將固井水泥漿與特定添加劑的均勻混合與攪拌。干混設備混合能力的高低，直接會對后續固井作業的工程質量產生重要影響。關于油井水泥干混設備，其理論基礎是氣力的輸送，在水泥漿的攪拌與混合中，主要表現為物料存儲、混拌與散化，三個方面的功能。因此，油井水泥的混拌系統主要是由儲存系統、混拌系統與散化系統三部分構成，如圖1，為干混攪拌系統的總生產工藝流程圖。

圖1 干混設備總生產流程圖

1.2 油井水泥控制系統

油井水泥的控制系統是設計人員針對固井作業的水泥干混工序，研究、開發的干混攪拌自動控制與生產管理系統，其主要包括工業計算機與穩定的PLC自動控制系統兩部分。在具體的固井作業工藝中，干混設備控制系統根據其功能與干混攪拌設備的生產流程，可劃分為以下幾個部分組成，即：原材料預制設備及其控制系統、配料攪拌設備及其控制系統、成品儲存和運輸設備及其控制系統三部分。各部分設備由相應的PLC控制系統單獨控制，然后再由工業PC進行數據收集、分析、匯總，并進一步處理和命令。進行集散式的管理與監控。

2 油井水泥干混制備的控制系統設計

2.1 上位機監控程序設計

整個油井水泥干混控制系統主要由上位機和下位機兩大程序組成。其中由6臺HC900控制器組成油井水泥干混控制系統的下位機；由4臺現場操作站、1臺工程師操作站和4臺服務器組成的上位機。上下位機間利用電纜環網的方式進行連接。在上位機中的工程師操作站下需要對6臺HC900控制站上傳的數據信息進行處理，通常在本設計中會另外設計出一個備用工程師操作工位，以便應對突發狀況。因此，本設計中油井水泥干混控制系統的設計概念結構圖如圖2所示。

圖2 本文設計的油井水泥干混控制系統結構概念圖

針對油井水泥干混控制系統的上位機監控程序設計中，為保障編寫程序具有高度的兼容性與規范性，將使用HoneyWell組態軟件進行主體程序的編寫與試運行[1]。在該部分中需要重點明確油井水泥干混控制系統下的各個命令段設計目標，如干混過程中的啟動、運行、數據監測以及停止等操作命令，而且控制程序中應當還具有對運行參數信息進行更改等功能。通過安裝在干混設備中的各種傳感器的方式來獲取設備的運行參數，從而實現對設備的安全連鎖、遠程控制以及緊急保護等安全防范措施的監控[2]。在該系統下設備能夠對油井水泥干混活動的數據進行進行記錄，并將記錄的數據上傳至控制程序的終端，技術人員可通過調取終端信息的方式將油井水泥干混活動的各種狀態信息進行打印，但是由于HoneyWell軟件無法提供一種符合常規報表的表格形式，因此需要利用組態軟件的方式來為HoneyWell軟件提供必要的VBA腳本編輯功能，將其記錄的數據以Excel的格式進行輸出。該部分的操作程序如圖3。

圖3 操作程序

將PP加入該程序并把記錄的數據寫入到Excel表格中的相對位置處，即可解決HoneyWell軟件之間無法輸出常規報表的問題。

2.2 下位機控制程序設計

本文所設計油井水泥干混控制系統的下位機控制程序同樣以HoneyWell軟件為基礎，對HC900控制站進行控制程序設計。對HC900程序的常規設計分為三種，即結構化編程設計、梯形圖編程設計以及模塊化編程設計，考慮到本文所設計的油井水泥干混系統的實際情況，將選取模塊化編程作為下位機控制程序的設計[3]。首先，需要對每個控制站的通信數據初始化，并分別將下位機中六臺HC900控制站與上位機中操作站服務器進行銜接。其次，還需要構建六臺HC900控制站與組態軟件間的通信通道，借助以太網通信模塊的方式下分8個IP地址，并分別對8個IP地址進行ping操作若請求通信命令運行成功便可對六臺HC900控制站的通信參數進行進一步的設置，以此來實現油井水泥干混設備各階段的協同操作，提高油井水泥干混的操作流暢性。

3 控制系統下油井水泥干混的質量檢驗

3.1 微觀結構檢驗

為驗證上述設計下油井水泥干混質量是否能夠達到預期標準，將以某特種水泥生產企業生產的G級油井水泥作為實驗檢測對象，通過某公司生產的高效氣流分級機對該油井水泥進行分級處理，從而制備出粗料產品G1與G2和超細油井水泥G-1與G-2，并將G1與G2粗料油井水泥按照一定比例與未分級的G級油井水泥進行混合，進而得出合格油井水泥產品G1與G2[4]。通過激光粒度儀的方式對上述設計設備生產的油井水泥進行測試，然后對合格油井水泥產品G1與G2和G級油井水泥顆粒級配。最后利用X射線衍射儀對油井水泥干混微觀結構進行檢驗[5]。

3.2 物理性質檢驗

針對上述控制系統生產的油井水泥干混材料進行物理性質的測定。以油井水泥的流動程度為基準設定水灰比，然后將上述7種油井水泥調配制為水泥漿，該水泥漿需要以GB/T10238—2015為參考標準進行油井水泥調配的稠化時間與初稠測試控制[6]。并將調配好的水泥漿倒入模板中，使其可以在45℃的環境條件下進行凝固，且分別需要養護8h、24h和72h。等待水泥漿完全凝固之后使用壓力機對其進行抗壓強度檢驗[7]。

4 檢驗結果與討論

4.1 粒徑大小對水泥漿基本性能的影響

將上述檢驗操作得出的數據結果匯總與表1中所示。從表1中檢驗數據能夠得出[8]，油井水泥的基本性能與制備的水泥粒徑有直接關系，當制備的油井水泥細化程度越高，調配的水灰比和初稠程度將會隨之增大，降低水泥漿稠化的時間。出現該現象的主要原因在于，制備的油井水泥顆粒越細，其單體的表面積與體積的比值將會越大，當進行油井水泥的調配時水泥分子與水分子接觸反應的時間就會越迅速，使水泥間分子鏈得以相互搭接，從而降低泥漿的流動性，加速油井水泥的稠化時間。[9]

表1 對不同粒徑油井水泥的調和性質檢測

發現G1、G2漿體在進行流動度檢測的過程中出現游離水的現象，并在靜置一段時間之后漿體還產生明顯的固液分層現象。通過分析得知，該現象主要是因水泥經分級處理之后粗細兩種比例的油井水泥存在較大的間隙，進而導致固液分離的現象發生，使得油井水泥在進行調配時保水性能會出現下降，游離液會在靜止階段不斷析出，從而造成漿體分離和漿體稠化時間延長的現象。[10]

4.2 粒徑大小對水泥漿強度的影響

在室壓下分別對上述型號的油井水泥干混強度進行測試，測試溫度分別為45℃和60℃。從測試數據中能夠看出，在同等溫度條件下調配水灰比為0.45時，G級油井水泥試驗模型強度會高于G1、G2、G1和G2的試驗模型強度，其中G1模型強度最低，而G1和G2的模型強度基本相同。在確?；旌虾蟮乃酀{具有合適的流動度條件下，對G-1和G-2兩種水灰比為0.83和1.05的超細油井水泥模型進行抗壓強度檢測，結果顯示G-1和G-2兩種超細油井水泥模型的抗壓能力明顯低于0.45水灰比下其它幾種油井水泥干混制備的模型強度。[11]

4.3 不同粒徑對油井水泥顆粒分布的影響

將G級油井水泥與分級且經過干混處理的油井水泥漿顆粒分布情況通過曲線圖（如圖4所示）的方式進行表示，并將不同級別油井水泥漿下體積密度特征值用曲線圖4表示。

圖4 不同級別油井水泥體積密度特征分布曲線

由圖4和表2中數據信息能夠看出，油井水泥漿粒徑大小為10μm附近的超細油井水泥完全可以通過0.25mm的窄小縫隙，且實際通過量是未經過分級處理G級油井水泥的5倍，由該級別油井水泥形成的隔絕層會具有較高的穩定性和流動性，且在無震蕩的條件下不會析水，因此可得出該級別的油井水泥還具有較高的防滲固結作用。另外，由表2中數據可知，將該粒級的油井水泥通過干混制備可以滿足多種微細間隙或者小孔徑井的固井作業，與其它級別的油井水泥相比可以適用于更多的施工領域。[12]

表2 不同級別油井水泥體積密度特征值μm

5 結語

通過對上述干混控制系統生產的油井水泥質量檢測試驗可知，經干混制成的G1和G2級油井水泥無論是從水泥漿的顆粒分布角度出發，還是從粒徑分布特征值角度出發都可以證明，本文設計的干混控制系統生產的G1和G2油井水泥能夠與G級油井水泥媲美。因此，可以佐證本文設計的干混設備控制系統能夠實現對油井水泥的精細化分級控制，具有較高的設計研發性與質量控制性，可以為相關生產企業或使用單位提供幫助。