压裂返排液处理控制模拟仿真★

渠迎锋， 台广锋， 吴 萌

（北京矿冶研究总院， 北京 100160）

随着采油难度的逐渐增大，提高油气产量的手段主要是压裂和注水作业。在压裂作业过程中压裂返排液产生量比较大。只有无害化处理高污染油田作业废水，才能使油田走向可持续发展的道路。目前我国压裂施工工作量逐年增大，施工过程中产生的作业废水逐渐增多，引发压裂施工的水资源紧缺，同时造成环境污染。

压裂返排液处理控制系统采用在线监测、中控室集中自动控制方式，操作人员在中控室点动触屏即可操作设备运行。自控系统采取集散式控制方式，上位机部分采用OMRON公司NS系列可编程终端，下位机采用PLC控制现场设备。返排液处理车间设置有监控系统，实时监控处理车间内外设备运行状况。

自动控制系统是压裂返排液处理系统的核心系统之一，借助于功能强大的Labview软件和MATLAB软件建立了压裂返排液处理控制模块的虚拟样机。对压裂返排液处理系统的测试功能、数据储存功能、显示功能进行模拟仿真与结果分析，便于及时发现控制系统的漏洞，及时完善系统，提高了现场控制系统可靠度。

1 Labview软件简介

Labview是英文单词 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的简写，它是其中的图形化编程语言之一，是由美国国家仪器公司研制开发的。Labview软件采用数据流编程方式，其中VI及函数的执行顺序的主要因素为数据流向，这是与传统文本编程语言不同之处。为了方便地创建用户界面，多种传统仪器或外观类似的控件设计在Labview软件中，其中的前面板为用户界面。对前面板上的对象进行控制的主要方式是运用了图标和连线进行编程，这就是G代码[1-6]。

2 虚拟样机的测试部分

基于功能强大的Labview软件，建立了压裂返排液处理系统控制模块的虚拟样机。压裂返排液处理控制系统的虚拟样机是由测试部分、控制部分和功能分析部分组成。其中测试部分是由信号发生模块、信号处理模块、信号测量模块组成[7-9]。

2.1 信号发生模块

由于压裂返排液水质波动较大，我们在控制系统中专门设计了在线监测模块，用来检测压裂返排液水质情况。在Labview软件仿真软件中运用信号发生模块表示两路30 Hz正弦信号，信号幅值和初相位均要求可以控制，幅值为10～30可调。

2.2 信号处理模块

在压裂返排液处理系统中设计了信号处理模块，主要处理在线检测模块传回的信号，经过信号处理后用来实时控制现场设备运行状态。虚拟样机的控制模块为滤波器和频域分析。根据信号发生模块传输的信号进行滤波器处理与傅立叶变换，可以形象、精确地表达出频谱分析图，如下页图1所示。

2.3 信号测量模块

图1 输入信号波形图

计算测量有用信号频率和信号有效值的模块为信号测量模块。根据Labview软件中的频率测量、均方根控件可以得到信号有效值和有用信号频率。

根据压裂返排液的水质特点，完成了虚拟样机的测试部分，对测试部分设置初值，采样频率1 000（1min采集1 000点），采样点500个，信号频率20.00 Hz。虚拟样机采用五阶滤波器的高截止频率、低截止频率，使之达到理想效果。根据傅里叶变换调节频谱分析图及经过单频测量控件所产生的频率显示及频率波形图。波形显示如图1所示，各参数输出控制面板如图2所示。

图2 控制面板图

3 虚拟样机的控制部分

3.1MATLAB软件简介

matrix&laboratory两个词的组合缩写为MATLAB，可以理解为矩阵实验室。Simulink模块与MATLAB模块组成了MATLAB软件。它是一款商业数学的软件，由美国MathWorks公司开发的。其主要具有数据分析、算法开发、数据可视化以及数值计算的高级技术计算语言等的功能特点，为工程设计、科学研究的众多领域提供了解决问题的全面思路和工具，其技术水平为国际先进技术水平[9-12]。

3.2 神经网络控制系统

基于功能强大MATLAB软件建立了神经网络控制系统。其中，测量所得信号有效值为设计的两输入，计算控制信号输出为两输出。运用原始样本数据在Matlab中建立神经网路程序，用Matlab调试程序训练神经网络，其运行结果如图3所示。根据神经网络运行结果曲线，可以得出Matlab调试程序训练神经网络，曲线趋向于平稳，说明训练比较成功[13-16]。

图3 神经网络运行结果曲线

4 虚拟样机的功能分析

首先调整虚拟样机幅值和相位，然后运行程序，信号经过傅里叶函数变换可以得到A、B两路信号的有效值。将得到的信号有效值作为神经网络的输入值x1、x2，经过已经训练好的神经网络，可以得到控制参数，方便直接进行数据分析。

虚拟样机的功能就是经过滤波、频谱分析、神经网络控制系统得到控制参数的虚拟样机，其运行结果如图4所示。

图4 虚拟样机运行结果曲线

根据虚拟样机运行结果曲线，可以得出信号经过滤波处理基本消除了干扰信号，经过频谱分析与神经网络训练，基本达到了使用要求。

5 现场应用

压裂返排液处理系统控制系统在中石油、中石化和延长油田得到了推广应用，某油田现场应用如下页图5所示。压裂返排液处理在自动控制模式下水质指标完全符合要求且工艺稳定性好。其具有功能强大、适应性强和满足工业化运行要求的特点。压裂返排液处理系统自动化功能的推广应用极大地提高了工作效率，降低了工作劳动强度，达到了节约人工成本的经济效益。

图5 某油田现场应用

6 结论

根据压裂返排液处理系统工艺特点，基于Labview软件强大的功能，建立了压裂返排液处理系统控制模块的虚拟样机。

压裂返排液处理系统控制模块运用了神经网络控制系统，提高了压裂返排液处理系统控制模块的精确性。

根据虚拟样机的测试与程序调试，全面检测并完善了压裂返排液处理系统控制模块，为系统的现场推广应用提供了重要的技术支持。

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