双S混砂自动控制系统在延长油田的应用

刘明辉

[摘 要]本文通过对双S压裂机组混砂自动控制系统的分析，并结合延长油田各采油厂的压裂施工设计参数进行了现场运行，修订了存在的问题，实现了整个压裂施工过程的自动化控制，保证了现场施工的精确控制，提高了压裂施工质量，减轻了劳动强度。使得最为先进的混砂自动控制系统在延长油田压裂施工中得到了应用。

[关键词]混砂 密度控制器 砂比

中图分类号：S193 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0388-01

引言

延长油田井下作业工程公司购置的美国双S公司2000型压裂机组，具有极其先进的网络化自动控制系统，是目前国内自动化程度最高的压裂机组之一。使用初期，由于AccuFracTM混砂自动控制系统全英文操作界面、系统设定较为复杂、混砂车配套的射源密度计（测量砂比用）没有到位，而且系统参数设置与延长油田的压裂施工设计参数还存在一定的差异，因此一直没有在现场施工中得到应用。

双S 2000型机组经过一年多的运行，设备的-先进性能在压裂施工中得到了体现，随着密度计的配套和设备操作人员对系统的逐渐熟悉，混砂自动控制系统的应用具备了条件。

1 AccuFracTM混砂自动控制系统原理

混砂自动控制系统的核心是双S自行设计的AccuFracTM混砂自动控制系统。如果整个施工过程已经被预先编好程序并输入到计算机中，则在系统可以保证混砂车执行最复杂的施工程序，而整个施工过程中无需操作人员的协助。

1.1 混砂车AccuFracTM系统介绍

压裂施工的关键参数是混合液密度（砂比）的控制。混砂车AccuFracTM系统包括两个主要部分，一是自动密度控制系统（ADC），混砂车密度控制系统的基本功能是控制压裂液和支撑剂的混合，保证混砂车能够按照预先设定好的程序输出一定的混合液密度（砂比），在整个的施工过程中，需要我们输入施工数据，然后密度控制系统根据监测的数据及反馈数据，计算需要多少支撑剂来达到设定目标密度（砂比）。从而实现自动控制系统的运行。

1.2 通讯原理

AccuFrac PCTM软件安装于仪表车的计算机上，通过其进行硬件参数、施工参数的设定。AccuFracTM则安装于混砂车上，用于接收、处理来自仪表车的施工参数，并将现场监测数据反馈给仪表车。

网络化自动控制的核心是网络控制器，网络控制器安装在仪表车上，与仪表车计算机的AccuFrac PCTM软件接口是RS232通讯协议。另外网络控制器按RS485协议与其对应的设备通讯，此设备包括：（1）一台混砂车；（2）一个CAS（化学添加剂系统）；（3）一个DAS（数据采集系统）。本文中我们重点介绍混砂车及AccuFracTM混砂自动控制系统。

2 混砂自动控制系统的设置及运行

AccuFracTM自动控制系统是一个功能强大的可编程系统，用户可以根据现场施工设计需求，自定义设定系统的运行参数、施工数据等。

2.1 作业设置

作业设置中各参数设定值的具体意义如下：

Stage：阶段。软件支持一个作业可以为100个阶段，即前置、携砂、顶替各个阶段。

Volume：阶段体积。即前置液、携砂液、顶替液每个阶段的液量体积。

Proppant：支撑剂的密度。压裂砂的密度，我们常用的兰州石英砂为2.65 g/cm3。

Bulk Density：支撑剂体积密度。压裂砂的体积密度，我们常用的兰州石英砂为1.6g/cm3。

Fluid：基液密度。压裂液的密度，我们常用的为1.0千克/升。

Slurry Start：每个阶段的起始砂比。

Slurry End：每个阶段的结束砂比。

作业设置共有六项参数，其中三项为常数，

只要我们第一次设定后，以后就不需要进行修改。每次需要我们进行作业设置的只有Volume（阶段体积）、Slurry Start（起始砂比）、Slurry End（结束砂比）三项。一旦完成作业设置，必须点击Set将设置参数发送给混砂车，混砂车在接到数据后，将会按照作业设置中的参数进行自动运行。

2.2 混砂自动控制系统的运行

自动控制系统是以阶段体积（累计排出量）为计数器，当阶段累计排量达到设定的阶段体积时，系统将自动切换进入下一阶段。我们以图2中的施工数据作一运行。当设置好相关硬件参数及施工程序，并將混砂车启动，AccuFracTM系统的按钮设置为Auto（自动），此时点击AccuFrac PC软件的“start”按钮，整个混砂自动控制系统便开始运行。

第1，2阶段，混砂车只做吸入、排出动作，当累计排量达到4.5+21m3时，进入下一阶段；

第3阶段，输砂绞龙开始运转，保证输入的砂量在混合罐中的体积比达到20%，此时砂比由密度计测量得到，并反馈给混砂控制器，对绞龙转速进行调整，当阶段累计排量达到10方时，进入下一阶段；

第4阶段，输砂绞龙转速增加，保证输入的砂量在混合罐中的体积比达到25%，当阶段累计排量达到16方时，进入下一阶段；

第5、6阶段，混砂车动作与第3、4阶段相同；

第7阶段，由于没有起始和结束砂比，此时绞龙停止运转，，混砂车只做吸入、排出动作，当阶段累计排量达到3.2方时，进入下一阶段；

第8阶段，阶段体积值为0，此时，混砂自动控制系统停止运转，施工结束。

2.3 混砂自动控制系统异常情况的处理

每次压裂施工，不可能保证都像程序设定那样顺利执行。因此，会出现一些异常情况，比如压力高，若按作业设置进行运行，则会出现砂堵等情况的出现，导致施工失败。此时我们该如何应对？

自动控制系统是一种互动式的系统，因为作业者为任何一个阶段指定的值都可以在系统执行该阶段之前进行调整。主要的操作方法有修改阶段數据、暂停功能、切换手动控制三种。

2.3.1 修改阶段数据

当出现施工异常情况，需要对以后的所有阶段量进行改变时，此时可以按照现场情况及技术人员的要求调整参数，对作业设置中的数据进行重新修改。而此时并未运行该阶段，则阶段运行时修改会生效。设置好后，按Set将设置参数发送给混砂车，此时修改后的数据将会覆盖原先的数据。即当前阶段以后的所有阶段，将会按照修改后的数据运行。

2.3.2 暂停（Hold）功能的应用

当暂停阶段时，阶段的结束和作业的结束则被推后。即当进行到第3阶段，由于施工压力高，提高砂比容易造成砂堵等施工事故，需要保持20%的砂比，不能立刻将砂比提高到25%，即进入第4阶段。此时，只需点击软件中的Hold（暂停）按钮，软件将控制混砂车继续进行第二阶段的施工参数。当施工压力稳定，需要继续提高砂比时，此时按Resume（继续）按钮，混砂车将按照作业设置继续运行。

2.3.3 自动/手动功能切换

当压裂施工出现更加复杂的情况时，混砂自动控制系统不适用于压裂施工，此时，将混砂车上AccuFracTM系统的按钮由Auto（自动）切换到Manual（手动）模式，混砂自动控制系统失去作用，混砂车将由操作工来完成操作。

4 结论

经过在延长油田5口井的现场试验，混砂自动控制系统得到了很好的应用，总结起来有以下几点：

第一、混砂自动控制系统能精确的控制施工参数，阶段液量、砂量的控制误差为零，砂比准确率大大高于人工操控，提高了压裂施工质量。

第二、在施工条件恶劣的井场，如毒害气体超标、暴雨等情况时，混砂车无人值守也可以正常施工，减少了混砂车操作人员的安全隐患。

第三、在天然气井、页岩气井等大规模施工时，混砂自动控制系统有着广阔的应用前景，在长达数小时的压裂施工中，混砂车操作工不用一直在混砂车上进行操作，减轻了劳动强度。

第四、混砂自动控制系统的应用，使得延长油田井下压裂作业水平上升到了一个新的台阶。

参考文献

[1] Stewart&Stevenson.AccuFrac; PC混砂自动控制操作手册[Z] 2009年.

[2] Stewart&Stevenson.MC-75;车载式压裂混砂机组操作和维护手册[Z] 2009年.