專利名稱：固井水泥混漿作業的自動控制方法
技術領域：
本發明涉及一種固井水泥混漿作業的自動控制方法，在油田固井作業時用于水泥 混漿作業的自動控制。
背景技術：
目前，固井水泥混漿作業出現高壓力、大排量作業、高精度密度控制等新的要求， 中國專利申請200610018396. 8已公開了如何精確測量控制水泥漿密度的技術方案，如何 在此基礎上自動控制水泥漿液位，能夠在提高自動化程度前提下減輕混漿作業強度、降低 混漿作業難度，成為當前固井水泥混漿作業新的課題。

發明內容
本發明的目的是為了克服上述現有技術的不足之處，提供一種固井水泥混漿作業 的自動控制方法，它能夠進行液位自動控制，與泥漿密度自動控制方法相結合使用，便于動 態、精確地自動控制水泥混漿作業過程。固井水泥混漿作業的自動控制方法，包括清水流量計、液位計、排出流量計、控制 清水吸入流量的清水閥，其獨特之處在于按下列步驟控制泥漿液位1. 1采集泥漿的實際液位信號、清水流量信號、泥漿排量信號，并將其傳送給微處 理器；1. 2比較泥漿的設定液位和實際液位，得到液位偏差和液位偏差變化率，所述液 位偏差為設定液位與實際液位的差值，所述液位偏差變化率為單位時間內液位偏差的變化 值；1. 3由液位偏差變化率來計算清水流量變化率Xdot，由液位偏差計算達到設定液 位應增清水流量Qadd，由實際泥漿排量計算清水流量Qslry ；1. 4通過計算出的清水流量變化率Xdot、應增清水流量Qadd及清水流量Qslry的 總和求得達到泥漿設定液位所需的清水流量，即設定清水流量Qnew ；1. 5計算設定清水閥位，設定清水閥位=設定清水流量I實際進水能力，其中實際 進水能力=實際清水流量I實際清水閥位；其中實際清水流量由清水流量計采集獲得；1. 6由微處理器根據設定清水閥位，調節清水閥位輸出控制電壓控制清水閥的電 磁閥，并通過該電磁閥啟動驅動裝置改變清水閥的閥位；1. 7采集調節后設定清水流量Qnew，根據變化情況重復上述步驟1. 1至步驟1. 6 反饋調整清水閥位輸出控制電壓。在上述技術方案中，步驟1. 7中所述采集調節后設定清水流量Qnew，根據變化情 況重復步驟1. 1至步驟1. 6反饋調整清水閥位輸出控制電壓，步驟如下2. 1計算設定清水流量變化值，設定清水流量變化=設定清水流量-Is前設定清 水流量；2. 2判斷設定清水流量變化是否大于Ibbl，
判斷結果為是時，在2分鐘以內，持續輪序執行步驟1. 1至1. 6，更新清水閥位輸出 控制電壓；判斷結果為否時，根據液位偏差情況選擇執行下列步驟之一，2. 2a如果液位偏差大于1. 5inch時，持續輪序執行步驟1. 1至1. 6，更新清水閥位 輸出控制電壓；2. 2b如果液位偏差小于0. 5inch時，保持當前清水閥位輸出控制電壓；2. 2c如果液位偏差大于0. 5inch且小于1. Oinch時，每10秒輪序執行一次步驟 1. 1至1. 6，更新一次清水閥位輸出控制電壓；2. 2d如果液位偏差大于1. Oinch且小于1. 5inch時，每1秒輪序執行一次步驟1. 1 至1.6，更新一次清水閥位輸出控制電壓。在上述技術方案中，所述液位偏差變化率通過以下公式計算液位偏差變化率=液位偏差-1秒前的液位偏差。在上述技術方案中，所述清水流量變化率Xdot通過以下公式計算Xdot =((((液位偏差變化率*微分系數)*液面面積)*60) I (231*2))*((干灰絕 對密度-設定泥漿密度)I (干灰絕對密度-清水密度))。其中微分系數通常取值0. 5。在上述技術方案中，所述應增清水流量Qadd通過以下公式計算Qadd =((((設定液位_實際液位)*液面面積)*60) | (231*時間t)) * ((干灰絕 對密度-設定泥漿密度)I (干灰絕對密度-清水密度))。其中時間t通常取值30秒。在上述技術方案中，所述清水流量Qslry通過以下公式計算Qslry =(實際泥漿排量*42) * ((干灰絕對密度-設定泥漿密度)| (干灰絕對密 度_清水密度))。在上述技術方案中，所述設定清水流量Qnew通過以下公式計算Qnew = Xdot+Qadd+Qslry =((((液位偏差變化率*微分系數)*液面面 積)*60) I (231*2))*((干灰絕對密度-設定泥漿密度)I (干灰絕對密度-清水密 度))+ ((((設定液位“實際液位)*液面面積)*60) I (231*時間t)) * ((干灰絕對密度-設 定泥漿密度)I (干灰絕對密度_清水密度))+ (實際泥漿排量*42) * ((干灰絕對密度-設 定泥漿密度)I (干灰絕對密度_清水密度))。本發明提供了一種固井水泥混漿作業的自動控制方法，它能夠進行密度自動控 制、液位自動控制和數據發送，從而動態、精確地自動控制水泥混漿作業過程，并且真實、全 面地記錄作業時的作業狀態與作業數據。本發明的優點是1.在液位變化時，能及時準確 地調整清水比例閥，以保證液位平穩。2.數據記錄和實時傳送功能便于作業中和作業后的 數據分析。


圖1是固井水泥混漿的控制系統示意圖。圖2是本發明固井水泥混漿作業的自動控制方法實施例流程圖。
具體實施例方式現有固井水泥混漿作業系統一般由柴油發動機提供動力，灰罐中的水泥干灰通過管線流到混漿槽的下灰閥，經清水泵抽到軸流式混合器內高速噴射的水流形成真空，吸入 水泥干灰與清水混合。注入清水水流及干灰的量可由清水比例閥(簡稱清水閥)、干灰計量 閥(簡稱下灰閥)來調節。經過循環泵作用，干灰混合物以循環方式進行多次摻混，從而使 水泥漿密度符合設定密度，滿足固井工藝要求。混合好的水泥漿由混漿槽出口排出。由于混 漿槽有一定的混漿容量，所以本發明提出在密度自動控制同時，進行泥漿的液位自動控制， 以免調配干灰和清水比例時，超出了需要的設定液位。而且控制液位可以精確的控制固井 水泥漿的總量，保證固井需要。這種自動控制可以通過實時采集作業過程中的實際液位數 據，再根據需要的設定液位調節清水比例閥來實現。具體實施時，可以通過在混漿槽中設置 液位計實現采集實際液位數據，微處理器處理采集得到的數據后，輸出控制電壓控制清水 比例閥的電磁閥，并通過該電磁閥啟動驅動裝置改變清水比例閥的閥位。如圖1所示，實施固井水泥混漿的自動控制系統包括微處理器1，人機界面2，下 灰閥閥位編碼器3，清水閥閥位編碼器4，密度計5，密度計變送器5. 1，清水流量計6，液位計 7，下灰閥電磁閥8，清水閥電磁閥9 ；柱塞泵壓力傳感器10、11，排出流量計12、13 ；下灰閥 手動/自動切換開關14，清水閥手動/自動切換開關15。其中微處理器1通過Ethernet/ IP端口與人機界面2實現人機通訊，方便遠程輸入作業參數和實時工序操控。人機界面2可以根據需要設置功能按鍵供工作人員使用，例如在人機界面2上通 過按鍵在校準屏面進行校準的相關設置；在人機界面2上通過按鍵在主屏面輸入數據記錄 編號；在人機界面2上通過按鍵作業設置屏面設置作業參數；在人機界面2上通過按鍵在 主屏面上開始作業。通過軟件程序設置，微處理器1可以控制混漿作業自動按以下步驟進行液位計7采集混漿槽內的液位，傳動箱的控制模塊(TCM)中的排出流量計12、13 采集泥漿排量，微處理器1比較實際液位和設定液位，計算出需要的清水閥的閥位，通過控 制清水閥電磁閥9來控制清水閥閥位編碼器4從而控制清水閥，從而自動控制水泥漿液 位；微處理器1通過密度計5和密度計變送器5. 1采集密度信號，清水流量計8采集 到的清水流量信號，計算出需要的下灰閥的閥位，通過控制下灰閥電磁閥8來控制下灰閥 編碼器3從而控制下灰閥，從而自動控制系統保持水泥漿密度；柱塞泵壓力傳感器10、11分別采集左右三缸柱塞泵壓力；在啟動作業的同時，采集各數據并將其傳送給微處理器1，并在人機界面2上顯 示；操作員通過人機界面2的按鍵根據工藝要求輸入標記；微處理器1將自動控制下灰電 磁閥8、下灰閥、下灰閥編碼器3、清水閥電磁閥9、清水閥、清水閥閥位編碼器4 ；在人機界面 2上通過按鍵發出停止作業命令，停止作業，從而對水泥混漿作業進行精確、動態、全面的自 動控制。本發明提供的調節清水閥具體步驟如下，1. 1采集泥漿的實際液位信號、清水流量信號、泥漿排量信號，并將其傳送給微處 理器；1. 2比較泥漿的設定液位和實際液位，得到液位偏差和液位偏差變化率，所述液 位偏差為設定液位與實際液位的差值，所述液位偏差變化率為單位時間內液位偏差的變化 值；
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1. 3由液位偏差變化率來計算清水流量變化率Xdot，由液位偏差計算達到設定液 位應增清水流量Qadd，由實際泥漿排量計算清水流量Qslry ；1. 4通過計算出的清水流量變化率Xdot、應增清水流量Qadd及清水流量Qslry的 總和求得達到泥漿設定液位所需的清水流量，即設定清水流量Qnew ；1. 5計算設定清水閥位，設定清水閥位=設定清水流量I實際進水能力，其中實際 進水能力=實際清水流量I實際清水閥位；1. 6由微處理器根據設定清水閥位，調節清水閥位輸出控制電壓控制清水閥的電 磁閥，并通過該電磁閥啟動驅動裝置改變清水閥的閥位；1. 7采集調節后設定清水流量Qnew，根據變化情況重復上述步驟1. 1至步驟1. 6 反饋調整清水閥位輸出控制電壓。本發明還提供了進一步方案，針對不同具體情況設計了反饋調整的頻率，以避免 不必要的資源浪費所述收集調節后設定清水流量Qnew，根據變化情況重復上述步驟反饋 調整清水閥位輸出控制電壓，采用以下方式實現，2. 1計算設定清水流量變化值，設定清水流量變化=設定清水流量-1秒前設定清 水流量；2. 2判斷設定清水流量變化是否大于Ibbl，判斷結果為是時，在2分鐘以內，持續輪序執行步驟1. 1至1. 6，更新清水閥位輸出 控制電壓；判斷結果為否時，根據液位偏差情況選擇執行下列步驟之一，2. 2a如果液位偏差大于1. 5inch時，持續輪序執行步驟1. 1至1. 6，更新清水閥位 輸出控制電壓；2. 2b如果液位偏差小于0. 5inch時，保持當前清水閥位輸出控制電壓；2. 2c如果液位偏差大于0. 5inch且小于1. Oinch時，每10秒輪序執行一次步驟 1. 1至1. 6，更新一次清水閥位輸出控制電壓；2. 2d如果液位偏差大于1. Oinch且小于1. 5inch時，每1秒輪序執行一次步驟1. 1 至1.6，更新一次清水閥位輸出控制電壓。其中bbl、inch為國際石油行業常用的英制單位，中文含義為(bbl)桶和(inch) 英寸，對應的公制單位為M3/MIN(方/分鐘)及M(米)。其中1桶=0. 15898729方/分 鐘，1英寸=0.0254米。具體實施時，可以根據需要采用其它方式設定反饋調整的頻率，例 如改變選擇執行步驟2. 2a、2. 2b,2. 2c或2. 2d中的液位偏差條件，或者改變輪序執行一次 步驟1.1至1.6的時間間隔大小。如圖2所示，作業開始后，程序進行初始化；開始發送實時數據；然后根據設計輸 入作業參數；當工作人員按下“開始”鍵，系統開始記錄作業數據；程序啟動密度自動控制 算法和液位自動控制算法；操作人員在面板上旋動下灰閥手動/自動開關，將下灰閥切換 到自動控制方式，計算機輸出控制下灰閥以實現密度自動控制；操作人員在面板上旋動清 水閥手動/自動開關，將清水閥切換到自動控制方式，計算機輸出控制清水閥以實現液位 自動控制；當工作人員按“停止”鍵停止作業；下灰閥關到最小控制閥位；清水閥關到最小 控制閥位；下載歷史數據；結束。這種工作人員控制方案需要通過人機界面設計相應按鍵， 本技術領域人員可以根據流程進行設計實現。
控制步驟中的密度自動控制部分可以參見中國專利申請200610018396. 8的公開 文本，本實施例不予贅述。為了便于實施，本實施例提供了適合石油行業常用單位的液位偏差變化率以及 Xdot, Qslry, Qadd, Qnew數值的計算方法。1加侖=231立方英寸、1立方英尺=7. 48加 侖、1桶=42加侖、1分鐘=60秒，即1桶/分鐘=2520加侖/秒。所述液位偏差變化率通過以下公式計算出，液位偏差變化率=液位偏差-1秒前的液位偏差。所述清水流量變化率Xdot通過以下公式計算出，Xdot =((((液位偏差變化率*微分系數)*液面面積)*60) I (231*2))*((干灰絕 對密度_設定泥漿密度)I (干灰絕對密度-清水密度))；其中微分系數通常取值0.5，用戶 可以在人機界面上輸入該值。所述應增清水流量Qadd通過以下公式計算出，Qadd =((((設定液位_實際液位)*液面面積)*60) | (231*時間t)) * ((干灰絕 對密度_設定泥漿密度)I (干灰絕對密度-清水密度))；其中時間t通常取值30秒，用戶 可以在人機界面上輸入該值。所述清水流量Qslry通過以下公式計算出，Qslry =(實際泥漿排量*42) * ((干灰絕對密度-設定泥漿密度)| (干灰絕對密 度_清水密度))。所述設定清水流量Qnew通過以下公式計算出，Qnew = Xdot+Qadd+Qslry =((((液位偏差變化率*微分系數)*液面面 積)*60) I (231*2))*((干灰絕對密度-設定泥漿密度)I (干灰絕對密度-清水密 度))+ ((((設定液位“實際液位)*液面面積)*60) I (231*時間t)) * ((干灰絕對密度-設 定泥漿密度)I (干灰絕對密度_清水密度))+ (實際泥漿排量*42) * ((干灰絕對密度-設 定泥漿密度)I (干灰絕對密度_清水密度))。
權利要求
1.固井水泥混漿作業的自動控制方法，包括清水流量計、液位計、排出流量計、控制清 水吸入流量的清水閥，其特征在于按下列步驟控制泥漿液位1.1采集泥漿的實際液位信號、清水流量信號、泥漿排量信號，并將其傳送給微處理器；1. 2比較泥漿的設定液位和實際液位，得到液位偏差和液位偏差變化率，所述液位偏差 為設定液位與實際液位的差值，所述液位偏差變化率為單位時間內液位偏差的變化值；1. 3由液位偏差變化率來計算清水流量變化率Xdot，由液位偏差計算達到設定液位應 增清水流量Qadd，由實際泥漿排量計算清水流量Qslry ；1. 4通過計算出的清水流量變化率Xdot、應增清水流量Qadd及清水流量Qslry的總和 求得達到泥漿設定液位所需的清水流量，即設定清水流量Qnew ；1.5計算設定清水閥位，設定清水閥位=設定清水流量I實際進水能力，其中實際進水 能力=實際清水流量I實際清水閥位；其中實際清水流量由清水流量計采集獲得；1. 6由微處理器根據設定清水閥位，調節清水閥位輸出控制電壓控制清水閥的電磁閥， 并通過該電磁閥啟動驅動裝置改變清水閥的閥位；1.7采集調節后設定清水流量Qnew，根據變化情況重復上述步驟1. 1至步驟1. 6反饋 調整清水閥位輸出控制電壓。2.根據權利要求1所述的固井水泥混漿作業的自動控制方法，其特征在于步驟1.7中 所述采集調節后設定清水流量Qnew，根據變化情況重復步驟1. 1至步驟1. 6反饋調整清水 閥位輸出控制電壓，步驟如下2. 1計算設定清水流量變化值，設定清水流量變化=設定清水流量-1秒前設定清水流量；2. 2判斷設定清水流量變化是否大于Ibbl，判斷結果為是時，在2分鐘以內，持續輪序執行步驟1. 1至1. 6，更新清水閥位輸出控制 電壓；判斷結果為否時，根據液位偏差情況選擇執行下列步驟之一，2. 2a如果液位偏差大于1. 5inch時，持續輪序執行步驟1. 1至1. 6，更新清水閥位輸出 控制電壓；2. 2b如果液位偏差小于0. 5inch時，保持當前清水閥位輸出控制電壓； 2. 2c如果液位偏差大于0. 5inch且小于1. Oinch時，每10秒輪序執行一次步驟
1. 1至 1. 6，更新一次清水閥位輸出控制電壓；
2.2d如果液位偏差大于1. Oinch且小于1. 5inch時，每1秒輪序執行一次步驟1. 1至 1. 6，更新一次清水閥位輸出控制電壓。
3.根據權利要求1所述的固井水泥混漿作業的自動控制方法，其特征在于所述液位偏 差變化率通過以下公式計算液位偏差變化率=液位偏差-1秒前的液位偏差。
4.根據權利要求1所述的固井水泥混漿作業的自動控制方法，其特征在于所述清水流 量變化率Xdot通過以下公式計算Xdot =((((液位偏差變化率*微分系數)*液面面積)*60) I (231*2) )*((干灰絕對密 度_設定泥漿密度)I (干灰絕對密度_清水密度))。
5.根據權利要求1所述的固井水泥混漿作業的自動控制方法，其特征在于所述應增清 水流量Qadd通過以下公式計算Qadd =((((設定液位_實際液位)*液面面積)*60) I (231*時間t)) * ((干灰絕對密 度-設定泥漿密度)I (干灰絕對密度-清水密度))。
6.根據權利要求1所述的固井水泥混漿作業的自動控制方法，其特征在于所述清水流 量Qslry通過以下公式計算Qslry =(實際泥漿排量*42)*((干灰絕對密度-設定泥漿密度)| (干灰絕對密度-清 水密度))。
7.根據權利要求1所述的固井水泥混漿作業的自動控制方法，其特征在于所述設定清 水流量Qnew通過以下公式計算Qnew = Xdot+Qadd+Qslry =((((液位偏差變化率*微分系數)*液面面 積)*60) I (231*2))*((干灰絕對密度-設定泥漿密度)I (干灰絕對密度-清水密 度))+ ((((設定液位_實際液位)*液面面積)*60) I (231*時間t)) * ((干灰絕對密度-設 定泥漿密度)I (干灰絕對密度_清水密度))+ (實際泥漿排量*42) * ((干灰絕對密度-設 定泥漿密度)I (干灰絕對密度_清水密度))。
全文摘要
本發明涉及一種固井水泥混漿作業的自動控制方法，在油田固井作業時用于水泥混漿作業的自動控制，該方法主要是依靠液位計采集混漿槽內的液位，排出流量計采集泥漿排量，微處理器比較實際液位和設定液位，計算出需要的清水閥閥位，通過控制清水閥電磁閥來控制清水閥閥位編碼器從而控制清水閥，進而自動控制水泥漿液位。本發明能夠進行液位自動控制，與泥漿密度自動控制方法相結合使用，便于動態、精確地自動控制水泥混漿作業過程。
文檔編號E21B33/138GK102003159SQ20101055583
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月18日 優先權日2010年11月18日
發明者葉紀東, 唐軍, 張金霞, 沈明祥, 陳春霞 申請人:四機賽瓦石油鉆采設備有限公司