专利名称：固井水泥混浆作业的自动控制方法
技术领域：
本发明涉及一种固井水泥混浆作业的自动控制方法，在油田固井作业时用于水泥 混浆作业的自动控制。
背景技术：
目前，固井水泥混浆作业出现高压力、大排量作业、高精度密度控制等新的要求， 中国专利申请200610018396. 8已公开了如何精确测量控制水泥浆密度的技术方案，如何 在此基础上自动控制水泥浆液位，能够在提高自动化程度前提下减轻混浆作业强度、降低 混浆作业难度，成为当前固井水泥混浆作业新的课题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足之处，提供一种固井水泥混浆作业 的自动控制方法，它能够进行液位自动控制，与泥浆密度自动控制方法相结合使用，便于动 态、精确地自动控制水泥混浆作业过程。固井水泥混浆作业的自动控制方法，包括清水流量计、液位计、排出流量计、控制 清水吸入流量的清水阀，其独特之处在于按下列步骤控制泥浆液位1. 1采集泥浆的实际液位信号、清水流量信号、泥浆排量信号，并将其传送给微处 理器；1. 2比较泥浆的设定液位和实际液位，得到液位偏差和液位偏差变化率，所述液 位偏差为设定液位与实际液位的差值，所述液位偏差变化率为单位时间内液位偏差的变化 值；1. 3由液位偏差变化率来计算清水流量变化率Xdot，由液位偏差计算达到设定液 位应增清水流量Qadd，由实际泥浆排量计算清水流量Qslry ；1. 4通过计算出的清水流量变化率Xdot、应增清水流量Qadd及清水流量Qslry的 总和求得达到泥浆设定液位所需的清水流量，即设定清水流量Qnew ；1. 5计算设定清水阀位，设定清水阀位=设定清水流量I实际进水能力，其中实际 进水能力=实际清水流量I实际清水阀位；其中实际清水流量由清水流量计采集获得；1. 6由微处理器根据设定清水阀位，调节清水阀位输出控制电压控制清水阀的电 磁阀，并通过该电磁阀启动驱动装置改变清水阀的阀位；1. 7采集调节后设定清水流量Qnew，根据变化情况重复上述步骤1. 1至步骤1. 6 反馈调整清水阀位输出控制电压。在上述技术方案中，步骤1. 7中所述采集调节后设定清水流量Qnew，根据变化情 况重复步骤1. 1至步骤1. 6反馈调整清水阀位输出控制电压，步骤如下2. 1计算设定清水流量变化值，设定清水流量变化=设定清水流量-Is前设定清 水流量；2. 2判断设定清水流量变化是否大于Ibbl，
判断结果为是时，在2分钟以内，持续轮序执行步骤1. 1至1. 6，更新清水阀位输出 控制电压；判断结果为否时，根据液位偏差情况选择执行下列步骤之一，2. 2a如果液位偏差大于1. 5inch时，持续轮序执行步骤1. 1至1. 6，更新清水阀位 输出控制电压；2. 2b如果液位偏差小于0. 5inch时，保持当前清水阀位输出控制电压；2. 2c如果液位偏差大于0. 5inch且小于1. Oinch时，每10秒轮序执行一次步骤 1. 1至1. 6，更新一次清水阀位输出控制电压；2. 2d如果液位偏差大于1. Oinch且小于1. 5inch时，每1秒轮序执行一次步骤1. 1 至1.6，更新一次清水阀位输出控制电压。在上述技术方案中，所述液位偏差变化率通过以下公式计算液位偏差变化率=液位偏差-1秒前的液位偏差。在上述技术方案中，所述清水流量变化率Xdot通过以下公式计算Xdot =((((液位偏差变化率*微分系数)*液面面积)*60) I (231*2))*((干灰绝 对密度-设定泥浆密度)I (干灰绝对密度-清水密度))。其中微分系数通常取值0. 5。在上述技术方案中，所述应增清水流量Qadd通过以下公式计算Qadd =((((设定液位_实际液位)*液面面积)*60) | (231*时间t)) * ((干灰绝 对密度-设定泥浆密度)I (干灰绝对密度-清水密度))。其中时间t通常取值30秒。在上述技术方案中，所述清水流量Qslry通过以下公式计算Qslry =(实际泥浆排量*42) * ((干灰绝对密度-设定泥浆密度)| (干灰绝对密 度_清水密度))。在上述技术方案中，所述设定清水流量Qnew通过以下公式计算Qnew = Xdot+Qadd+Qslry =((((液位偏差变化率*微分系数)*液面面 积)*60) I (231*2))*((干灰绝对密度-设定泥浆密度)I (干灰绝对密度-清水密 度))+ ((((设定液位“实际液位)*液面面积)*60) I (231*时间t)) * ((干灰绝对密度-设 定泥浆密度)I (干灰绝对密度_清水密度))+ (实际泥浆排量*42) * ((干灰绝对密度-设 定泥浆密度)I (干灰绝对密度_清水密度))。本发明提供了一种固井水泥混浆作业的自动控制方法，它能够进行密度自动控 制、液位自动控制和数据发送，从而动态、精确地自动控制水泥混浆作业过程，并且真实、全 面地记录作业时的作业状态与作业数据。本发明的优点是1.在液位变化时，能及时准确 地调整清水比例阀，以保证液位平稳。2.数据记录和实时传送功能便于作业中和作业后的 数据分析。
图1是固井水泥混浆的控制系统示意图。图2是本发明固井水泥混浆作业的自动控制方法实施例流程图。
具体实施例方式现有固井水泥混浆作业系统一般由柴油发动机提供动力，灰罐中的水泥干灰通过管线流到混浆槽的下灰阀，经清水泵抽到轴流式混合器内高速喷射的水流形成真空，吸入 水泥干灰与清水混合。注入清水水流及干灰的量可由清水比例阀(简称清水阀)、干灰计量 阀(简称下灰阀)来调节。经过循环泵作用，干灰混合物以循环方式进行多次掺混，从而使 水泥浆密度符合设定密度，满足固井工艺要求。混合好的水泥浆由混浆槽出口排出。由于混 浆槽有一定的混浆容量，所以本发明提出在密度自动控制同时，进行泥浆的液位自动控制， 以免调配干灰和清水比例时，超出了需要的设定液位。而且控制液位可以精确的控制固井 水泥浆的总量，保证固井需要。这种自动控制可以通过实时采集作业过程中的实际液位数 据，再根据需要的设定液位调节清水比例阀来实现。具体实施时，可以通过在混浆槽中设置 液位计实现采集实际液位数据，微处理器处理采集得到的数据后，输出控制电压控制清水 比例阀的电磁阀，并通过该电磁阀启动驱动装置改变清水比例阀的阀位。如图1所示，实施固井水泥混浆的自动控制系统包括微处理器1，人机界面2，下 灰阀阀位编码器3，清水阀阀位编码器4，密度计5，密度计变送器5. 1，清水流量计6，液位计 7，下灰阀电磁阀8，清水阀电磁阀9 ；柱塞泵压力传感器10、11，排出流量计12、13 ；下灰阀 手动/自动切换开关14，清水阀手动/自动切换开关15。其中微处理器1通过Ethernet/ IP端口与人机界面2实现人机通讯，方便远程输入作业参数和实时工序操控。人机界面2可以根据需要设置功能按键供工作人员使用，例如在人机界面2上通 过按键在校准屏面进行校准的相关设置；在人机界面2上通过按键在主屏面输入数据记录 编号；在人机界面2上通过按键作业设置屏面设置作业参数；在人机界面2上通过按键在 主屏面上开始作业。通过软件程序设置，微处理器1可以控制混浆作业自动按以下步骤进行液位计7采集混浆槽内的液位，传动箱的控制模块(TCM)中的排出流量计12、13 采集泥浆排量，微处理器1比较实际液位和设定液位，计算出需要的清水阀的阀位，通过控 制清水阀电磁阀9来控制清水阀阀位编码器4从而控制清水阀，从而自动控制水泥浆液 位；微处理器1通过密度计5和密度计变送器5. 1采集密度信号，清水流量计8采集 到的清水流量信号，计算出需要的下灰阀的阀位，通过控制下灰阀电磁阀8来控制下灰阀 编码器3从而控制下灰阀，从而自动控制系统保持水泥浆密度；柱塞泵压力传感器10、11分别采集左右三缸柱塞泵压力；在启动作业的同时，采集各数据并将其传送给微处理器1，并在人机界面2上显 示；操作员通过人机界面2的按键根据工艺要求输入标记；微处理器1将自动控制下灰电 磁阀8、下灰阀、下灰阀编码器3、清水阀电磁阀9、清水阀、清水阀阀位编码器4 ；在人机界面 2上通过按键发出停止作业命令，停止作业，从而对水泥混浆作业进行精确、动态、全面的自 动控制。本发明提供的调节清水阀具体步骤如下，1. 1采集泥浆的实际液位信号、清水流量信号、泥浆排量信号，并将其传送给微处 理器；1. 2比较泥浆的设定液位和实际液位，得到液位偏差和液位偏差变化率，所述液 位偏差为设定液位与实际液位的差值，所述液位偏差变化率为单位时间内液位偏差的变化 值；
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1. 3由液位偏差变化率来计算清水流量变化率Xdot，由液位偏差计算达到设定液 位应增清水流量Qadd，由实际泥浆排量计算清水流量Qslry ；1. 4通过计算出的清水流量变化率Xdot、应增清水流量Qadd及清水流量Qslry的 总和求得达到泥浆设定液位所需的清水流量，即设定清水流量Qnew ；1. 5计算设定清水阀位，设定清水阀位=设定清水流量I实际进水能力，其中实际 进水能力=实际清水流量I实际清水阀位；1. 6由微处理器根据设定清水阀位，调节清水阀位输出控制电压控制清水阀的电 磁阀，并通过该电磁阀启动驱动装置改变清水阀的阀位；1. 7采集调节后设定清水流量Qnew，根据变化情况重复上述步骤1. 1至步骤1. 6 反馈调整清水阀位输出控制电压。本发明还提供了进一步方案，针对不同具体情况设计了反馈调整的频率，以避免 不必要的资源浪费所述收集调节后设定清水流量Qnew，根据变化情况重复上述步骤反馈 调整清水阀位输出控制电压，采用以下方式实现，2. 1计算设定清水流量变化值，设定清水流量变化=设定清水流量-1秒前设定清 水流量；2. 2判断设定清水流量变化是否大于Ibbl，判断结果为是时，在2分钟以内，持续轮序执行步骤1. 1至1. 6，更新清水阀位输出 控制电压；判断结果为否时，根据液位偏差情况选择执行下列步骤之一，2. 2a如果液位偏差大于1. 5inch时，持续轮序执行步骤1. 1至1. 6，更新清水阀位 输出控制电压；2. 2b如果液位偏差小于0. 5inch时，保持当前清水阀位输出控制电压；2. 2c如果液位偏差大于0. 5inch且小于1. Oinch时，每10秒轮序执行一次步骤 1. 1至1. 6，更新一次清水阀位输出控制电压；2. 2d如果液位偏差大于1. Oinch且小于1. 5inch时，每1秒轮序执行一次步骤1. 1 至1.6，更新一次清水阀位输出控制电压。其中bbl、inch为国际石油行业常用的英制单位，中文含义为(bbl)桶和(inch) 英寸，对应的公制单位为M3/MIN(方/分钟)及M(米)。其中1桶=0. 15898729方/分 钟，1英寸=0.0254米。具体实施时，可以根据需要采用其它方式设定反馈调整的频率，例 如改变选择执行步骤2. 2a、2. 2b,2. 2c或2. 2d中的液位偏差条件，或者改变轮序执行一次 步骤1.1至1.6的时间间隔大小。如图2所示，作业开始后，程序进行初始化；开始发送实时数据；然后根据设计输 入作业参数；当工作人员按下“开始”键，系统开始记录作业数据；程序启动密度自动控制 算法和液位自动控制算法；操作人员在面板上旋动下灰阀手动/自动开关，将下灰阀切换 到自动控制方式，计算机输出控制下灰阀以实现密度自动控制；操作人员在面板上旋动清 水阀手动/自动开关，将清水阀切换到自动控制方式，计算机输出控制清水阀以实现液位 自动控制；当工作人员按“停止”键停止作业；下灰阀关到最小控制阀位；清水阀关到最小 控制阀位；下载历史数据；结束。这种工作人员控制方案需要通过人机界面设计相应按键， 本技术领域人员可以根据流程进行设计实现。
控制步骤中的密度自动控制部分可以参见中国专利申请200610018396. 8的公开 文本，本实施例不予赘述。为了便于实施，本实施例提供了适合石油行业常用单位的液位偏差变化率以及 Xdot, Qslry, Qadd, Qnew数值的计算方法。1加仑=231立方英寸、1立方英尺=7. 48加 仑、1桶=42加仑、1分钟=60秒，即1桶/分钟=2520加仑/秒。所述液位偏差变化率通过以下公式计算出，液位偏差变化率=液位偏差-1秒前的液位偏差。所述清水流量变化率Xdot通过以下公式计算出，Xdot =((((液位偏差变化率*微分系数)*液面面积)*60) I (231*2))*((干灰绝 对密度_设定泥浆密度)I (干灰绝对密度-清水密度))；其中微分系数通常取值0.5，用户 可以在人机界面上输入该值。所述应增清水流量Qadd通过以下公式计算出，Qadd =((((设定液位_实际液位)*液面面积)*60) | (231*时间t)) * ((干灰绝 对密度_设定泥浆密度)I (干灰绝对密度-清水密度))；其中时间t通常取值30秒，用户 可以在人机界面上输入该值。所述清水流量Qslry通过以下公式计算出，Qslry =(实际泥浆排量*42) * ((干灰绝对密度-设定泥浆密度)| (干灰绝对密 度_清水密度))。所述设定清水流量Qnew通过以下公式计算出，Qnew = Xdot+Qadd+Qslry =((((液位偏差变化率*微分系数)*液面面 积)*60) I (231*2))*((干灰绝对密度-设定泥浆密度)I (干灰绝对密度-清水密 度))+ ((((设定液位“实际液位)*液面面积)*60) I (231*时间t)) * ((干灰绝对密度-设 定泥浆密度)I (干灰绝对密度_清水密度))+ (实际泥浆排量*42) * ((干灰绝对密度-设 定泥浆密度)I (干灰绝对密度_清水密度))。
权利要求
1.固井水泥混浆作业的自动控制方法，包括清水流量计、液位计、排出流量计、控制清 水吸入流量的清水阀，其特征在于按下列步骤控制泥浆液位1.1采集泥浆的实际液位信号、清水流量信号、泥浆排量信号，并将其传送给微处理器；1. 2比较泥浆的设定液位和实际液位，得到液位偏差和液位偏差变化率，所述液位偏差 为设定液位与实际液位的差值，所述液位偏差变化率为单位时间内液位偏差的变化值；1. 3由液位偏差变化率来计算清水流量变化率Xdot，由液位偏差计算达到设定液位应 增清水流量Qadd，由实际泥浆排量计算清水流量Qslry ；1. 4通过计算出的清水流量变化率Xdot、应增清水流量Qadd及清水流量Qslry的总和 求得达到泥浆设定液位所需的清水流量，即设定清水流量Qnew ；1.5计算设定清水阀位，设定清水阀位=设定清水流量I实际进水能力，其中实际进水 能力=实际清水流量I实际清水阀位；其中实际清水流量由清水流量计采集获得；1. 6由微处理器根据设定清水阀位，调节清水阀位输出控制电压控制清水阀的电磁阀， 并通过该电磁阀启动驱动装置改变清水阀的阀位；1.7采集调节后设定清水流量Qnew，根据变化情况重复上述步骤1. 1至步骤1. 6反馈 调整清水阀位输出控制电压。2.根据权利要求1所述的固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征在于步骤1.7中 所述采集调节后设定清水流量Qnew，根据变化情况重复步骤1. 1至步骤1. 6反馈调整清水 阀位输出控制电压，步骤如下2. 1计算设定清水流量变化值，设定清水流量变化=设定清水流量-1秒前设定清水流量；2. 2判断设定清水流量变化是否大于Ibbl，判断结果为是时，在2分钟以内，持续轮序执行步骤1. 1至1. 6，更新清水阀位输出控制 电压；判断结果为否时，根据液位偏差情况选择执行下列步骤之一，2. 2a如果液位偏差大于1. 5inch时，持续轮序执行步骤1. 1至1. 6，更新清水阀位输出 控制电压；2. 2b如果液位偏差小于0. 5inch时，保持当前清水阀位输出控制电压； 2. 2c如果液位偏差大于0. 5inch且小于1. Oinch时，每10秒轮序执行一次步骤
1. 1至 1. 6，更新一次清水阀位输出控制电压；
2.2d如果液位偏差大于1. Oinch且小于1. 5inch时，每1秒轮序执行一次步骤1. 1至 1. 6，更新一次清水阀位输出控制电压。
3.根据权利要求1所述的固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征在于所述液位偏 差变化率通过以下公式计算液位偏差变化率=液位偏差-1秒前的液位偏差。
4.根据权利要求1所述的固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征在于所述清水流 量变化率Xdot通过以下公式计算Xdot =((((液位偏差变化率*微分系数)*液面面积)*60) I (231*2) )*((干灰绝对密 度_设定泥浆密度)I (干灰绝对密度_清水密度))。
5.根据权利要求1所述的固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征在于所述应增清 水流量Qadd通过以下公式计算Qadd =((((设定液位_实际液位)*液面面积)*60) I (231*时间t)) * ((干灰绝对密 度-设定泥浆密度)I (干灰绝对密度-清水密度))。
6.根据权利要求1所述的固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征在于所述清水流 量Qslry通过以下公式计算Qslry =(实际泥浆排量*42)*((干灰绝对密度-设定泥浆密度)| (干灰绝对密度-清 水密度))。
7.根据权利要求1所述的固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征在于所述设定清 水流量Qnew通过以下公式计算Qnew = Xdot+Qadd+Qslry =((((液位偏差变化率*微分系数)*液面面 积)*60) I (231*2))*((干灰绝对密度-设定泥浆密度)I (干灰绝对密度-清水密 度))+ ((((设定液位_实际液位)*液面面积)*60) I (231*时间t)) * ((干灰绝对密度-设 定泥浆密度)I (干灰绝对密度_清水密度))+ (实际泥浆排量*42) * ((干灰绝对密度-设 定泥浆密度)I (干灰绝对密度_清水密度))。
全文摘要
本发明涉及一种固井水泥混浆作业的自动控制方法，在油田固井作业时用于水泥混浆作业的自动控制，该方法主要是依靠液位计采集混浆槽内的液位，排出流量计采集泥浆排量，微处理器比较实际液位和设定液位，计算出需要的清水阀阀位，通过控制清水阀电磁阀来控制清水阀阀位编码器从而控制清水阀，进而自动控制水泥浆液位。本发明能够进行液位自动控制，与泥浆密度自动控制方法相结合使用，便于动态、精确地自动控制水泥混浆作业过程。
文档编号E21B33/138GK102003159SQ20101055583
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者叶纪东, 唐军, 张金霞, 沈明祥, 陈春霞 申请人:四机赛瓦石油钻采设备有限公司