压裂酸化模拟培训系统及模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种压裂酸化模拟培训系统及模拟方法。
【背景技术】
[0002] 压裂酸化主要用于堵塞范围较深或者低渗透区的油气井，注酸压力高于油（气） 层破裂压力的压裂酸化，人们习惯称之为酸压。酸化液压是国内外油田灰岩油藏广泛采用 的一项增产增注措施。现已开始成为重要的完井手段。油气井压裂酸化作业涉及多种装置 设备，操作复杂危险，任何环节出现问题都可能影响作业质量，甚至造成事故，为国家和人 们带来重大的损失。因此，培训作业人员熟悉作业相关知识和专业技能尤为重要。但是几 乎所有的压裂酸化设备装置都分布在野外，不可能将培训放到现场，如果仅仅依靠常规的 课堂教学或实验室操作，缺乏直观认识，培训难以达到预期的效果。
[0003] 专利号CN202018748U公开了一种新型的压裂酸化模拟器，采用控制台和动画等 形式，直观、生动、逼真地模拟压裂酸化的工艺流程。但是模拟的工艺流程单一，可操作人员 有限，培训操作不够系统全面，因此教学效果不能达到全面和高效的要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种压裂酸化模拟培训系统及模拟 方法，搭建一个压裂酸化技术的仿真实训平台，采用多个远程、本地控制台和动画等形式， 生动、逼真地模拟压裂酸化过程中涉及的各类实训操作，以大屏幕投影方式展示现场场景， 结合高仿真的现场音效，让学员具有身临其境的体会，提高实践动手能力，减小误操作，提 高培训效果，降低培训和维护成本。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种压裂酸化模拟培训系统，它包 括控制系统、储液罐模型、并罐管汇模型、高低压管汇模型、砂浓缩器模型、蜡球管汇模型、 液氮车模型、表面活性剂/泵模型和压裂井口，所述的控制系统包括教师控制台、环幕投影 系统、压裂车远程控制台、压裂车本地控制台、混砂车远程控制台、混砂车本地控制台，所述 的教师控制台包括参数计算机、主控计算机、图像计算机、图像融合机、打印机，参数计算 机、主控计算机、图像计算机通过局域网连接，打印机与主控计算机连接，图像融合机与图 形计算机连接，环幕投影系统与图像融合机连接，压裂车远程控制台、压裂车本地控制台、 混砂车远程控制台和混砂车本地控制台分别通过RS232通信与参数计算机连接； 所述的压裂车远程控制台、压裂车本地控制台、混砂车远程控制台和混砂车本地控制 台均包括PLC控制器、STM8S控制器、前端可操作输入设备和前端输出显示设备；前端可操 作输入设备包括多个开关、按钮、阀门，前端输出显示设备包括指示灯、压力表和温度表；前 端可操作输入设备与PLC控制器相连，前端输出显示设备与STM8S控制器相连，PLC控制器 中设置有用于采集开关状态、按钮值及阀门开度的状态数据采集模块，STM8S控制器中设置 有用于控制指示灯、压力表及温度表显示的输出控制模块； 所述的主控计算机上设置有用于根据开关状态、按钮值及阀门开度数据，通过数学模 型计算出指示灯状态、压力表数据、温度表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况 数据的计算模块； 所述的图形处理机上设置有用于根据虚拟场景中设备工作状况数据呈现模拟的现场 实景及设备工作情况的虚拟呈现模块。
[0006] 所述的环幕投影系统包括麦克风、立体音响、功放、投影仪和与投影仪相配合的环
[0007] 所述的PLC控制器之间采用PPI总线通信，所述的STM8S控制器之间采用CAN总 线通信。
[0008] 所述的PLC控制器、STM8S控制器和参数计算机之间通过RS232协议交换数据。
[0009] 压裂酸化模拟方法，包括以下步骤： 51、 控制系统接通电源，主控机开始运行主控程序，图形计算机显示图形程序； 52、 主控计算机通过PLC控制器像操作控制台发送硬件初始化数据； 53、 图形计算机通过PLC控制器像操作控制台发送图形初始化数据； 54、 读取操作台阀门数据和按钮数据； 55、 判断操作是否正确，如果是，则进行S6,如果否，系统给出错误语音提示； 56、 主控计算机受到阀门数据和按钮数据，根据数学物理模型计算出流量、压力、密 度； 57、 主控计算机将出流量、压力、密度等参数发送给图形计算机，图形处理计算机根据 这些数据显示模拟的现场实景、设备的工作情况； 58、 主控计算机将出流量、压力、密度等参数回传给PLC，PLC控制各操作台上对应的硬 件部分显示主控计算机发送来的计算结果； 59、 判断操作是否正确，如果是，则结束程序，如果否，返回S4。
[0010] 所述的数学物理模型计算包括以下算法： (1)压裂液摩阻的计算：从本质上讲，降阻比就是牛顿流体与非牛顿流体的不同流变 特性在摩阻方面的表现； 降阻比的概念：
【主权项】
1. 一种压裂酸化模拟培训系统，其特征在于：它包括控制系统、储液罐模型、并罐管汇 模型、高低压管汇模型、砂浓缩器模型、蜡球管汇模型、液氮车模型、表面活性剂/泵模型和 压裂井口，所述的控制系统包括教师控制台、环幕投影系统、压裂车远程控制台、压裂车本 地控制台、混砂车远程控制台、混砂车本地控制台，所述的教师控制台包括参数计算机、主 控计算机、图形计算机、图像融合机、打印机，参数计算机、主控计算机、图像计算机通过局 域网连接，打印机与主控计算机连接，图像融合机与图形计算机连接，环幕投影系统与图像 融合机连接，压裂车远程控制台、压裂车本地控制台、混砂车远程控制台和混砂车本地控制 台分别通过RS232通信接口与参数计算机连接； 所述的压裂车远程控制台、压裂车本地控制台、混砂车远程控制台和混砂车本地控制 台均包括PLC控制器、STM8S控制器、前端可操作输入设备和前端输出显示设备；前端可操 作输入设备包括多个开关、按钮、阀门，前端输出显示设备包括指示灯、压力表和温度表；前 端可操作输入设备与PLC控制器相连，前端输出显示设备与STM8S控制器相连，PLC控制器 设置有用于采集开关状态、按钮值及阀门开度的状态数据采集模块，STM8S控制器中设置有 用于控制指示灯、压力表及温度表显示的输出控制模块； 所述的主控计算机上设置有用于根据开关状态、按钮值及阀门开度数据，通过数学模 型计算出指示灯状态、压力表数据、温度表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况 数据的计算模块； 所述的图形处理机上设置有用于根据虚拟场景中设备工作状况数据呈现模拟的现场 实景及设备工作情况的虚拟呈现模块。
2. 根据权利要求1所述的一种压裂酸化模拟培训系统，其特征在于：所述的环幕投影 系统包括麦克风、立体音响、功放、投影仪和与投影仪相配合的环幕。
3. 根据权利要求1所述的一种压裂酸化模拟培训系统，其特征在于：所述的PLC控制 器之间采用PPI总线通信，所述的STM8S控制器之间采用CAN总线通信。
4. 根据权利要求3所述的一种压裂酸化模拟培训系统，其特征在于：所述的PLC控制 器、STM8S控制器和参数计算机之间通过RS232协议交换数据。
5. 压裂酸化模拟方法，其特征在于：包括以下步骤： 51、 控制系统接通电源，主控机开始运行主控程序，图形计算机显示图形程序； 52、 主控计算机通过PLC控制器像操作控制台发送硬件初始化数据； 53、 图形计算机通过PLC控制器像操作控制台发送图形初始化数据； 54、 读取操作台阀门数据和按钮数据； 55、 判断操作是否正确，如果是，则进行S6,如果否，系统给出错误语音提示； 56、 主控计算机受到阀门数据和按钮数据，根据数学物理模型计算出流量、压力、密 度； 57、 主控计算机将出流量、压力、密度等参数发送给图形计算机，图形处理计算机根据 这些数据显示模拟的现场实景、设备的工作情况； 58、 主控计算机将出流量、压力、密度等参数回传给PLC，PLC控制各操作台上对应的硬 件部分显示主控计算机发送来的计算结果； 59、 判断操作是否正确，如果是，则程序结束；如果否，则返回S4。
6. 根据权利要求5所述的压裂酸化模拟方法，其特征在于：数学物理模型计算包括以 下算法： (1) 压裂液摩阻的计算：从本质上讲，降阻比就是牛顿流体与非牛顿流体的不同流变 特性在摩阻方面的表现； 降阻比的概念：
式中：（Λ Pf)。为清水的摩阻损失，MPa ;( Λ P f)p为压裂液的摩阻损失，MPa ; 清水的摩阻损失可以用经典水力学雷诺数与摩阻系数关系进行计算： (APf)0= 1. 385*10 6*D_4-8*QL8*H 式中：D为压裂油管的内径，mm ;Q为施工压裂液泵注排量，mVmin ;H为油管长度，m ; 降阻比σ是压裂液平均流速V、稠化剂浓度CHPe、支撑剂浓度Cp的函数，通常表示为 δ =f(v、CHPG、CP) 结合实际情况，得出以下实用与HPG压裂液降阻比的计算经验关系式： 1
式中：Cp为支撑剂的浓度，kg/nT3 ;CHrc为稠化剂HPG的浓度，kg/nT3 ; (2) 前置液摩阻计算：
(3) 携砂液摩阻计算：
(4) 井底压力计算方法： 针对压裂施工过程的特点，建立井口压力折算井底压力模型： Pwf= P Wh+Ph- Δ Pwb- Δ Pperf- Δ Pnear 式中：Pwf，Pwh，Ph分别为井底压力、井口压力和压裂液静水压力，MPa;AP wb，ΔΡ_， Δ 别为井筒摩阻、射孔孔眼摩阻和近井弯曲摩阻，MPa ; ① 井筒摩阻
式中：G，P分别为HPG稠化剂和支撑剂的质量浓度，kg/nT3 ;Q为注入排量，nT3/min ;D 为油管内径，mm ; 通过上式可以求出降阻比，然后根据工程流体力学相关理论，求出管线清水摩阻，进而 求出压裂过程中混砂液管线摩阻，即井筒摩阻；
② 射孔孔眼摩阻 其中 η = DENh
式中：P为流体密度，kg/nT3 ;η为孔眼数；d为孔眼直径，m ;c为孔眼流量系数；DEN为 孔密，孔/m ;h为施工层段有限打开厚度，m ; P i为基液密度，kg/m~3 ; P t为支撑剂体积密 度，kg/m~3 ; P s为支撑剂视密度，kg/m~3 ;C。为砂比； ③近井弯曲摩阻 APentry= kpQa+knQe= kzQY 式中：Δ P^y为入口摩阻，MPa ;k p，kn，kz分别为射孔摩阻系数、近井地带弯曲摩阻系数 和拟合摩阻系数；α，β，γ为拟合系数。
【专利摘要】本发明公开一种压裂酸化模拟培训系统及模拟方法，它包括控制系统、储液罐模型、并罐管汇模型、高低压管汇模型、砂浓缩器模型、蜡球管汇模型、液氮车模型、表面活性剂泵模型和压裂井口，所述的控制系统包括教师控制台、环幕投影系统、压裂车远程控制台、压裂车本地控制台、混砂车远程控制台、混砂车本地控制台，环幕投影系统与图像融合机连接，控制台均通过RS232通信接口与参数计算机连接。本发明的有益效果：搭建一个压裂酸化技术的仿真实训平台，既满足理论教学要求，又提供实践动手的仿真实训操作，以大屏幕投影方式展示现场场景，结合高仿真的现场音效，让学员对现场设备更加熟悉，减小误操作，提高培训效果，减小培训和维护成本。
【IPC分类】G09B9-00, G09B25-02
【公开号】CN104637363
【申请号】CN201510010129
【发明人】梅大成, 郑巧
【申请人】西南石油大学, 成都盛特石油装备模拟技术开发有限公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月8日