固井水泥混浆作业的自动控制方法

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， 本发明申请人在2006年2月22日提交的专利申请(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，从而便于动态、精确地自动控制水泥混浆作业过程。本发明的第二个目的是提供一种固井水泥混浆作业的自动控制方法，它能够提供 模拟实际工况的控制模拟功能，以便于操作员培训和系统鉴定。为实现上述目的，本发明提供一种固井水泥混浆作业的自动控制方法，通过调节 干灰计量阀自动控制泥浆密度，而且通过调节清水比例阀来控制清水吸入流量，从而来调 整泥浆液面位置，具体步骤如下，1. 1采集泥浆的实际液位；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，由液位偏差计算在一定时间 内达到设定液位应增清水流量Qadd，由实际排量计算当前实际清水流量Qslry，1. 4通过清水流量变化率Xdot、应增清水流量Qadd及实际清水流量Qslry的总和 求得达到泥浆设定所需的清水流量，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根据设定清水阀位调整清水阀位输出控制电压，从而调节清水比例阀；1. 7收集调节后设定清水流量Qnew的变化，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。而且，所述收集调节后设定清水流量Qnew的变化，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-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，重复轮序执行步骤1. 1 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. 21如果液位偏差大于1. 5inch时，持续轮序执行步骤1. 1 1. 6，更新清水阀位 输出控制电压；2. 22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. 23如果液位偏差大于0. 5inch且小于1. Oinch时，每10秒钟轮序执行一次步骤 1. 1 1.6，更新一次清水阀位输出控制电压；2. 24如果液位偏差大于1. Oinch且小于1. 5inch时，每1秒钟轮序执行一次步骤 1. 1 1.6，更新一次清水阀位输出控制电压。而且，采用软件自动控制固井水泥混浆作业系统的方式实现，包括以下控制步骤，3. 1设置作业参数，包括设定液位和设定密度；3. 2启动自动流程控制方式；3. 3将清水比例阀开启到初始位置，启动清水泵，直到混浆槽内泥浆液位达到一定 值时，停止清水泵；3. 4开启循环泵，将干灰计量阀开启到初始位置，直到泥浆密度接近设定密度时， 再次启动清水泵并进入密度自动控制，通过调节干灰计量阀自动控制泥浆密度；当混浆槽 内泥浆液位接近设定液位时，进入液位自动控制，执行步骤1. 1 1. 7 ；3. 5当检测到混浆槽内泥浆达到设定液位时，提示操作人员可以排出泥浆。而且，在固井水泥混浆作业系统中并行设置密度计a和密度计b，自动控制水泥浆 密度时，通过采集密度计a和密度计b的数据计算绝对密度值，具体步骤如下，4. 1分别采集密度计a和密度计b测量得到的密度值，以及密度计a和密度计b的 压力值；4. 2分别求取密度计a的和密度计b的密度值每秒的平均值，分别标记为xl和x2 ； 计算密度计a和密度计b的绝对压力值，分别标记为yl和y2 ；4. 3计算密度计a和密度计b之间密度差及压力差，密度差=xl-x2,压力差= yi-y2 ；4. 4当压力差大于设定值而密度偏差大于0时，绝对密度通过下式求取，绝对密度=(xl|(l-(((xl|x2)-l) | ((yl-y2)-l)))；当压力差大于设定值且密度偏差小于或等于0时，取xl和x2中的较大者作为绝 对密度。而且，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-Is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) *每袋水泥 需水量)| (7. 48*每袋水泥造浆量)；所述清水流量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* —定时间))*每袋 水泥需水量)| (7. 48*每袋水泥造浆量)；
所述当前实际清水流量Qslry通过以下公式计算出，Qslry =(实际排量*每袋水泥需水量)| (7. 48*每袋水泥造浆量)；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| (231*2)*每袋水泥需水量)I (7. 48*每袋水泥造浆量)+ (((((设定液位-实际 液位)*液面面积)*60) I (231* —定时间))*每袋水泥需水量)I (7. 48*每袋水泥造浆 量)+ (实际排量*每袋水泥需水量)I (7. 48*每袋水泥造浆量)。而且，用于模拟实际工况控制。而且，所述模拟实际工况控制的具体实现步骤为，5. 1设定模拟作业参数，包括设定密度、每袋水泥造浆量、每袋水泥需水量、每袋水 泥重量、清水密度和设定泥浆排量；5. 2输入模拟密度起始值及模拟清水流量值，模拟密度自动控制和自动流程控制 方式的整个过程，过程中涉及的实际泥浆密度为模拟计算出的模拟密度值。而且，在进入密度自动控制前，模拟密度值=(下灰总重量+清水总重量)I (下灰 绝对体积+清水体积)；进入密度自动控制后，模拟密度值=密度A+ ((1秒前的密度-密度A) *B，密度A = [({C/ [ _) * (60/F) ]) *G} +F) / ({C/ [ _) * (60/F) ]} +1)，其中B = 2. 7183T，T = (_1*(计算排量/2520))/工作时混浆槽内混浆容量，C为 清水流量，D为干灰传输能力，E为干灰计量阀阀位，F为干灰混合物密度，G为清水密度。而且，存贮二十组模拟作业参数，每组模拟作业参数对应一个作业编号，每次作业 执行步骤5. 1时，通过输入作业编号值选择其中的一组模拟作业参数。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、混浆流程自动控制、绝对密度的测量与计算、发动机和传动箱数据的采 集和显示和数据发送，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、设备状态与作业数据。本发明的优点是1.在密度变化时，能及时准 确地调整干灰计量阀，以保证水泥浆密度到达设定要求。2.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。3.通过对混浆流程的自动控制，降低混浆作业操作强度与 难度，同时降低误操作的风险；4.通过绝对密度的测量与计算，以保证得到精确的实际密 度值；5.通过对发动机和传动箱数据的采集与显示，以保证作业时设备的可靠性；6.模拟 功能便于操作员培训和系统鉴定。7.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是本发明实施例流程图；图2是本发明实施例的控制系统示意图。
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，输出模拟量控制清水比 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。本发明提供的调节清水比例阀具体步骤如下，1. 1采集泥浆的实际液位；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，由液位偏差计算在一定时间 内达到设定液位应增清水流量Qadd，由实际排量计算当前实际清水流量Qslry，1. 4通过清水流量变化率Xdot、应增清水流量Qadd及实际清水流量Qslry的总和 求得达到泥浆设定所需的清水流量，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根据设定清水阀位调整清水阀位输出控制电压，从而调节清水比例阀；1. 7收集调节后设定清水流量Qnew的变化，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。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的变化，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-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，重复轮序执行步骤1. 1 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. 21如果液位偏差大于1. 5inch时，持续轮序执行步骤1. 1 1. 6，更新清水阀位 输出控制电压；2. 22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. 23如果液位偏差大于0. 5inch且小于1. Oinch时，每10秒钟轮序执行一次步骤 1. 1 1.6，更新一次清水阀位输出控制电压；2. 24如果液位偏差大于1. Oinch且小于1. 5inch时，每1秒钟轮序执行一次步骤 1. 1 1.6，更新一次清水阀位输出控制电压。
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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2. 21,2. 22,2. 23或2. 24的液位偏差条件，或者改变轮序执行一次步骤 1. 1 1.6的时间间隔大小。本发明提供的技术方案可采用软件自动控制固井水泥混浆作业系统的方式实现， 自动控制液位实现的实施例子包括以下控制步骤，3. 1设置作业参数，包括设定液位和设定密度；3. 2启动自动流程控制方式；3. 3将清水比例阀开启到初始位置，启动清水泵，直到混浆槽内泥浆液位达到一定 值时，停止清水泵；初始位置根据具体实施请求而定，如果需要快速完成，可以预设20 30% ；如果 强调精度，可以预设为较小的阀位，例如20%。3. 4开启循环泵，将干灰计量阀开启到初始位置(与清水比例阀的初始位置设定 方法相同)，直到泥浆密度接近设定密度时，再次启动清水泵；进入密度自动控制，通过调 节干灰计量阀自动控制泥浆密度；判断泥浆密度接近设定密度的具体实施方式
有多种，可以预设接近设定密 度的界限，例如，设定密度为13. 35PPG，当检测到当前实际泥浆密度大于13. 25PPG = 13. 35-0. IPPG时，清水泵再次启动，自动流程控制将进入密度自动控制(PPG为英制单位， IPPG = 0. 11982643G/CC)。启动清水泵是为了提供清水混合新注入的干灰，以防堵塞。当混浆槽内泥浆液位接近设定液位时，进入液位自动控制，执行步骤1. 1 1. 7 ； 保持液位可以防止混浆槽水泥浆排空或者溢出，混浆作业过程中，排出的突然变化会改变 混浆槽液位，为了同时支持密度控制和液位控制，本发明通过判断液位情况决定自动流程 控制何时进入液位自动控制方式。判断泥浆液位接近设定液位的具体实施方式
有多种，同 样可以根据需要预设接近设定液位的界限。因为在水泥浆制造过程中，当前实际液位总是 动态的，考虑到调节效率，可以直接设定当采集到的混浆槽内泥浆液位等于设定液位时，进 入液位自动控制，维持设定液位。3. 5当检测到混浆槽内泥浆达到设定液位时，提示操作人员可以排出泥浆。参见附图1，为了支持实时工序操控，本发明实施例的流程设计了多个根据工作人 员操作进行的步骤开始后，在设计作业阶段由工作人员根据具体固井要求进行设计；然 后根据设计输入作业参数；当工作人员按下“自动作业”键时，选择自动流程控制方式；当 工作人员按下“开始”键，清水比例阀自动开到20%的位置，自动启动清水泵；当混浆槽内 泥浆液位达到一定值时，清水泵自动停止；循环泵自动开启，干灰计量阀自动开启20% ；泥 浆密度达到低于设定密度0. IPPG时，清水泵再次自动开启；系统自动进入密度自动控制； 当混浆槽内泥浆液位达到设定液位时，系统自动进入液位自动控制；人机界面出现“开始排 出”提示；操作员启动灌注泵，开始排出；当工作人员按“停止”键停止作业；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。具体实施时也可采用更高程度的自动化方式，省去工作人员控制步骤，由程序控制自 动运行，通过对设备管路电控阀门的控制，作业过程中，系统可依据作业参数设置要求自动
9完成从进水_加灰_混拌_测量_泵注系列动作，在完成最后一道工序后，设备停止混浆和 泵注，实现混浆流程自动控制。控制步骤中的密度自动控制部分可以参见专利申请(200610018396. 8)的公开文 本，本发明不予赘述。考虑到在不限压力情况下测量固井水泥浆的绝对密度时，水泥浆中是 会有夹带的空气存在的，即使在测量水泥浆密度时，该水泥浆并没有夹带空气。也就是说求 取“绝对密度”——是没有夹带有空气的固井水泥浆的密度，更能精确反应泥浆实际密度情 况。本发明提出，在固井水泥混浆作业系统中并行设置密度计a和密度计b，自动控制水泥 浆密度时，通过采集密度计a和密度计b的数据计算绝对密度值，用绝对密度值代替密度计 直接采集的实际密度参与控制干灰计量阀，具体步骤如下，4. 1分别采集密度计a和密度计b测量得到的密度值，以及密度计a和密度计b的 压力值；4. 2分别求取密度计a的和密度计b的密度值每秒的平均值，分别标记为xl和x2 ； 计算密度计a和密度计b的绝对压力值，分别标记为yl和y2 ；4. 3计算密度计a和密度计b之间密度差及压力差，密度差=χ1-χ2,压力差= yi-y2 ；4. 4当压力差大于设定值而密度偏差大于0时时，绝对密度通过下式求取，绝对密度=(xl|(l-(((xl|x2)-l) I ((yl-y2)-l)))；当压力差大于设定值且密度偏差小于或等于0时，取xl和x2中的较大者作为绝 对密度。具体实施时，可以将密度计a和密度计b并排安装在与混合器相连接的水泥浆循 环管线上。实施时可将设定值设为0，出现压力差小于0时由程序提示错误。若压力差不 大，可以调节管线上的阀门适当加大压力差，以便更清晰的进行密度比较。为了便于实施，本发明提供了适合石油行业常用单位(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)的液 位偏差变化率以及Xdot、Qslry、Qadd、Qnew数值的计算方法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-Is前的液位偏差；(即以1秒为时间单位计算液位 偏差变化率)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) *每袋水泥 需水量)I (7. 48*每袋水泥造浆量)；所述清水流量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* —定时间))*每袋 水泥需水量)I (7. 48*每袋水泥造浆量)；所述当前实际清水流量Qslry通过以下公式计算出，Qslry =(实际排量*每袋水泥需水量)| (7. 48*每袋水泥造浆量)；所述设定清 水流量Qnew通过以下公式计算出，9new = Xdot+Qadd+Qslry =(((((液位偏差变化率*微分系数)*液面面 积)*60| (231*2)*每袋水泥需水量)I (7. 48*每袋水泥造浆量)+ (((((设定液位-实际液位)*液面面积)*60) I 031* —定时间))*每袋水泥需水量)I (7. 48*每袋水泥造浆 量)+ (实际排量*每袋水泥需水量)I (7. 48*每袋水泥造浆量)。
本发明提供的固井水泥混浆作业的自动控制方法不仅用于实际作业，而且可以用 于模拟实际工况控制。因为固井作业关系重大，如果出现设计失误或操作不当，都会造成巨 额损伤，提供模拟可以便于操作员培训和系统鉴定，具有重要实际意义。模拟实际工况控制 可以直接利用作业控制的软件程序进行处理，仅仅在数值上采用虚拟的模拟量，具体实现 步骤为，
5. 1设定模拟作业参数，包括设定密度、每袋水泥造浆量、每袋水泥需水量、每袋水 泥重量、清水密度、设定泥浆排量；
5. 2输入模拟密度起始值及模拟清水流量值，模拟密度自动控制和自动流程控制 方式的整个过程，过程中涉及的实际泥浆密度为模拟计算出的模拟密度值。
这种模拟的基础是模拟密度值，可以由实际清水流量、清水密度、干灰混合物密 度、干灰计量阀阀位、干灰传输能力及工作时混浆槽内水泥浆的体积计算出来模拟密度。固 井作业的过程是将水泥和水通过高能混合器充分混合后再通过大泵打入到井里，所用水泥 通常是水泥和一些添加剂的混合物(固态)，所以称之为干灰混合物(简称干灰)，泥浆是 指干灰混合物与水混合后的液体状物质，所以这两个密度不同，通常干灰混合物密度大于 泥浆密度。
可以选择只模拟密度自动控制或只模拟液位自动控制，以便能够进行专项考察。 在采用模拟密度、其它数值采用测量结果的情况，自动流程控制方式的整个过程(步骤 3. 2 3. 5)可以模拟出来。只进行密度模拟时，实际清水流量值为由传感器检测的清水流 量，实际干灰计量阀阀位为传感器检测到干灰计量阀阀位值。具体实施时，可以通过一个按 键来选择常规控制或流程控制来选择模拟程序用于密度自动控制或液位自动控制或完整 的自动流程控制(简称为全自动控制)，当选择常规控制方式时，密度自动控制和液位自动 控制由操作人员判断并加以选择；全自动控制时，自动密度控制和液位自动控制根据流程 需要自动进入。
本发明提供了准确模拟计算模拟密度值的具体方案
在进入密度自动控制前，模拟密度值=(下灰总重量+清水总重量)I (下灰绝对 体积+清水体积)；
进入密度自动控制后，模拟密度值=密度A+ ((1秒前的密度-密度A)祁，密度A = [({C/ [ (_ * (60/F) ]) *G} +F) / ({C/ [ (D*E) * (60/F) ]} +1)，其中 B = 2. 7183 ((-1* (计算排 量/2520))/工作时混浆槽内混浆容量)，C为清水流量，D为干灰传输能力，E为干灰计量 阀阀位，F为干灰混合物密度，G为清水密度。1秒前的密度是指当前实际密度(模拟方式 时是指模拟密度，非模拟方式时是指实际采集的密度计的密度值)的前一秒密度值。具体 实施时，若开启密度模拟，清水流量和干灰计量阀阀位可以为实际传感器的测量值，也可以 是模拟值，取决于是否采用清水模拟和干灰计量阀阀位模拟。F为计算值，G是在作业设置 屏面上的输入的模拟作业参数之一。Β = 2.7183τ，Τ= (_1*(计算排量/2520))/工作时混 浆槽内混浆容量，表示以2. 7183为底，以((_1*(计算排量/2520))/工作时混浆槽内混浆 容量)为指数的一个表达式。
为了方便起见，具体实施时可以通过微处理器接受并存贮二十组模拟作业参数，每组模拟作业参数对应一个作业编号，每次作业执行步骤5. 1时，通过输入作业编号值选 择其中的一组模拟作业参数。具体实施时组数可根据情况而定。作业自动控制时也可同样 处理作业参数。
为了便于实施参考，本发明提供了实施例的控制系统硬件实施方案。参见附图2， 辅助固井自动混浆系统实施全自动固井水泥混浆作业的自动控制系统包括有微处理器 1，人机界面2 ；以微处理器1为中心连接设置的下灰阀3，下灰阀编码器3. 1，清水阀4，清 水阀编码器4. 1，密度计5、6，密度计变送器5. 1,6. 1，流量计7，液位计8、9、10，下灰电控阀 11，电控气阀12 26(表示共15个电控气阀)，压力传感器27、28，温度传感器29、30、31， 转速传感器32、33、；34，压力传感器35、36、37、38，启停控制器39、40、41，以及电控旋塞阀 42 46 (表示共15个电控旋塞阀)；交换机47，网关48，发动机电控模块49、50、51，传动 箱电控模块52、53 ；PC机54 (或采用笔记本电脑)。其中微处理器1与PC机M或笔记本 电脑之间可通过其串口以及标准的RS232电缆总线相通讯，或者采用无线串口通讯方式通 讯；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 过按键在数据下载屏面进行数据下载的相关设置；在人机界面2上通过按键在主屏面或数 据下载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上通过按键主屏面输入作业编号1至20来调用作业设置屏面中输入的二十组 模拟作业数据中的一组；在人机界面2上通过按键在主屏面上将混浆作业过程设置为自动 流程控制方式；在人机界面2上通过按键在主屏面上输入启动密码；在人机界面2上通过 按键在主屏面上开始作业；在人机界面上通过“密度修正”键来选择将绝对密度或测量密度 用于计算和控制等。
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
通过清水阀编码器4. 1的反馈，清水阀4自动开到20%的位置；
清水泵的启停控制器39发出启动指令，清水泵开始工作；
液位计10测量混浆槽液位，当槽内泥浆达到一定液位时，清水泵的启停控制器39 发出停止指令，清水泵停止；
循环泵的启停控制器40发出启动指令，循环泵开始工作；
下灰电控阀11自动打开；
通过下灰阀编码器3. 1的反馈，下灰阀3自动开启20% ；
微处理器1通过密度计5、6和密度计变送器5. 1,6. 1采集密度信号，当密度低于 设定值0. Ippg时，清水泵启停控制器39发出指令，再次启动清水泵；
微处理器1通过密度计5、6和密度计变送器5. 1,6. 1采集密度信号，流量计7采 集到的清水流量信号，并通过算法计算出绝对密度，从而自动控制系统保持水泥浆密度；
液位计10采集混浆槽内的液位，当达到设定液位时，微处理器1通过算法计算出 需要的清水阀4的阀位，通过控制清水阀编码器4. 1来控制清水阀4，从而自动控制液位；
液位计8、9监测计量罐液位；
微处理器1根据设定的作业工艺自动开/关电控气阀12 沈；
压力传感器27J8分别采集左右三缸柱塞泵的润滑油压力，温度传感器四、30、31分别采集左右三缸柱塞泵的油温及液压油油温；
转速传感器32、33、34分别采集清水泵、循环泵、增压泵的转速；
压力传感器35、36、37、38分别采集左边三缸柱塞泵的油压、右边三缸柱塞泵的油 压、左边三缸柱塞泵的排出压力、右边三缸柱塞泵的排出压力；
微处理器1自动向人机界面2发出信号，提示操作员启动左右三缸柱塞泵进行排 出，操作员可以选择左边三缸柱塞泵和右边三缸柱塞泵之一进行排出，或者两者一起进行 排出；
微处理器1通过人机界面2接收到排出命令后，自动开/关电控旋塞阀42 46 中与所选柱塞泵相应者，确定排出管线，进行混合好的水泥浆排出；
在步骤3. 2启动自动流程控制方式开始的同时，交换机47、网关48工作，与发动机 电控模块49、50、51、传动箱电控模块52、53组成网络，通过网络协议将设备数据传送给微 处理器1，并在人机界面2上显示；在步骤3. 2启动自动流程控制方式开始的同时，操作员 通过人机界面2的按键根据工艺要求输入标记；在人机界面2上通过按键发出停止作业命 令，微处理器1将自动控制下灰阀3、下灰阀编码器3. 1、清水阀4、清水阀编码器4. 1、下灰 电控阀11、电控气阀12 沈、启停控制器39、40、41，及电控旋塞阀42 46至相应状态，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。
本发明所要求保护的固井水泥混浆作业的自动控制方法技术方案并不限于以上 实施例。
权利要求
1. 一种固井水泥混浆作业的自动控制方法，通过调节干灰计量阀自动控制泥浆密度， 其特征是通过调节清水比例阀来控制清水吸入流量，从而来调整泥浆液面位置，具体步骤 如下，1.1采集泥浆的实际液位；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，由液位偏差计算在一定时间内达 到设定液位应增清水流量Qadd，由实际排量计算当前实际清水流量Qslry，1. 4通过清水流量变化率Xdot、应增清水流量Qadd及实际清水流量Qslry的总和求得 达到泥浆设定所需的清水流量，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根据设定清水阀位调整清水阀位输出控制电压，从而调节清水比例阀；1.7收集调节后设定清水流量Qnew的变化，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。
2.根据权利要求1所述固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征是所述收集调节 后设定清水流量Qnew的变化，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-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，重复轮序执行步骤1. 1 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. 21如果液位偏差大于1. 5inch时，持续轮序执行步骤1. 1 1. 6，更新清水阀位输出 控制电压；2. 22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. 23如果液位偏差大于0. 5inch且小于1. Oinch时，每10秒钟轮序执行一次步骤 1. 1 1.6，更新一次清水阀位输出控制电压；2.M如果液位偏差大于1. Oinch且小于1. 5inch时，每1秒钟轮序执行一次步骤1. 1 1. 6，更新一次清水阀位输出控制电压。
3.根据权利要求1或2所述固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征是采用软件 自动控制固井水泥混浆作业系统的方式实现，包括以下控制步骤，3. 1设置作业参数，包括设定液位和设定密度；3. 2启动自动流程控制方式；3. 3将清水比例阀开启到初始位置，启动清水泵，直到混浆槽内泥浆液位达到一定值 时，停止清水泵；3. 4开启循环泵，将干灰计量阀开启到初始位置，直到泥浆密度接近设定密度时，再次 启动清水泵并进入密度自动控制，通过调节干灰计量阀自动控制泥浆密度；当混浆槽内泥浆液位接近设定液位时，进入液位自动控制，执行步骤1. 1 1. 7 ；3.5当检测到混浆槽内泥浆达到设定液位时，提示操作人员可以排出泥浆。
4.根据权利要求3所述固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征是在固井水泥混 浆作业系统中并行设置密度计a和密度计b，自动控制水泥浆密度时，通过采集密度计a和 密度计b的数据计算绝对密度值，具体步骤如下，4. 1分别采集密度计a和密度计b测量得到的密度值，以及密度计1和密度计2的压力值；4. 2分别求取密度计a的和密度计b的密度值每秒的平均值，分别标记为xl和x2 ；计 算密度计a和密度计b的绝对压力值，分别标记为yl和y2 ；4. 3计算密度计a和密度计b之间密度差及压力差，密度差=xl-x2，压力差=yl-y2 ；4.4当压力差大于设定值而密度偏差大于0时时，绝对密度通过下式求取，绝对密度= (xl| (l-(((xl|x2)-l) I ((yl-y2)_l)))；当压力差大于设定值且密度偏差小于或等于0时，取xl和x2中的较大者作为绝对密度。
5.根据权利要求1或2或4所述固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征是 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-Is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) *每袋水泥需水 量)I (7. 48*每袋水泥造浆量)；所述清水流量Qadd通过以下公式计算出，Qadd =(((((设定液位-实际液位)*液面面积)*60) I (231* 一定时间))*每袋水泥 需水量)I (7. 48*每袋水泥造浆量)；所述当前清水流量Qslry通过以下公式计算出，Qslry =(实际排量*每袋水泥需水量)I (7. 48*每袋水泥造浆量)；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| 031 )*每袋水泥需水量)I (7. 48*每袋水泥造浆量)+ (((((设定液位-实际 液位)*液面面积)*60) I 031* —定时间))*每袋水泥需水量)I (7. 48*每袋水泥造浆 量)+ (实际排量*每袋水泥需水量)I (7. 48*每袋水泥造浆量)。
6.根据权利要求1或2或4所述固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征是用于 模拟实际工况控制。
7.根据权利要求6所述固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征是所述模拟实际 工况控制的具体实现步骤为，5. 1设定模拟作业参数，包括设定密度、每袋水泥造浆量、每袋水泥需水量、每袋水泥重 量、清水密度和设定泥浆排量；5. 2输入模拟密度起始值及模拟清水流量值，模拟密度自动控制和自动流程控制方式 的整个过程，过程中涉及的实际泥浆密度为模拟计算出的模拟密度值。
8.根据权利要求7所述固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征是在进入密度自动控制前，模拟密度值=(下灰总重量+清水总重量)I (下灰绝对体积+清水体积)；进入密度自动控制后，模拟密度值=密度A+ ((1秒前的模拟密度值-密度A)祁，密度A =[({C/ [ _) * (60/F) ]) *G} +F) / ({C/ [ _) * (60/F) ]} +1)，其中B = 2. 7183T，T = (_1*(计算排量/2520))/工作时混浆槽内混浆容量，C为清水 流量，D为干灰传输能力，E为干灰计量阀阀位，F为干灰混合物密度，G为清水密度。
9.根据权利要求7或8所述固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征是存贮二十 组模拟作业参数，每组模拟作业参数对应一个作业编号，每次作业执行步骤5. 1时，通过输 入作业编号值选择其中的一组模拟作业参数。
全文摘要
固井水泥混浆作业的自动控制方法，通过调节干灰计量阀自动控制泥浆密度，通过调节清水比例阀来控制清水吸入流量，从而来调整泥浆液面位置，具体步骤如下，采集泥浆的实际液位；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；由液位偏差变化率来计算清水流量变化率Xdot，由液位偏差计算在一定时间内达到设定液位应增清水流量Qadd，由实际排量计算当前实际清水流量Qslry；求得达到泥浆设定所需的清水流量，即设定清水流量Qnew；计算设定清水阀位；根据设定清水阀位调整清水阀位输出控制电压，从而调节清水比例阀；收集调节后设定清水流量Qnew的变化，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。
文档编号B28C7/12GK102029649SQ20091027231
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者丁晓珍, 叶纪东, 唐军, 沈明祥, 陈春霞 申请人:四机赛瓦石油钻采设备有限公司