頁巖氣井加砂壓裂組合砂罐下砂自動化控制探討

李朝榮 江南 胡杰 朱強 付云鵬

摘 要 本文論述了采用PLC控制系統(tǒng)控制大型組合砂罐出砂口的理論，介紹通過際操作編寫邏輯控制程序，配置相應(yīng)的觸屏或按鍵，集成安裝于混砂車操作室內(nèi)進行操作控制的設(shè)計思路，并分析了緊急情況下的應(yīng)急措施，確保頁巖氣大規(guī)模加砂壓裂作業(yè)多種支撐劑精準加入。

關(guān)鍵詞 頁巖氣壓裂;組合砂罐;PLC;HSE

引言

目前大型水力加砂壓裂增產(chǎn)作業(yè)已成為頁巖氣井增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的主要技術(shù)措施，大規(guī)模加砂壓裂作業(yè)施工已是常態(tài)。組合砂罐是壓裂加砂設(shè)備重要組成，其儲砂、下砂功能關(guān)系到壓裂作業(yè)的質(zhì)量和效果，在職業(yè)健康、安全、環(huán)保前提下，提速、創(chuàng)效地開發(fā)組合砂罐自動化下砂控制系統(tǒng)裝置迫在眉睫。

1 頁巖氣井加砂壓裂組合砂罐下砂現(xiàn)狀

（1）大型頁巖氣井加砂壓裂施工作業(yè)時間長，單段施工需3小時左右。每日2-3段;頁巖氣壓裂施工作業(yè)需分階段加入不同類型的支撐劑，按施工設(shè)計要求將不同類型支撐劑精準切換加入對于整體施工質(zhì)量尤為重要。因不同類型支撐劑分別預裝于3砂罐內(nèi)，為達到支撐劑精準控制加入要求，加砂作業(yè)期間砂罐下砂口至少需二人操作3個砂罐的出口閘板，負責按施工設(shè)計或?qū)嶋H施工要求開/關(guān)砂罐口閘板及不同類型支撐劑切換加入操作[1]。

（2）組合砂罐靠近主要泵車/撬組擺放，作業(yè)區(qū)域存在高分貝噪聲、有害粉塵、高處作業(yè)、日曬雨淋、作業(yè)時間長等問題，對長期負責砂罐操作的人員身體健康存在安全隱患。

（3）人工手動操作砂罐出砂口閘板臨時切換，倒砂響應(yīng)速度較慢，其作業(yè)方式時效性差。同時因現(xiàn)場噪聲較大，易出現(xiàn)操作指令傳達/接收失真，導致相關(guān)操作準確響應(yīng)速度，現(xiàn)場多次出現(xiàn)因未能及時按指揮要求切換的情況。

2 改進目的

改變現(xiàn)行砂罐出砂口操作切換作業(yè)模式，采用全電氣化精準控制操作，使砂口操作工作更加精準、便捷、高效。同時可減少砂罐下砂操作員人工成本，使下砂作業(yè)內(nèi)容符合HSE管理要求，提高壓裂施工作業(yè)工程質(zhì)量[2]。

3 設(shè)計思路

（1）對于頁巖氣工區(qū)所使用砂罐出砂口手動閘板進行相應(yīng)的電氣化升級改造，設(shè)計選用技術(shù)成熟、穩(wěn)定可靠、性價比高的西門子S7-200 PLC加上位機觸屏控制系統(tǒng)。其PLC主機及相應(yīng)的控制系統(tǒng)主設(shè)備安裝在混砂車操作室內(nèi)，上位機觸屏控制顯示器和各手動控制開關(guān)、旋鈕等安裝于混砂車操作臺合適位置，便于混砂車操作人員觀察、操作。在砂罐出口閘板現(xiàn)有手動轉(zhuǎn)盤開關(guān)基礎(chǔ)上加裝電動驅(qū)動裝置。如圖3-1所示。

設(shè)計在出砂口閘板完全開/關(guān)到位位置安裝相應(yīng)的限位開關(guān)，當步進電機驅(qū)動閘板開/關(guān)到位時，閘板一側(cè)的限位塊會接觸到相當?shù)南尬婚_關(guān)，觸發(fā)控制系統(tǒng)預設(shè)的邏輯控制程序，實現(xiàn)自動停機控制等，可有效保障步進電機驅(qū)動裝置安全。如圖3-2所示。

為提高系統(tǒng)對于閘板開啟高度的精準控制，在閘板另一側(cè)安裝一套用于測量閘板行進位置的光柵尺，可實時將檢測到的閘板位移距離轉(zhuǎn)換為模擬信號傳送至PLC控制系統(tǒng)。經(jīng)PLC系統(tǒng)解析顯示到上位機觸屏顯示界面上，便于混砂車操作手觀察、掌握砂口閘板開啟/關(guān)閉情況。

（2）控制系統(tǒng)針對實際操作要求編寫邏輯控制程序，配置相應(yīng)的觸屏顯示器、預置簡潔明了的操作及參數(shù)顯示畫面，并配置對應(yīng)的手動按鍵/旋鈕開關(guān)輔助進行操作控制，混砂車操作人員在操作室內(nèi)根據(jù)實際施工需要可實現(xiàn)對于多套砂罐不同出砂模式的操作控制。PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)施配置如圖3-3所示。

4 應(yīng)急處理

刀板閥絲桿頂部加裝手輪，若供電動驅(qū)動系統(tǒng)裝置出現(xiàn)故障無法使用時，現(xiàn)場可及時手動切換至手動控制操作模式。通過人工手動操作轉(zhuǎn)輪驅(qū)動出砂口閘板開啟或關(guān)閉，保障加砂壓裂作業(yè)施工需要。

5 結(jié)束語

完成下砂自動化控制改裝后，下砂工作由混砂車操作手完成，其高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)配合PLC控制系統(tǒng)可對砂罐下砂口閘板實現(xiàn)精準操控，在有效提高各類型支撐劑切換速度的同時亦能降低現(xiàn)場作業(yè)人員勞動強度，并且可最大限度減少操作人員進入輸砂區(qū)域滯留時間，從而消除加砂作業(yè)過程中噪聲、支撐劑粉塵及長時間高處作業(yè)對于操作人員人身健康影響，達到壓裂施工作業(yè)現(xiàn)場HSE管理方針要求。

參考文獻

[1] 吳漢川，高文金.混砂車自動控制系統(tǒng)研究[J].石油機械，2003， （S1）：63-65.

[2] 王震宇.PLC在工業(yè)自動化控制應(yīng)用的探討[J].中國新通信， 2015， （6）：92.