CN104329072A - 一种压裂液返排控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压裂液返排控制装置及方法，该装置包括：测量传感器、PLC控制器、控制节流阀执行器和节流阀；其中，所述测量传感器，用于在线实时测量节流阀两侧的压力差、节流阀处的液体流速以及节流阀的开度，将获取的信息以反馈信号的形式传输至所述PLC控制器；所述PLC控制器，用于利用所述压力差、所述液体流速和所述节流阀的开度计算获取节流阀处的流量，根据获取的节流阀处的流量发出控制信号；所述控制节流阀执行器，用于根据所述控制信号控制节流阀的开度，实现返排过程中返排液的流量。

Description

一种压裂液返排控制装置及方法

技术领域

本发明涉及油井压裂技术领域，特别涉及一种压裂液返排控制装置及方法。

背景技术

石油是埋藏在地下几百米甚至几千米深的油层中，储存在岩石的孔隙、裂缝、和孔洞中，是一种液体矿藏，可以在地下岩石的孔隙、裂缝和孔洞中流动，并且具有较高的压力。石油是靠油层压力的作用流到油井里，这样我们就可以通过油井从地下开采石油了。长期以来人们在实践中总结发现，通过压裂可以提高石油的产量。但是压裂过后必须经过一个返排过程，使得压裂过程中使用的压裂液从油井中流出。

压裂液的返排速度和返排率是影响增产效果的重要因素。实践发现，放喷过程太快，返排液流量太大，就会使得压裂过程中加入的支撑剂(砂子)随返排液一起流出油井，影响压裂施工效果。目前，油田现场施工中，主要是依靠人工控制井口闸板或人工更换油嘴来进行压裂液的返排，这种方法存在如下弊端：

1、由于是人工控制闸板或油嘴，不能实现连续返排，由于压力激动的产生，使压裂液的返排过程中出现吐砂；

2、由于人工操作，返排只能是裂缝完全闭和时进行，由于时间较长，造成裂缝闭和过程中，支撑剂发生严重沉降，大大减少储层填砂受效率；

3、由于人工操作，现场操作难于摸清规律，造成返排过快或过慢，以及返排流量的不适当，从而引起吐砂或返排率低。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提出一种压裂液返排控制装置及方法，本技术方案通过传感器和PLC相互配合通信，控制调节阀的开度，达到智能控制压裂返排流量的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种压裂液返排控制装置，该装置包括：

测量传感器、PLC控制器、控制节流阀执行器和节流阀；其中，

所述测量传感器，用于在线实时测量节流阀两侧的压力差、节流阀处的液体流速以及节流阀的开度，将获取的信息以反馈信号的形式传输至所述PLC控制器；

所述PLC控制器，用于利用所述压力差、所述液体流速和所述节流阀的开度计算获取节流阀处的流量，根据获取的节流阀处的流量发出控制信号；

所述控制节流阀执行器，用于根据所述控制信号控制节流阀的开度，实现返排过程中返排液的流量。

优选地，所述PLC控制器获取节流阀处的流量的表达式：

$Q=\mathrm{\α}\·A\·\sqrt{2\mathrm{\ΔP}/\mathrm{\ρ}}$

其中，Q表示流量，A表示节流口横截面，即节流阀的开度；ΔP表示节流阀的压力差；ρ表示液体密度；α表示流量系数；ζ表示流阻系数；l表示节流口长度；v表示粘度；V表示流速；d_H ²表示液压直径，u表示节流管横截面的周长。

优选地，所述节流阀的阀瓣形状为针形、角形或锥形。

为实现上述目的，本发明还提供了一种压裂液返排控制方法，该方法包括：

在线实时测量节流阀两侧的压力差、节流阀处的液体流速以及节流阀的开度；

利用所述压力差、所述液体流速和所述节流阀的开度计算获取节流阀处的流量，根据获取的节流阀处的流量发出控制信号；

根据所述控制信号控制节流阀的开度，实现返排过程中返排液的流量。

优选地，所述节流阀处的流量的计算表达式：

$Q=\mathrm{\α}\·A\·\sqrt{2\mathrm{\ΔP}/\mathrm{\ρ}}$

其中，Q表示流量，A表示节流口横截面，即节流阀的开度；ΔP表示节流阀的压力差；ρ表示液体密度；α表示流量系数；ζ表示流阻系数；l表示节流口长度；v表示粘度；V表示流速；d_H ²表示液压直径，u表示节流管横截面的周长。

上述技术方案具有如下有益效果：本技术方案推导出阀口面积与流量的关系，并提出了压裂液返排智能控制方法。利用该方法及装置可智能调节返排液流量，避免因返排速度过快，将支撑剂带出油井影响压裂施工效果。该发明在油气井生产领域尚属空白，应用后可有效提高油井寿命及产能，具有十分可观的经济效益及社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种压裂液返排控制装置框图；

图2为本发明提出的一种压裂液返排控制方法流程图；

图3为本实施例的压裂液返排控制系统框图；

图4为本实施例的压裂液返排控制系统的控制箱内部电路线路图；

图5为本实施例的控制程序功能图；

图6为本实施例的控制程序流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术方案的工作原理：在一般情况下，影响管道中流体流动的因素很多，例如管道截面积的变化、流体与管道壁的摩擦、流体的粘度等等，并且往往几个因素同时存在。在本发明中，通过调节管道中的节流阀的开度，即调节管道的截面积来改变管道中流体的流动状态。

通过节流口的流量可以按下式计算：

$Q=\mathrm{\α}\·A\·\sqrt{2\mathrm{\ΔP}/\mathrm{\ρ}}$

其中，Q表示流量，A表示节流口横截面，即节流阀的开度；ΔP表示节流阀的压力差；ρ表示液体密度；α表示流量系数；ζ表示流阻系数；l表示节流口长度；v表示粘度；V表示流速；d_H ²表示液压直径，u表示节流管横截面的周长。

根据节流口形状，流量系数可取0.6～0.9。

从上面节流口流量公式可以发现，在一定压力差情况下，节流口截面积越大，相应的流量也越大。改变节流阀阀口面积，即可以控制流程中流体流量，且流量差与阀口面积差呈正比。

在节流阀设计方面，因为要使用节流阀控制流量。且流体介质中有可能会还有砂，在高速流体的带动下，少量砂随着流体运移，会对节流阀阀体产生冲蚀，因此，节流阀阀体的设计与阀嘴的选择对本发明的长期应用至关重要。

节流阀是属于截止阀的一种，由于阀瓣形状为针形、角形或锥形，可以较好的调节流量或进行节流，调节压力。所以选用节流阀可以很好地来达到调节返排液流量的目的。根据工作压力要求，选择高压阀，工作压力达到32Mpa，本发明设计了节流阀阀体，具体参数如表1所示。

表1

基于上述原理，本发明提出一种压裂液返排控制装置，如图1所示。该装置包括：

测量传感器101、PLC控制器102、控制节流阀执行器103和节流阀104；其中，

所述测量传感器101，用于在线实时测量节流阀两侧的压力差、节流阀处的液体流速以及节流阀的开度，将获取的信息以反馈信号的形式传输至所述PLC控制器102；

所述PLC控制器102，用于利用所述压力差、所述液体流速和所述节流阀的开度计算获取节流阀处的流量，根据获取的节流阀处的流量发出控制信号；

所述控制节流阀执行器103，用于根据所述控制信号控制节流阀104的开度，实现返排过程中返排液的流量。

优选地，所述PLC控制器102获取节流阀处的流量的表达式：

$Q=\mathrm{\α}\·A\·\sqrt{2\mathrm{\ΔP}/\mathrm{\ρ}}$

其中，Q表示流量，A表示节流口横截面，即节流阀的开度；ΔP表示节流阀的压力差；ρ表示液体密度；α表示流量系数；ζ表示流阻系数；l表示节流口长度；v表示粘度；V表示流速；d_H ²表示液压直径，u表示节流管横截面的周长。

优选地，所述节流阀104的阀瓣形状为针形、角形或锥形。

如图2所示，为本发明提出的一种压裂液返排控制方法流程图。该方法包括：

步骤201)：在线实时测量节流阀两侧的压力差、节流阀处的液体流速以及节流阀的开度；

步骤202)：利用所述压力差、所述液体流速和所述节流阀的开度计算获取节流阀处的流量，根据获取的节流阀处的流量发出控制信号；

步骤203)：根据所述控制信号控制节流阀的开度，实现返排过程中返排液的流量。

实施例：

在本实施例中，根据压裂返排的要求，通过控制管道的节流阀的开度，使管道中返排液的流量(压力)按照给定规律工作的一套自适应控制系统，如附图3所示。

系统可以分成两大部分：1、PART1：上位机部分；2、PART2：控制系统硬件部分。相对于PART1来说，PART2是相对独立的，它可以在上位机不工作的情况下而独立地工作。

上位机部分(PART1)由计算机(PC机)构成，主要是用于一些控制量或控制规律的设定，以及一些中间过程量(如某一时刻的阀门开度、流量、压力等)的显示、比较与保存，便于直观地对实际放喷过程与给定规律进行比较。上位机部分与硬件部分通过串行通讯口联系。

控制系统硬件部分(PART2)主要由PLC、PID控制器、电动阀门执行机构、阀门、以及相应传感器等组成：

1、PLC相当于一个下位机，通过它的控制，可以使PART2在PART1不工作的情况下也能独立地按照预先给定的规律工作；通过它可以使PART2与PART1能够进行数据通讯；同时它也起到对采集到的中间过程量的A/D、D/A转换以及其他相关量的输出。

2、PLC的D/A量经电动阀门执行机构来来驱动阀杆，从而来控制管道阀门的开度。

3、中间过程量(阀门开度、流量、压力等)，可以通过相应的传感器(如位移、流量、压力传感器)测量得到，并反馈回PLC。

4、“指示灯”主要是用于管道阀门正常工作显示与工作异常报警。

本实施例控制系统中PLC具备实现以下功能：

1、通过PLC实现控制装置与上位机(PC机)的通讯功能

PLC的RS485口与PC机的RS232口通过PC/PCI电缆连接(如果需要，可以扩展RS485口，延长至500M到1000M)，采用波特率为9600bps，无奇偶校验位的，自由通讯模式。

2、实现在线数据的采集

压力与流量可以分别经由压力传感器和流量传感器测量得到，实现实时在线监测。一般来说传感器所转换得到的都是连续的模拟信号，而如果要想使用PC机来记录这些在线测得的数据，送入PC机的必须是数字信号，所以必须对分别由压力传感器和流量传感器测得的压力和流量信号进行A/D转换，这一工作就可以使用PLC及其它的模拟量扩展模块来实现。

3、实现对工作状态指示的控制

控制箱面板上的指示灯和报警装置是用来提示各个阀门的工作状态。这些指示装置接PLC的I/O口，通过PLC程序控制，各个指示装置按给定的逻辑顺序工作。

4、实现对主阀(节流阀)的控制

本实施例一个主要的任务就是要实现对流量的监测与自动控制，以达到对返排过程中吐砂情况的控制。这个控制过程是一个闭环反馈控制过程，也就是把在线测量所得到的压力与流量作为控制系统的反馈信号，通过PLC计算出所需要的控制率，从模拟量扩展口输出来控制节流阀执行器，以保证返排液按给定的流量规律返排。

附图4是整个控制箱内部的电路连线示意图，本实施例控制电路由控制面板、S7-200PLC、必要的继电器、接口等构成，它们之间通过适当的电路连接。图中各元件的功能为：

S1：系统电源打开按钮；

S2：系统电源关闭按钮；

KM1：中间继电器，用以实现S1与S2的联系，控制电源的开关；

K0：空气开关，用作段电保护；

K1：自动与手动方式选择开关；

K2：辅助阀一的行程开关；

K3：辅助阀二的行程开关；

K4：辅助阀三的行程开关；

K5：辅助阀四的行程开关；

K6：辅助阀五的行程开关。

在本实施例中，上位机应用程序的主要目的是提供油井自动放喷控制系统的人机交互界面，为系统提供流量和压力等参数的设置，同时完成控制过程中数据的存储，从而更好的进行控制。根据现场应用的要求，程序总体分成两大部分：参数设置和过程显示，如附图5所示。程序框图如附图6所示。根据程序设计的要求，系统参数的设置和数据的存储都在同一Windows应用程序环境中运行使之成为一个整体。系统参数的设置采用对话框方式使输入简洁方便，数据的存储可以用文本形式及图形形式保存，并且可打印输出。

本技术方案使的返排过程中压裂液的流量在适当的规律下进行，保证支撑剂(砂子)不被压裂液带出油井，提升了返排效率。最终达到稳定井下流体状态，提高压裂施工效果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种压裂液返排控制装置，其特征在于，该装置包括：

测量传感器、PLC控制器、控制节流阀执行器和节流阀；其中，

所述测量传感器，用于在线实时测量节流阀两侧的压力差、节流阀处的液体流速以及节流阀的开度，将获取的信息以反馈信号的形式传输至所述PLC控制器；

所述PLC控制器，用于利用所述压力差、所述液体流速和所述节流阀的开度计算获取节流阀处的流量，根据获取的节流阀处的流量发出控制信号；

所述控制节流阀执行器，用于根据所述控制信号控制节流阀的开度，实现返排过程中返排液的流量。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PLC控制器获取节流阀处的流量的表达式：

$Q=\mathrm{\α}\·A\·\sqrt{2\mathrm{\ΔP}/\mathrm{\ρ}}$

其中，Q表示流量，A表示节流口横截面，即节流阀的开度；ΔP表示节流阀的压力差；ρ表示液体密度；α表示流量系数；ζ表示流阻系数；l表示节流口长度；v表示粘度；V表示流速；d_H ²表示液压直径，u表示节流管横截面的周长。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述节流阀的阀瓣形状为针形、角形或锥形。

4.一种压裂液返排控制方法，其特征在于，该方法包括：

在线实时测量节流阀两侧的压力差、节流阀处的液体流速以及节流阀的开度；

利用所述压力差、所述液体流速和所述节流阀的开度计算获取节流阀处的流量，根据获取的节流阀处的流量发出控制信号；

根据所述控制信号控制节流阀的开度，实现返排过程中返排液的流量。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述节流阀处的流量的计算表达式：

$Q=\mathrm{\α}\·A\·\sqrt{2\mathrm{\ΔP}/\mathrm{\ρ}}$

其中，Q表示流量，A表示节流口横截面，即节流阀的开度；ΔP表示节流阀的压力差；ρ表示液体密度；α表示流量系数；ζ表示流阻系数；l表示节流口长度；v表示粘度；V表示流速；d_H ²表示液压直径，u表示节流管横截面的周长。