混砂車是壓裂機(jī)組的核心設(shè)備，它將外部提供的壓裂液以自吸的方式吸入至混合罐內(nèi)，并與支撐劑及不同種類的添加劑按照施工設(shè)計(jì)要求進(jìn)行混合，然后以一定的壓力輸出到與其連接的壓裂車內(nèi)。隨著壓裂工藝的發(fā)展，特別在非常規(guī)油氣資源的開發(fā)中，對(duì)混砂車的排量要求逐步提高。而混砂車控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)為流量，流量信號(hào)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到加砂濃度的均勻性和控制過程的穩(wěn)定性。

 

        長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司于2006年從美國引進(jìn)的SS2000型混砂車，采用渦輪流量計(jì)對(duì)吸入和排出端的流量信號(hào)進(jìn)行采集。流體沖擊渦輪葉片時(shí)，渦輪會(huì)克服摩擦力和流體阻力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，而磁電轉(zhuǎn)換裝置把渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電脈沖，經(jīng)前置放大器放大后，最后送入顯示儀表進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示。渦輪流量計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)在于精度高、重復(fù)性好、無零點(diǎn)漂移和高量程比。但它在測(cè)量氣、液混相或黏稠液體時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。更為嚴(yán)重的是，若流體中含有棕繩、抹布、塑料袋之類的臟物，渦輪流量計(jì)的渦輪可能會(huì)被卡住，導(dǎo)致沒有流量信號(hào)輸出 [2] 。因此，對(duì)混砂車流量計(jì)量技術(shù)進(jìn)行改造是提高工作效率的當(dāng)務(wù)之急。

 

1 流量計(jì)量系統(tǒng)的改造方式

1.1 流量計(jì)選型需考慮的問題

        結(jié)合本單位實(shí)際生產(chǎn)情況，流量計(jì)選型要考慮的主要問題有：首先是儀表的精度和量程范圍；其次是流量計(jì)的安裝條件，包括管道的口徑尺寸，上下游能提供的直管段，管道是否過量振動(dòng)，環(huán)境的溫度等；最后是被測(cè)流體的類型、狀態(tài)及性質(zhì)。

 

由于渦輪流量計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中暴露出的計(jì)量不準(zhǔn)確的問題，一些國外儀表公司，如美國的艾默生、德國的恩德斯豪斯公司等公司以及一些國內(nèi)企業(yè)，已經(jīng)相繼設(shè)計(jì)和制造出了各種電磁流量計(jì)。

 

1.2 電磁流量計(jì)的選型

1.2.1 電磁流量計(jì)工作原理

        電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電性流體體積流量的儀表。即導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) [4] ，如圖 1所示。

        感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)通過兩個(gè)電極檢出，然后傳送至變送器，經(jīng)過信號(hào)處理及相關(guān)運(yùn)算后，得到流量值。感應(yīng)電勢(shì)E與被測(cè)流體的平均流速▽的關(guān)系：

 

        式中：E -感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V；K -儀表常數(shù)；B -磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；D -測(cè)量管的等效直徑，mm；▽-測(cè)量管截面內(nèi)流體的平均流速，L/min。

 

        當(dāng)體積流量為Q時(shí)，因此，

 

        當(dāng)D和B一定時(shí)，Q和E成正比關(guān)系，因此通過測(cè)量感應(yīng)電勢(shì)值即可得出流體流量，而與其他物理參數(shù)，如溫度、密度、導(dǎo)電率等無關(guān)，這是電磁流量計(jì)最顯著的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在流體流量測(cè)量中，已經(jīng)在石油、化工、食品等部門普及。經(jīng)過調(diào)研得知，在國外最新的混砂車輸出端已經(jīng)采用電磁式流量計(jì)作為測(cè)量系統(tǒng)，且工作性能完全滿足油田施工環(huán)境的需要。由于生產(chǎn)任務(wù)緊迫，短時(shí)期內(nèi)無法引進(jìn)新型混砂車。經(jīng)詳細(xì)論證，決定把SS2000型混砂車原有的渦輪流量計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

 

1.2.2 電磁流量計(jì)的選型

        選擇合適的電磁流量計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)可靠和高精確度的測(cè)量。雖然國內(nèi)部分廠家也能生產(chǎn)電磁流量計(jì)，但由于理論技術(shù)和設(shè)計(jì)制造工藝等方面的原因，在防腐蝕、磨損，砂粒沖蝕等方面還達(dá)不到油田壓裂計(jì)量要求，而國外某些知名公司生產(chǎn)的電磁流量計(jì)在技術(shù)上已遠(yuǎn)領(lǐng)先于國內(nèi)。電磁流量計(jì)的選擇一方面要考慮精度、量程范圍和管徑等是否滿足油田施工環(huán)境的需要 [6] ，另一方面還要考慮本單位能承擔(dān)的購買價(jià)格和維護(hù)成本，經(jīng)充分調(diào)研后決定選用艾默生8700系列電磁流量計(jì)。8700系列8707型傳感器以及與之對(duì)應(yīng)的8712H變送器具有大電流脈沖直流技術(shù)和適合高噪音條件應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，是較理想的替代產(chǎn)品。

 

1.3 參數(shù)選擇依據(jù)

1.3.1 傳感器口徑的選擇

        傳感器是把測(cè)量管內(nèi)被測(cè)流體的流量值線性地轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)的一種裝置。電磁流量計(jì)是一種作為直管段連接在工藝管道上的流量計(jì)，傳感器口徑因其影響流速而成為一個(gè)重要的考慮因素。為保證介質(zhì)的流速在傳感器的測(cè)量范圍內(nèi)，需要選擇鄰近管線口徑大小的電磁流量計(jì)。流速與流量的關(guān)系為：

         

        式中：v -液體流速，m/s；Q -液體排量，L/min；K -傳感器出廠系數(shù)。

        

        壓裂施工時(shí)，管匯中液體的實(shí)際流速在0-12m/s范圍內(nèi)，而混砂車輸出端管匯的尺寸為8英寸。考慮到管道聯(lián)接的匹配性，決定選用8英寸的電磁流量計(jì)。查閱產(chǎn)品選型手冊(cè)，8英寸電磁流量計(jì)的流量范圍為0.02359-23.204 m 3 /min，滿足本單位混砂車排量要求。

 

1.3.2 上游下游直管段長(zhǎng)度

        大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電磁流量計(jì)的上游一般要有長(zhǎng)度為5-10倍于管徑的直管段，這樣才能保證流體流經(jīng)電磁流量計(jì)時(shí)速度呈軸對(duì)稱分布 [7] 。經(jīng)測(cè)量，SS2000型混砂車排量管道符合安裝要求。

 

1.3.3 變送器安裝位置的選擇

        在壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)，管匯振動(dòng)非常厲害，若將變送器安裝到管匯上，將會(huì)嚴(yán)重影響變送器信號(hào)輸出的穩(wěn)定性。若將變送器安裝在室外，長(zhǎng)時(shí)間太陽的照射會(huì)縮短變送器的使用壽命。經(jīng)詳細(xì)論證，決定把變送器安裝在混砂車上部空間較大的操作室內(nèi)。

 

1.3.4 襯里材料選擇

        襯里材料為直接與介質(zhì)接觸的測(cè)量管 [8] ，其作用是為了減少對(duì)流量計(jì)本體的腐蝕和磨損，常用襯里材料有氟塑料、聚氨酯橡膠、氯丁橡膠和陶瓷等。結(jié)合長(zhǎng)慶油田的使用環(huán)境，考慮到被測(cè)介質(zhì)的腐蝕性、磨損量和使用溫度，決定選擇氟塑料，即全氟烷氧基樹脂(Polyfl uoroalkoxy, PFA)作為8700系列傳感器襯里材料，它具有出色的抗腐蝕性和抗磨損性，適用任何場(chǎng)合。

 

1.3.5 傳感器定位

        傳感器應(yīng)安裝在充滿液體的管路上。垂直安裝時(shí)，液體流動(dòng)方向朝上，確保傳感器截面處的液體保持滿管，信號(hào)不受流量影響。水平安裝時(shí)，應(yīng)安裝在低管段。這樣，電極面應(yīng)定位成與水平面成45°角，如圖2所示。

2 電磁流量計(jì)安裝布局設(shè)計(jì)

        目前，井下壓裂六隊(duì)有2臺(tái)SS2000型混砂車，一臺(tái)70 bbl，另一臺(tái)100 bbl。根據(jù)8707型電磁流量傳感器的安裝尺寸要求，除長(zhǎng)度要求外，管道周圍還需要至少300 mm的空間。由于70 bbl混砂車流量計(jì)量傳感器至操作室的高度只有100 mm，在空間結(jié)構(gòu)上不滿足安裝要求，故沒有進(jìn)行改造。而100 bbl混砂車的管匯布局相對(duì)不同，流量計(jì)周圍部分尺寸如圖3所示。

        從圖3可以看出，100 bbl混砂車的管匯布局較為簡(jiǎn)單，經(jīng)測(cè)量，流量計(jì)上游和下游的直管段長(zhǎng)度分別為1100 mm和540 mm，滿足上游5D和下游2D的安裝要求。流量計(jì)上方的空間為700 mm，大于300 mm的空間要求。這種方案不需要移動(dòng)操作臺(tái)，也不會(huì)破壞原車的結(jié)構(gòu)，最終安裝如圖3所示。

 

3 接口電路與程序

3.1 接口電路

        安裝好電磁流量計(jì)后，便可接入混砂車儀表控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)換后，電磁流量計(jì)將變送器信號(hào)先儲(chǔ)存在自身單片機(jī)內(nèi)，用于自帶儀表的數(shù)據(jù)顯示。接著將存儲(chǔ)信號(hào)傳輸?shù)?00 bbl混砂車的MCB板上，來控制ACCUFRAC自動(dòng)加砂系統(tǒng)和自動(dòng)液面控制系統(tǒng)。接下來需要解決電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器與混砂車之間的電路接口問題。通過對(duì)混砂車數(shù)據(jù)采集模塊電路原理的研究，分析了信號(hào)采集模塊和信號(hào)轉(zhuǎn)換流程，設(shè)計(jì)了接口電路，如圖4所示。

        由圖4可知，利用電磁流量計(jì)變送器的信號(hào)輸出功能，可將其中一路信號(hào)接至原混砂車MCB板頻率信號(hào)輸入端。在變送器上設(shè)置固定輸出頻率，MCB板根據(jù)轉(zhuǎn)換信號(hào)對(duì)混砂車自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)。該電路保留了原車4號(hào)渦輪流量計(jì)的輸入信號(hào)，若電磁流量計(jì)出現(xiàn)故障，可通過切換開關(guān)將流體切換至渦輪流量計(jì)，確保壓裂施工任務(wù)的順利進(jìn)行。

 

3.2 電路連接注意事項(xiàng)

        完成以上硬件連接后，按照國家電器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行布線。在布線過程中，需做好防塵防潮處理，避開易磨損部位，用綁扎帶和膠皮固定信號(hào)線。至此所有硬件改造已完成。通過上述方式對(duì)混砂車流量計(jì)量系統(tǒng)的改造升級(jí)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的無損安裝，而且沒有對(duì)原設(shè)備固件部分做任何改動(dòng)，確保了原設(shè)備的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性。

 

3.3 開機(jī)設(shè)置

布線完成后，測(cè)試前需要對(duì)設(shè)備開機(jī)初始化執(zhí)行程序進(jìn)行設(shè)置，主要部分如下所示：

 

Signal Processing(Enter twice) 設(shè)置流量計(jì)工作

范圍

Control=ON

Samples=18

Max %Limit=1.0%

        Time Limit=2.0secs

Special Units 設(shè)置公制單位

        Metric->VOL UNIT=M3

BASE VOL UNIT=Gal

        TUBE SIZE=8"or 10" 設(shè)置管徑

TUBE CAL#=obtain from flow tube tag從流量

 

計(jì)標(biāo)簽獲取管徑系數(shù)

        ANALOG OUTUP 信號(hào)輸出設(shè)置

P U L S E O U T P U T S C A L I N G = M A X

        FLOW/60000i.e.(130BPM/60000=0.002166667)*

PULSE WIDTH=0.5ms

        XMTR TEST

PULSE TEST OUTPUT=1000Hz(800Hz FOR

        EPS units)

XMTR TRIM

        AUTO ZERO(with a full tube of fluid and NO

motion) 自動(dòng)校零

 

4 試驗(yàn)情況

4.1 試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)

        在對(duì)混砂車的流量計(jì)量系統(tǒng)升級(jí)改造完成后，首先在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)。場(chǎng)試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)測(cè)試曲線見圖5，從測(cè)試曲線可以看出，無論在流量低至0.2 m 3 /min的情況下，還是流量突然發(fā)生波動(dòng)變化，改造升級(jí)后的流量計(jì)量系統(tǒng)的輸出信號(hào)都很穩(wěn)定。車場(chǎng)試驗(yàn)臺(tái)的試運(yùn)結(jié)果表明，改造后的流量計(jì)量系統(tǒng)符合最初設(shè)計(jì)要求。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

        試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試通過后，用升級(jí)改造后的流量計(jì)量系統(tǒng)對(duì)混砂車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。改造后的100 bbl混砂車先后完成了烏審旗的5口裸眼封隔器和蘇南道達(dá)爾合作區(qū)塊62口井共計(jì)138層次的壓裂施工任務(wù)。該混砂車排量計(jì)量準(zhǔn)確，在多層打滑套時(shí)的液體計(jì)量誤差幾乎可以忽略不計(jì)。甲方非常滿意該混砂車的優(yōu)異表現(xiàn)，并把該車作為該區(qū)塊的指定用車。該混砂車還在隴東項(xiàng)目部，完成2口陽平系列井的體積壓裂，創(chuàng)造了10天壓裂18段的最新記錄。流量計(jì)量系統(tǒng)升級(jí)改造后，該混砂車經(jīng)歷了不同施工工況下的嚴(yán)格考驗(yàn)，表現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性，滿足了各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)要求。部分工況下的施工曲線見圖6、圖7。

5 結(jié)論

        流量計(jì)量系統(tǒng)升級(jí)改造后的混砂車，不僅能有效地解決因溫度、壓力和液體性質(zhì)變化而引起的流量信號(hào)波動(dòng)導(dǎo)致的施工質(zhì)量降低問題，而且還可以防止流量計(jì)葉輪被稠化酸或者液體中異物卡住而無流量信號(hào)輸出的現(xiàn)象，達(dá)到了最初設(shè)計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)要求。通過對(duì)流量計(jì)量系統(tǒng)的升級(jí)改造，不但可以大大減少與甲方的糾紛數(shù)量和監(jiān)督罰款，同時(shí)還降低了流量計(jì)總成的更換頻率，減輕了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，為公司打開外部市場(chǎng)提供了有力保障，為本單位帶來了更大的經(jīng)濟(jì)效益。