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)的輸入信號為流量，流量信號的穩(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，采用渦輪流量計對吸入和排出端的流量信號進(jìn)行采集。流體沖擊渦輪葉片時，渦輪會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)行計數(shù)和顯示。渦輪流量計的主要優(yōu)點(diǎn)在于精度高、重復(fù)性好、無零點(diǎn)漂移和高量程比。但它在測量氣、液混相或黏稠液體時會產(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，渦輪流量計的渦輪可能會被卡住，導(dǎo)致沒有流量信號輸出 [2] 。因此，對混砂車流量計量技術(shù)進(jìn)行改造是提高工作效率的當(dāng)務(wù)之急。

 

1 流量計量系統(tǒng)的改造方式

1.1 流量計選型需考慮的問題

        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，環(huán)境的溫度等；最后是被測流體的類型、狀態(tài)及性質(zhì)。

 

由于渦輪流量計在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中暴露出的計量不準(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)計和制造出了各種電磁流量計。

 

1.2 電磁流量計的選型

1.2.1 電磁流量計工作原理

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

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

 

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

 

        當(dāng)體積流量為Q時，因此，

 

        當(dāng)D和B一定時，Q和E成正比關(guān)系，因此通過測量感應(yīng)電勢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)，這是電磁流量計最顯著的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在流體流量測量中，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)采用電磁式流量計作為測量系統(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量系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。

 

1.2.2 電磁流量計的選型

        選擇合適的電磁流量計，可以實(shí)現(xiàn)可靠和高精確度的測量。雖然國內(nèi)部分廠家也能生產(chǎn)電磁流量計，但由于理論技術(shù)和設(shè)計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)不到油田壓裂計量要求，而國外某些知名公司生產(chǎn)的電磁流量計在技術(shù)上已遠(yuǎn)領(lǐng)先于國內(nèi)。電磁流量計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。8700系列8707型傳感器以及與之對應(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

        傳感器是把測量管內(nèi)被測流體的流量值線性地轉(zhuǎn)換成為電壓信號的一種裝置。電磁流量計是一種作為直管段連接在工藝管道上的流量計，傳感器口徑因其影響流速而成為一個重要的考慮因素。為保證介質(zhì)的流速在傳感器的測量范圍內(nèi)，需要選擇鄰近管線口徑大小的電磁流量計。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，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。查閱產(chǎn)品選型手冊，8英寸電磁流量計的流量范圍為0.02359-23.204 m 3 /min，滿足本單位混砂車排量要求。

 

1.3.2 上游下游直管段長度

        大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電磁流量計的上游一般要有長度為5-10倍于管徑的直管段，這樣才能保證流體流經(jīng)電磁流量計時速度呈軸對稱分布 [7] 。經(jīng)測量，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，管匯振動非常厲害，若將變送器安裝到管匯上，將會嚴(yán)重影響變送器信號輸出的穩(wěn)定性。若將變送器安裝在室外，長時間太陽的照射會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)接觸的測量管 [8] ，其作用是為了減少對流量計本體的腐蝕和磨損，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)合長慶油田的使用環(huán)境，考慮到被測介質(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，液體流動方向朝上，確保傳感器截面處的液體保持滿管，信號不受流量影響。水平安裝時，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 電磁流量計安裝布局設(shè)計

        目前，井下壓裂六隊(duì)有2臺SS2000型混砂車，一臺70 bbl，另一臺100 bbl。根據(jù)8707型電磁流量傳感器的安裝尺寸要求，除長度要求外，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不同，流量計周圍部分尺寸如圖3所示。

        從圖3可以看出，100 bbl混砂車的管匯布局較為簡單，經(jīng)測量，流量計上游和下游的直管段長度分別為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操作臺，也不會破壞原車的結(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

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

        由圖4可知，利用電磁流量計變送器的信號輸出功能，可將其中一路信號接至原混砂車MCB板頻率信號輸入端。在變送器上設(shè)置固定輸出頻率，MCB板根據(jù)轉(zhuǎn)換信號對混砂車自動控制系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)。該電路保留了原車4號渦輪流量計的輸入信號，若電磁流量計出現(xiàn)故障，可通過切換開關(guān)將流體切換至渦輪流量計，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線。至此所有硬件改造已完成。通過上述方式對混砂車流量計量系統(tǒng)的改造升級不僅實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備的無損安裝，而且沒有對原設(shè)備固件部分做任何改動，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，測試前需要對設(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

 

計標(biāo)簽獲取管徑系數(shù)

        ANALOG OUTUP 信號輸出設(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) 自動校零

 

4 試驗(yàn)情況

4.1 試驗(yàn)臺試驗(yàn)

        在對混砂車的流量計量系統(tǒng)升級改造完成后，首先在試驗(yàn)臺上進(jìn)行了試驗(yàn)。場試驗(yàn)臺的試驗(yàn)測試曲線見圖5，從測試曲線可以看出，無論在流量低至0.2 m 3 /min的情況下，還是流量突然發(fā)生波動變化，改造升級后的流量計量系統(tǒng)的輸出信號都很穩(wěn)定。車場試驗(yàn)臺的試運(yùn)結(jié)果表明，改造后的流量計量系統(tǒng)符合最初設(shè)計要求。

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

        試驗(yàn)臺測試通過后，用升級改造后的流量計量系統(tǒng)對混砂車進(jìn)行現(xiàn)場試驗(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138層次的壓裂施工任務(wù)。該混砂車排量計量準(zhǔn)確，在多層打滑套時的液體計量誤差幾乎可以忽略不計。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。流量計量系統(tǒng)升級改造后，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)計要求。部分工況下的施工曲線見圖6、圖7。

5 結(jié)論

        流量計量系統(tǒng)升級改造后的混砂車，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波動導(dǎo)致的施工質(zhì)量降低問題，而且還可以防止流量計葉輪被稠化酸或者液體中異物卡住而無流量信號輸出的現(xiàn)象，達(dá)到了最初設(shè)計的各項(xiàng)參數(shù)要求。通過對流量計量系統(tǒng)的升級改造，不但可以大大減少與甲方的糾紛數(shù)量和監(jiān)督罰款，同時還降低了流量計總成的更換頻率，減輕了職工的勞動強(qiáng)度，為公司打開外部市場提供了有力保障，為本單位帶來了更大的經(jīng)濟(jì)效益。