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SS2000型混砂车涡轮流量计量替换为电磁流量计的技术研究与应用

来源:川庆钻探长庆井下技术作业公司作者:钟新荣,王美琴,袁理生,柴龙,郭春峰发表时间:2017-08-23 09:42:19

 [摘 要] 在压裂酸化过程中,SS2000型混砂车的涡轮流量计叶轮经常被脏物卡住,测量误差大。尤其是水平井压裂中,环空补液时的施工排量低于8英寸涡轮流量计的测量范围,实际排量无法真实显示。为解决此问题,在不破坏原车基本结构情况下对SS2000型混砂车计量部分进行了布局方案设计和改造可行性分析,研究了新系统的数据采集与转换电路,编制了相应执行程序,成功实现了混砂车流量计量系统的无损升级改造。通过实验室试验及现场井位施工检验,升级改造后的流量计量系统测量误差很小,性能完全满足长庆油田施工要求。

 
        混砂车是压裂机组的核心设备,它将外部提供的压裂液以自吸的方式吸入至混合罐内,并与支撑剂及不同种类的添加剂按照施工设计要求进行混合,然后以一定的压力输出到与其连接的压裂车内。随着压裂工艺的发展,特别在非常规油气资源的开发中,对混砂车的排量要求逐步提高。而混砂车控制系统的输入信号为流量,流量信号的稳定性直接关系到加砂浓度的均匀性和控制过程的稳定性。
 
        长庆井下技术作业公司于2006年从美国引进的SS2000型混砂车,采用涡轮流量计对吸入和排出端的流量信号进行采集。流体冲击涡轮叶片时,涡轮会克服摩擦力和流体阻力产生旋转,而磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲,经前置放大器放大后,最后送入显示仪表进行计数和显示。涡轮流量计的主要优点在于精度高、重复性好、无零点漂移和高量程比。但它在测量气、液混相或黏稠液体时会产生很大的误差。更为严重的是,若流体中含有棕绳、抹布、塑料袋之类的脏物,涡轮流量计的涡轮可能会被卡住,导致没有流量信号输出 [2] 。因此,对混砂车流量计量技术进行改造是提高工作效率的当务之急。
 
1 流量计量系统的改造方式
1.1 流量计选型需考虑的问题
        结合本单位实际生产情况,流量计选型要考虑的主要问题有:首先是仪表的精度和量程范围;其次是流量计的安装条件,包括管道的口径尺寸,上下游能提供的直管段,管道是否过量振动,环境的温度等;最后是被测流体的类型、状态及性质。
 
由于涡轮流量计在实际生产应用中暴露出的计量不准确的问题,一些国外仪表公司,如美国的艾默生、德国的恩德斯豪斯公司等公司以及一些国内企业,已经相继设计和制造出了各种电磁流量计
 
1.2 电磁流量计的选型
1.2.1 电磁流量计工作原理
        电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性流体体积流量的仪表。即导体在磁场中做切割磁感线运动产生感应电动势 [4] ,如图 1所示。
电磁流量计原理图
        感应电势信号通过两个电极检出,然后传送至变送器,经过信号处理及相关运算后,得到流量值。感应电势E与被测流体的平均流速▽的关系:感应电势E与被测流体的平均流速▽的关 系
 
        式中:E -感应电动势,V;K -仪表常数;B -磁感应强度,T;D -测量管的等效直径,mm;▽-测量管截面内流体的平均流速,L/min。
 
        当体积流量为Q时,公式2因此,公式3
 
        当D和B一定时,Q和E成正比关系,因此通过测量感应电势值即可得出流体流量,而与其他物理参数,如温度、密度、导电率等无关,这是电磁流量计最显著的优点,因此被广泛应用在流体流量测量中,已经在石油、化工、食品等部门普及。经过调研得知,在国外最新的混砂车输出端已经采用电磁式流量计作为测量系统,且工作性能完全满足油田施工环境的需要。由于生产任务紧迫,短时期内无法引进新型混砂车。经详细论证,决定把SS2000型混砂车原有的涡轮流量计量系统进行升级改造。
 
1.2.2 电磁流量计的选型
        选择合适的电磁流量计,可以实现可靠和高精确度的测量。虽然国内部分厂家也能生产电磁流量计,但由于理论技术和设计制造工艺等方面的原因,在防腐蚀、磨损,砂粒冲蚀等方面还达不到油田压裂计量要求,而国外某些知名公司生产的电磁流量计在技术上已远领先于国内。电磁流量计的选择一方面要考虑精度、量程范围和管径等是否满足油田施工环境的需要 [6] ,另一方面还要考虑本单位能承担的购买价格和维护成本,经充分调研后决定选用艾默生8700系列电磁流量计。8700系列8707型传感器以及与之对应的8712H变送器具有大电流脉冲直流技术和适合高噪音条件应用的优点,是较理想的替代产品。
 
1.3 参数选择依据
1.3.1 传感器口径的选择
        传感器是把测量管内被测流体的流量值线性地转换成为电压信号的一种装置。电磁流量计是一种作为直管段连接在工艺管道上的流量计,传感器口径因其影响流速而成为一个重要的考虑因素。为保证介质的流速在传感器的测量范围内,需要选择邻近管线口径大小的电磁流量计。流速与流量的关系为:
         公式4
        式中:v -液体流速,m/s;Q -液体排量,L/min;K -传感器出厂系数。
        
        压裂施工时,管汇中液体的实际流速在0-12m/s范围内,而混砂车输出端管汇的尺寸为8英寸。考虑到管道联接的匹配性,决定选用8英寸的电磁流量计。查阅产品选型手册,8英寸电磁流量计的流量范围为0.02359-23.204 m 3 /min,满足本单位混砂车排量要求。
 
1.3.2 上游下游直管段长度
        大量实验结果表明,电磁流量计的上游一般要有长度为5-10倍于管径的直管段,这样才能保证流体流经电磁流量计时速度呈轴对称分布 [7] 。经测量,SS2000型混砂车排量管道符合安装要求。
 
1.3.3 变送器安装位置的选择
        在压裂施工现场,管汇振动非常厉害,若将变送器安装到管汇上,将会严重影响变送器信号输出的稳定性。若将变送器安装在室外,长时间太阳的照射会缩短变送器的使用寿命。经详细论证,决定把变送器安装在混砂车上部空间较大的操作室内。
 
1.3.4 衬里材料选择
        衬里材料为直接与介质接触的测量管 [8] ,其作用是为了减少对流量计本体的腐蚀和磨损,常用衬里材料有氟塑料、聚氨酯橡胶、氯丁橡胶和陶瓷等。结合长庆油田的使用环境,考虑到被测介质的腐蚀性、磨损量和使用温度,决定选择氟塑料,即全氟烷氧基树脂(Polyfl uoroalkoxy, PFA)作为8700系列传感器衬里材料,它具有出色的抗腐蚀性和抗磨损性,适用任何场合。
 
1.3.5 传感器定位
        传感器应安装在充满液体的管路上。垂直安装时,液体流动方向朝上,确保传感器截面处的液体保持满管,信号不受流量影响。水平安装时,应安装在低管段。这样,电极面应定位成与水平面成45°角,如图2所示。
电磁流量传感器定位要求
2 电磁流量计安装布局设计
        目前,井下压裂六队有2台SS2000型混砂车,一台70 bbl,另一台100 bbl。根据8707型电磁流量传感器的安装尺寸要求,除长度要求外,管道周围还需要至少300 mm的空间。由于70 bbl混砂车流量计量传感器至操作室的高度只有100 mm,在空间结构上不满足安装要求,故没有进行改造。而100 bbl混砂车的管汇布局相对不同,流量计周围部分尺寸如图3所示。
100 bbl混砂车管汇尺寸
        从图3可以看出,100 bbl混砂车的管汇布局较为简单,经测量,流量计上游和下游的直管段长度分别为1100 mm和540 mm,满足上游5D和下游2D的安装要求。流量计上方的空间为700 mm,大于300 mm的空间要求。这种方案不需要移动操作台,也不会破坏原车的结构,最终安装如图3所示。
 
3 接口电路与程序
3.1 接口电路
        安装好电磁流量计后,便可接入混砂车仪表控制系统,实现内部信号转换后,电磁流量计将变送器信号先储存在自身单片机内,用于自带仪表的数据显示。接着将存储信号传输到100 bbl混砂车的MCB板上,来控制ACCUFRAC自动加砂系统和自动液面控制系统。接下来需要解决电磁流量计转换器与混砂车之间的电路接口问题。通过对混砂车数据采集模块电路原理的研究,分析了信号采集模块和信号转换流程,设计了接口电路,如图4所示。
数据采集接口电路图
        由图4可知,利用电磁流量计变送器的信号输出功能,可将其中一路信号接至原混砂车MCB板频率信号输入端。在变送器上设置固定输出频率,MCB板根据转换信号对混砂车自动控制系统进行干预。该电路保留了原车4号涡轮流量计的输入信号,若电磁流量计出现故障,可通过切换开关将流体切换至涡轮流量计,确保压裂施工任务的顺利进行。
 
3.2 电路连接注意事项
        完成以上硬件连接后,按照国家电器标准进行布线。在布线过程中,需做好防尘防潮处理,避开易磨损部位,用绑扎带和胶皮固定信号线。至此所有硬件改造已完成。通过上述方式对混砂车流量计量系统的改造升级不仅实现了对设备的无损安装,而且没有对原设备固件部分做任何改动,确保了原设备的稳定性和协调性。
 
3.3 开机设置
布线完成后,测试前需要对设备开机初始化执行程序进行设置,主要部分如下所示:
 
Signal Processing(Enter twice) 设置流量计工作
范围
Control=ON
Samples=18
Max %Limit=1.0%
        Time Limit=2.0secs
Special Units 设置公制单位
        Metric->VOL UNIT=M3
BASE VOL UNIT=Gal
        TUBE SIZE=8"or 10" 设置管径
TUBE CAL#=obtain from flow tube tag从流量
 
计标签获取管径系数
        ANALOG OUTUP 信号输出设置
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) 自动校零
 
4 试验情况
4.1 试验台试验
        在对混砂车的流量计量系统升级改造完成后,首先在试验台上进行了试验。场试验台的试验测试曲线见图5,从测试曲线可以看出,无论在流量低至0.2 m 3 /min的情况下,还是流量突然发生波动变化,改造升级后的流量计量系统的输出信号都很稳定。车场试验台的试运结果表明,改造后的流量计量系统符合最初设计要求。
场内测试曲线
4.2 现场试验
        试验台测试通过后,用升级改造后的流量计量系统对混砂车进行现场试验。改造后的100 bbl混砂车先后完成了乌审旗的5口裸眼封隔器和苏南道达尔合作区块62口井共计138层次的压裂施工任务。该混砂车排量计量准确,在多层打滑套时的液体计量误差几乎可以忽略不计。甲方非常满意该混砂车的优异表现,并把该车作为该区块的指定用车。该混砂车还在陇东项目部,完成2口阳平系列井的体积压裂,创造了10天压裂18段的最新记录。流量计量系统升级改造后,该混砂车经历了不同施工工况下的严格考验,表现了良好的稳定性,满足了各项参数设计要求。部分工况下的施工曲线见图6、图7。
苏南××井施工曲线(排出排量曲线)莲××井施工曲线
5 结论
        流量计量系统升级改造后的混砂车,不仅能有效地解决因温度、压力和液体性质变化而引起的流量信号波动导致的施工质量降低问题,而且还可以防止流量计叶轮被稠化酸或者液体中异物卡住而无流量信号输出的现象,达到了最初设计的各项参数要求。通过对流量计量系统的升级改造,不但可以大大减少与甲方的纠纷数量和监督罚款,同时还降低了流量计总成的更换频率,减轻了职工的劳动强度,为公司打开外部市场提供了有力保障,为本单位带来了更大的经济效益。