1. 引言
摩阻压力是油气井压裂处理过程中的一个关键参数。我们判断是否可以采用压裂技术来增加油气井的产量，主要取决于压裂液在管柱内流动时所产生的摩阻大小[1]。压裂液摩阻是指在压裂作业过程中，液体与管道壁之间产生的摩擦力[2] [3]。测量压裂液摩阻的目的是为了评估压裂液在管道中的流动性能和流动阻力，以确定压裂液的输送能力和作业效率[3] [4]。
近年来，随着能源需求的不断增长和对能源开发的要求不断提高，压裂技术在石油工程领域得到了广泛应用[5]。压裂摩阻测试作为压裂工艺中的关键环节，对于评估压裂技术的有效性和优劣起到了至关重要的作用。然而，目前的压裂摩阻测试过程主要依赖于人工操作，存在操作复杂度高、数据处理繁琐等问题，导致测试结果不准确甚至存在误差。
为了解决这些问题，本文将基于STM32开展研究，设计了一个压裂液摩阻测量装置，包括压力传感器、流量计和流量泵组件。利用STM32单片机控制装置的工作流程和数据采集，实时获取压裂液的压力和流量数据。实现对压裂摩阻测试的自动化监测和控制。同时为了提高测量精度和效率，在控制系统引入模糊PID控制，实现了对管道流体的精准控制。本系统旨在提高压裂摩阻测试的准确性和可靠性，为石油工程领域提供可行的解决方案。
2. 测试系统总设计
2.1. 管路结构设计
为了模拟实际情况下压裂液在油田管道内的减阻特性，根据《SY/T6578-2016输油管道减阻剂减阻效果室内测试方法》，设计并且搭建了压裂液摩阻测试系统[3] [6]，该测试系统主要由各监测传感器，循环流量泵，搅拌系统和管道系统构成，测试管路搭建如图1所示：
Figure 1. Structural diagram of the test device
图1. 测试装置结构图
在图1中1、2为粗细两个模拟管道，3、4为粗细两管道的差压，5是电动换向阀1，6是压力传感器，7为排液阀，8为循环泵，9为温度控制系统，10是加热罐，11是进液阀，12为搅拌系统，13为排气阀，14为流量计，15为电动换向阀2。
压裂液摩阻仪测试系统使用器件参数如表1所示：
Table 1. Parameter range of devices used in the test system
表1. 测试系统使用器件参数范围
| 项目 |
参数范围 |
| 压力传感器 |
量程0~1000 KPa |
| 粗、细管压差传感器 |
量程0~500 KPa |
| 温度传感器 |
PT100 (−200~500℃) |
| 电磁流量计 |
闭环0~10输出 |
| 搅拌电机 |
开环10 V转速0~1440 r/min |
| 电动阀 |
24 V选通 |
2.2. 下位机测试电路设计
测试系统下位机因为要连接各类传感器和管道系统，在设计中起中枢作用，对摩阻测试系统的下位机硬件电路设计主要分为采集调理电路，系统供电电路及外设控制电路，设计框图如图2所示：
Figure 2. Block diagram of test hardware design
图2. 测试硬件设计框图
2.2.1. 采集调理电路
如图3所示，采集调理电路的设计主要是对物理传感器输出的4~20 mA电流进行IV转换，利用电阻将电流信号转换成电压信号，并通过进一步的电压放大传给STM32单片机做AD转换。通过这种IV转换与信号放大的组合方案，实现了微弱电流信号的高效采集与处理。
2.2.2. 系统供电电路
系统电源输入信号为24 V直流电压，为了满足运算放大器和STM32供电需要，在设计中加入了LR7812、LR7805、AMS117等稳压器件，依次将电压稳压在12 V、5 V和3.3 V，确保各电路正常工作。
2.2.3. 外设控制电路
摩阻测试系统中，单片机需要控制电动阀门和控制流量泵电机的转速，其中对于开关阀门是利用光耦控制24 V电压的通断，利用光耦的特性实现小电压对大电压的控制，同时，利用单片机的IO口输出PWM信号，通过电压放大电路实现对电机转速的控制。
Figure 3. Changes in drag reduction curves with different mass fractions
图3. 不同质量分数减阻率曲线变化
2.3. 系统软件设计
测试系统的软件设计分为两大部分，分别是下位机软件设计和上位机软件设计，下位机软件通过Keil5开发编写，主要负责AD采集，数据编解码，串口的发送和接收和外设端口控制；上位机软件通过QT开发编写，负责界面的绘制，串口的发送和接受，报表与曲线生成，数据的保存，系统软件设计框图如图4所示：
Figure 4. Block diagram of system software design
图4. 系统软件设计框图
2.3.1. 下位机程序设计
在主程序设计时，首先对定时器，ADC，串口进行初始化，然后等待接收上位机的命令，该命令包括采集数据的信息和校验信息，当下位机接收到命令时，会对控制命令进行解码分析，开启对应的AD采集和控制外设工作，AD采集得到的数据会按照上面的命令格式进行编码，最后通过串口发送出去。
2.3.2. 上位机程序设计
上位机软件采用QT开发平台编写而成，编辑好的上位机界面，可以很直观的观测到温度，流量，压力等数据，可以实时保存监测数据与故障信息，为报表处理及事故调查提供支持。在界面上点击按钮可以控制下位机驱动电动阀，电机等外设。计算机对整个系统监控，具体表现为监控主画面呈现概览，实时参数监控画面展现动态数据，历史曲线画面回顾过去变化，系统参数修改画面允许调整配置，而报表打印画面则提供数据输出的便利。
3. 摩阻测试原理
压差法流体减阻原理基于流体力学的基本原理，其核心在于通过减少流体在管道或其他流动通道中的压差来降低阻力[7] [8]。当流体在管道中流动时，会遇到各种阻力，这些阻力会导致流体机械能的降低，表现为压差的增大[9]。通过优化管道设计、采用减阻材料或涂层等方式，可以减少流体在流动过程中的能量损失，从而降低压差，实现减阻效果[10]。
测量压裂液摩阻的原理是通过实验设备测量压裂液流动的流量和压力，然后根据计算公式计算得出压裂液的摩阻值。根据实验结果，可以评估压裂液的流动性能和流动阻力，并提出相关的建议和改进措施。这样可以帮助优化压裂作业，提高作业效率和经济性。
相关公式[11]：
(1)
上式中：
DR是减阻剂的减阻率，(%)；
为同一流速下未加减阻剂时的摩阻压降，(Kpa)；
为同一流速下加减阻剂后的摩阻压降，(Kpa)。
4. 模糊PID控制
在测量过程中，测量的减阻率的精度和速度是整个系统设计的关键之处，在传统的PID调节下，经过实际测量发现使用传统PID控制流量泵的运行，当测量不同减阻剂的减阻效果时，流量泵反映的流量的精度和到达流量稳定的时间各不相同，分析原因是不同的减阻剂在管道内流动，流量泵转动带动的负载会有变化，而传统PID的比例积分微分参数是固定不变，不能适应所有的减阻剂测量[12] [13]。
引入模糊PID，可以根据流量泵的实际工况来自适应调节PID三个参数，通过Simulink仿真，设计模糊控制器，电机的传递函数经过推算拟合如下：
(2)
在模糊控制中定义七个模糊集合，语言变量分别为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，使用三角函数作为隶属度函数。模糊控制器的两输入分别为误差e和误差的变化率ec，输出为KP，KI，KD，模糊规则表如表2所示：
在Simulink里面搭建传统PID控制器和模糊PID控制器，原始理想信号为两个阶跃信号的叠加，Simulink仿真模型及仿真结果如图5和图6所示。
通过图6可知，在原始理想信号的对比下。使用模糊PID控制相比使用传统PID控制的超调量减少了8%，系统稳态响应时间缩短了10%，说明在自动控制上面，加入模糊控能大大优化PID。
Table 2. Fuzzy control rules
表2. 模糊控制规则
| e/ec |
NB |
NM |
NS |
Z0 |
PS |
PM |
PB |
| NB |
PB/NB/PS |
PB/NB/NS |
PM/NM/NB |
PM/NM/NB |
PS/NS/NB |
Z0/Z0/NM |
Z0/Z0/PS |
| NM |
PB/NB/PS |
PB/NB/NS |
PM/NM/NB |
PS/NS/NM |
PS/NS/NM |
Z0/Z0/NS |
NS/Z0/Z0 |
| NS |
.PM/NB/Z0 |
PB/NB/NS |
PM/NS/NS |
PS/NS/NM |
Z0/Z0/NS |
NS/PS/NS |
NS/PS/Z0 |
| Z0 |
.PM/NB/Z0 |
PB/NB/NS |
PS/NS/NS |
Z0/Z0/NS |
NS/PS/NS |
NM/PM/NS |
NM/PM/Z0 |
| PS |
.PM/NB/Z0 |
PS/NS/Z0 |
Z0/Z0/Z0 |
NS/PS/Z0 |
NS/PS/Z0 |
NM/PM/Z0 |
NM/PB/Z0 |
| PM |
PS/Z0/PB |
Z0/Z0/NS |
NS/PS/PS |
NS/PS/PS |
NM/PM/PS |
NM/PB/PS |
NB/PB/PB |
| PB |
PS/Z0/PB |
Z0/Z0/PM |
NM/PS/PM |
NM/PM/PM |
NM/PM/PS |
NB/PB/PS |
NB/PB/PB |
Figure 5. Simulink simulation model
图5. Simulink仿真模型
Figure 6. Simulink simulation results
图6. Simulink仿真结果
5. 实验步骤与结果
实验步骤如下：
(1) 先用水管向仪器注满清水；
(2) 将上位机与测试下位机连接，打开测量界面；
(3) 仪器上电，关闭排液阀门，选择粗管或细管；
(4) 上位机选定某一特定流速，测量清水在粗管或细管里流动的压差，记录数据；
(5) 打开排液阀门，放出实验清水；
(6) 向仪器水箱里加入固定浓度的减阻计溶液，关闭排液阀门，选择粗管或细管；
(7) 上位机选定与测量清水时同样的流速，测量加入减阻剂在粗管或细管里流动的压差，记录数据，重复步骤(1)至步骤(7)；
(8) 测量结束，将上位机测量的数据保存，计算、绘图；
测试管路为不锈钢细管(管径8 mm)，设置管路环境温度为20℃，控制流量电机转速为30 L/min，实验用水为自来水，测得不加减阻剂压差为157 KPa，加入减阻剂质量分数为12%的FDR310稳定后，上位机界面如图7所示：
Figure 7. Measurement display diagram of the host computer
图7. 上位机测量显示图
由图7可知，加入减阻剂后粗管压差为31 KPa，经过式(1)计算得，质量分数为12%的减阻剂FDR310的减阻率为80.2%。在相同的实验环境下，分别测试不同浓度减阻剂下的减阻效果如图8所示：
由图8可知，在相同的实验条件下，质量分数为12%，8%，6%和水的最大减阻率分别为72%，64%，62%和9%，说明减阻剂质量分数越高，减阻效果越明显。
Figure 8. Changes in drag reduction curves with different mass fractions
图8. 不同质量分数减阻率曲线变化
6. 结论
本文研究设计了一套基于STM32的压裂液摩阻系统，利用STM32单片机对管路流量、压差等物理信号的采集和AD转换，在单片机内部把采集数据编码整合，通过串口把数据传输给上位机，上位机界面实现对压裂过程中的摩阻力进行实时监测和控制，提高测试结果的准确性和可靠性。同时，本研究还将为石油工程领域的压裂技术发展提供借鉴和参考，具有一定的理论和实践意义。
在实际测量里，对减阻剂FDR310进行摩阻测量，结果显示减阻剂FDR310减阻性能良好，在同一实验条件下，减阻剂FDR310的减阻效果随其质量分数上升而上升。