趙軍偉 王亞坤 石海亮

（1.大慶油田力神泵業(yè)有限公司作業(yè)分公司；2.大慶油田力神泵業(yè)有限公司銷售公司）

潛油電泵排水采氣PID控制技術(shù)的研究

趙軍偉1王亞坤1石海亮2

（1.大慶油田力神泵業(yè)有限公司作業(yè)分公司；2.大慶油田力神泵業(yè)有限公司銷售公司）

潛油電泵作為排水采氣的一種常用的機(jī)采方法，將氣井井筒中常有的凝析液或地層水的積液不斷地排出至地面，將氣層生產(chǎn)壓差維持在一定水平。產(chǎn)氣時(shí)的壓差控制越穩(wěn)，越有利于長(zhǎng)時(shí)間采氣，但生產(chǎn)過程中壓差在不斷變化，因此需要控制電潛泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制電潛泵的排量，可以達(dá)到節(jié)能效果，研究利用井下壓力計(jì)與變頻器之間構(gòu)成閉環(huán)控制，采用PID控制技術(shù)，自動(dòng)尋找最佳穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，提高生產(chǎn)效率，減小潛油電泵的啟、停次數(shù)，減小電能損耗，延長(zhǎng)機(jī)采壽命，提高排采煤層氣的穩(wěn)定性。

潛油電泵；排水采氣；PID控制

潛油電泵用于煤層氣開采已經(jīng)有一定的發(fā)展歷史，其特點(diǎn)是見效快，但應(yīng)用于排水采氣的電潛泵排量一般較小，容易受氣體影響[1]。因而易造成氣鎖或經(jīng)常欠載停機(jī)，泵效降低，同樣能耗增加，這樣難以保證產(chǎn)氣層所需的生產(chǎn)壓差，造成產(chǎn)氣不連續(xù)，浪費(fèi)電能，同樣電潛泵在反復(fù)的啟、停過程中，壽命也會(huì)急劇減短?？傮w上看，生產(chǎn)效率降低，采氣成本增加，因此可以利用變頻器與井下壓力計(jì)[2]，研究一種可以自動(dòng)穩(wěn)定井下液面高度的控制方法，以保證電潛泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，確保連續(xù)采氣經(jīng)濟(jì)效益最大化。

1 系統(tǒng)控制方法

在工業(yè)應(yīng)用中，PID控制技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的算法之一，井下壓力計(jì)作為反饋信號(hào)，經(jīng)過濾波及PID算法，控制變頻器頻率，達(dá)到控制煤層氣井動(dòng)液面高度，最終目的保持井下產(chǎn)氣生產(chǎn)壓差。多數(shù)變頻器有自帶PID功能，只能設(shè)定簡(jiǎn)單的積分、微分、比例系數(shù)等，但在邏輯編程及信號(hào)濾波方案上有很大的局限性，不能按照特定的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)被控目標(biāo)的有效控制，因此采用單片機(jī)作為中間控制系統(tǒng)，方便更改控制邏輯及濾波方案，借助于變頻器及井下壓力計(jì)的通信端口[3]，采用通訊系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制，按照被控對(duì)象的變化特性，可以方便的加入特定的控制思想，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控目標(biāo)的準(zhǔn)確控制，控制系統(tǒng)框架如圖1所示。

該系統(tǒng)通過MODBUS協(xié)議讀取壓力計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)[4]，濾波后，進(jìn)行PID運(yùn)算，再通過MODBUS協(xié)議控制變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，進(jìn)而控制電潛泵的排量，達(dá)到穩(wěn)定液面高度的目的，保持連續(xù)產(chǎn)氣的生產(chǎn)壓差，減小因抽空或氣鎖造成電泵停機(jī)，進(jìn)而動(dòng)液面升高，阻止煤層氣排氣。

2 PID算法研究

PID控制是一種二階線性控制器，通過調(diào)比例，積分微分系數(shù)，使系統(tǒng)獲得比較好的閉環(huán)特性，基本控制原理如圖2所示。

PID基本算法分為兩大類：位置式PID和增量式PID，通常采用哪種算法，取決于輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)系[5-6]。位置式PID控制算法的缺點(diǎn)：當(dāng)前采樣時(shí)刻的輸出與過去的各個(gè)狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)偏差值進(jìn)行累加，運(yùn)算量大；而且控制器的輸出對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，控制器輸出的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量，采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制量對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量，而不是對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，因此要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須具有對(duì)控制量增量的累積功能，適合變頻器對(duì)根據(jù)被控對(duì)象的變化，實(shí)現(xiàn)頻率的累積調(diào)整，因此采用增量式PID算法。

圖1 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)

圖2 PID基本控制原理

2.1 增量式PID控制算法與實(shí)際被控對(duì)象的結(jié)合

增量式PID算法，只控制誤差增量，其輸出是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)的增量，因此比較適合電潛泵變頻器調(diào)頻控制規(guī)律，即每次調(diào)節(jié)量要小，使電潛泵工作狀態(tài)變化控制在一定范圍內(nèi)。

增量式PID控制簡(jiǎn)化表達(dá)式：

式中：ΔU(k)——控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)變化增量；

e(k)——設(shè)定值與被控目標(biāo)間偏差值；

e(k-1)——相對(duì)于 e(k)前一次設(shè)定值與被控目標(biāo)間偏差值；

e(k -2)——相對(duì)于e(k -1)前一次設(shè)定值與被控目標(biāo)間偏差值；

K1——e(k)的調(diào)節(jié)深度系數(shù)；

K2——e(k-1)的調(diào)節(jié)深度系數(shù)；

K3——e(k-2)的調(diào)節(jié)深度系數(shù)。

從式（1）中看出，只要求出前后三次誤差值，即可求出本次輸出調(diào)節(jié)值。在PID控制介入時(shí)，通過調(diào)節(jié)比例、積分、微分系數(shù)關(guān)系式計(jì)算出頻率的調(diào)節(jié)量，比例控制其控制器的輸出與偏差輸入成比例關(guān)系，一旦偏差產(chǎn)生，控制器立即控制輸出頻率，使被控目標(biāo)偏差減小，而積分控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，即使很小的誤差通過積分作用，也可消除，而微分控制可以提前使控制誤差的作用等于零，從而避免被控目標(biāo)發(fā)生嚴(yán)重的超調(diào)。

因被控對(duì)象為壓力值，反應(yīng)的是液面的高度，在變頻器執(zhí)行動(dòng)作命令后，液面變化有很明顯的遲滯性，單次采樣數(shù)據(jù)具有一定的波動(dòng)性，也可能具有某種偶然的擾動(dòng)，因此全程單純地采用PID控制，會(huì)頻繁的控制變頻器輸出頻率，不利于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因此可以結(jié)合模糊控制，在偏差量較大時(shí)采用人工設(shè)定條件的模糊控制，在接近被控目標(biāo)值時(shí)改為PID控制。

2.2 采樣濾波與量化

2.2.1 濾波方法

為消除采樣值的誤差，可以在n（n為整數(shù)）倍的采樣周期時(shí)刻附近，連續(xù)采樣 N（N為奇數(shù)）次被控目標(biāo)值，采用冒泡法排序，去掉最小和最大值，剩余N-2個(gè)采樣值求平均值，如下式：

式中：c(t)——當(dāng)前時(shí)刻采樣濾波后測(cè)量壓力值；

N——連續(xù)采樣個(gè)數(shù)；

c(k)——采樣值；

c(k)max——采樣值中最大值；

c(k)min——采樣值中最小值。

井下壓力偏差值是給定值與實(shí)際采樣值之差，如下式：

式中：e(t)——井下壓力偏差值；

r(t)——給定目標(biāo)值。

2.2.2 量化標(biāo)準(zhǔn)

將電潛泵的泵掛深度H對(duì)應(yīng)液柱產(chǎn)生的壓力量化為100%，控制目標(biāo)壓力為h%，設(shè)置變頻器頻率上、下限（ fmax、fmin），設(shè)置頻率變化步長(zhǎng)Δf，當(dāng)前頻率 fx，預(yù)控制區(qū)起始點(diǎn)壓力為 h1%，Δh為死區(qū)控制范圍。

2.3 結(jié)合煤層氣生產(chǎn)特點(diǎn)的控制邏輯

煤層氣排采過程中要求井下動(dòng)液面越低越好，這樣利于氣體排出，因井下液體不斷補(bǔ)充到套管中，因此需要潛油電泵持續(xù)排出液體，將井下動(dòng)液面維持在一定的高度，便于氣體排出，但電泵的排采量大于地層補(bǔ)液能力，持續(xù)定速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)抽空或氣鎖而欠載停機(jī)，這樣井下液面會(huì)重新升高，阻止氣體排出，這樣利用井下壓力傳感器，反饋液面高度信息，控制變頻器頻率，進(jìn)而控制電泵排量，達(dá)到穩(wěn)定動(dòng)液面高度為預(yù)設(shè)值，要求動(dòng)液面高度盡量低，但又不能抽空，便于持續(xù)排采煤層氣。

在動(dòng)液面高于設(shè)定液面高度時(shí)，以特定頻率增量，以特定周期增加變頻器頻率，快速達(dá)到電泵最大排量，使動(dòng)液面快速下降，使氣體盡快排出，待接近控預(yù)設(shè)液面高度時(shí)，進(jìn)行精細(xì)控制，因此整個(gè)控制過程如下：

1） 當(dāng) e(k) ＜0，且 c(k)≥h1%時(shí)→模糊控制（以特定步長(zhǎng)Δf，且定時(shí)長(zhǎng)T，逐漸增加頻率至fx， fx≤ fmax），此時(shí)動(dòng)液面實(shí)際值高于預(yù)控液面高度h1%，提頻率增排量，快速降低動(dòng)液面，使氣體盡快排出。

2）當(dāng)e(k)＜0， c(k)≥h%與Δe(k)＞0三者同時(shí)成立時(shí)→進(jìn)入預(yù)控區(qū)后，實(shí)際液面高度未達(dá)到預(yù)設(shè)值，同時(shí)液面繼續(xù)下降的情況下，頻率由 fx預(yù)減速至 f，且 f≥fmin， fmin對(duì)應(yīng)預(yù)控目標(biāo) h%，量化后按PID控制規(guī)律進(jìn)行預(yù)減速控制，因涉及到系統(tǒng)穩(wěn)定性，不可頻繁控制，設(shè)定好控制周期，在接近目標(biāo)控制值時(shí)可加入死區(qū)控制，增強(qiáng)穩(wěn)定性。

3）當(dāng) e(k)＜0， h%≤c(k)＜h1%，且 Δe(k)小于0→在預(yù)控區(qū)內(nèi)，該頻率運(yùn)行時(shí)，液面回升的情況下，為盡量減小控制的頻率，可不控制，待液面高度回升跑出預(yù)控區(qū)后，按控制區(qū)外模糊控制方法進(jìn)行控制直至再次回到預(yù)控區(qū)。

4）當(dāng)e(k)＞| Δh|＞0時(shí)，其中Δh為控制點(diǎn)h%處死區(qū)，當(dāng)頻率下降至最小值后，相應(yīng)電泵排量為最小值時(shí)，液面高度下降至設(shè)定點(diǎn)后，仍繼續(xù)下降，此時(shí)按井下傳感器壓力報(bào)警或停機(jī)信號(hào)處理。

5）進(jìn)入預(yù)控區(qū)后， e(k)=Δd，Δd接近零，為誤差充許值，變頻器頻率可不做調(diào)整，盡量減小變頻調(diào)整次數(shù)，延長(zhǎng)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)壽命，但預(yù)控點(diǎn)h1%與h%區(qū)間要設(shè)置合理。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用節(jié)能降耗效果

首先，采用此PID控制方法保持動(dòng)液面高度，有效避免了潛油電泵因氣鎖，泵效急劇降低，造成類似空轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的能耗，在山西煤氣井XZ-6氣井應(yīng)用中，22 kW電泵機(jī)組經(jīng)監(jiān)測(cè)，1 h因氣鎖浪費(fèi)電能約為16 kW；采用PID閉環(huán)控制后，22 kW電泵機(jī)組通過測(cè)量，在日產(chǎn)氣約500 m3標(biāo)定下，采用PID控制技術(shù)后，可節(jié)省電能約112 kW，節(jié)能效果顯著。

其次，排水采氣重要特點(diǎn)是投產(chǎn)初期需要排量大，使氣層壓力減小，氣體盡快排出，后期需要減小排水量，穩(wěn)定煤層生產(chǎn)壓力，開環(huán)運(yùn)行時(shí)，電泵運(yùn)行頻率不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)各段不同生產(chǎn)的需要，在液面下降較快需要降低產(chǎn)量時(shí)，應(yīng)急時(shí)降低機(jī)組運(yùn)行頻率，達(dá)到降低能耗的目的。

4 總結(jié)

PID控制是一種優(yōu)秀的常用工業(yè)控制算法，結(jié)合模糊控制，按照電潛泵氣井液面變化規(guī)律，進(jìn)行分段控制，可將液面保持在一定范圍內(nèi)，延長(zhǎng)潛油電泵工作壽命，最大限度保證氣井開采時(shí)間，提高電潛泵井對(duì)煤層氣的排采的效率，同時(shí)可節(jié)省大量的電能。

[1]李國(guó)富，田永東.煤層氣井排水采氣機(jī)理[J].中國(guó)煤炭，2002，28（07）：1-3.

[2]梅思杰，邵永實(shí)，劉軍，等.潛油電泵技術(shù)（上）[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004：62-64.

[3]蒙麗娜.電泵井下測(cè)試系統(tǒng)研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2010.

[4]肖碩，荊剛，李莉娜，等.單片機(jī)數(shù)據(jù)通信典型應(yīng)用大全[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011：294-306.

[5]白志剛.自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：29-39.

[6]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：33-45.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.03.001

2016-11-25

（編輯 賈洪來）

趙軍偉，工程師，2007年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)），從事潛油電泵運(yùn)行管理、新技術(shù)應(yīng)用開發(fā)工作，E-mail：junwei190920@126.com，地址：黑龍江省大慶市薩爾圖區(qū)中興北街58號(hào)大慶油田力神泵業(yè)有限公司，163311。