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        基于動液面與套壓的抽油控制系統(tǒng)

        2018-02-05 08:22:23張乃祿李偉強皇甫王歡
        關鍵詞:抽油機變頻器

        張乃祿,李偉強,劉 峰,黃 偉,王 偉,皇甫王歡

        (1.西安石油大學 電子工程學院,陜西 西安 710065;2.陜西省油氣井測控技術重點實驗室,陜西 西安 710065;3.長慶油田分公司 技術監(jiān)測中心,陜西 西安 710018; 4.西安海聯(lián)石化科技有限公司,陜西 西安 710065)

        引 言

        油井動液面深度確定井底流壓和抽油泵的沉沒度,其變化對油井產(chǎn)液量和抽油效率造成影響。隨著動液面加深,抽油泵上段的液柱壓力降低,從而導致有更多的氣體進入抽油泵中,降低了抽油泵的泵效,抽油機仍以原有的沖次運行會使油井處于低產(chǎn)量的工作狀態(tài)[1-2]。此外,油井內部形成的高套壓會加深動液面的變化,同樣降低了抽油泵的效率,使抽油機處于低產(chǎn)高耗的工作狀態(tài)。目前,國內有報道通過示功圖間接計算油井動液面變化,再控制抽油機變頻器實現(xiàn)抽油沖次調節(jié)[3-4],另外,采油過程中油井環(huán)空套壓對動液面和產(chǎn)液量的影響與控制的研究報道較少[5]。針對實際采油生產(chǎn)過程中,油井動液面和環(huán)空套壓的變化影響,提出油井動液面與套壓雙回路控制,設計了一套基于動液面與套壓的抽油控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用動液面和套壓檢測儀實時測量油井動液面與套壓,動液面控制采用模糊控制策略,環(huán)空套壓采用位控制。該控制系統(tǒng)能夠解決抽油機運行時因地層供液能力變化導致動液面不穩(wěn)定和套壓持續(xù)升高繼而造成抽油泵效低下的問題,確保抽油機處于最優(yōu)的抽油狀態(tài)。

        1 基于動液面與套壓的抽油控制原理

        1.1 動液面與套壓雙回路抽油控制機理分析

        在油田開采前期,油田地質研究人員根據(jù)地層滲透能力和油井的狀況等因素確定合理的沉沒度,只要控制油井動液面確保沉沒度維持在合理的狀態(tài),即可實現(xiàn)采油達到最佳產(chǎn)液量。 油井產(chǎn)液量計算式為

        QL=KL(Hs-Hf)。

        (1)

        式中:QL為油井產(chǎn)液量,m3/d;Hs為靜液面高度,m;Hf為動液面的高度,m;KL為產(chǎn)液指數(shù)。

        由式(1)可以看出,動液面下降會減少油井的產(chǎn)液量。動液面控制是通過控制抽油機變頻器來間接調節(jié)抽油機的沖次[6]。變頻器頻率F與抽油機沖次N的關系為

        (2)

        式中:P為電動機極對數(shù);Ir為抽油機減速箱的總傳動比;D1為電機皮帶輪直徑;D2為減速箱大皮帶輪直徑;F為變頻器頻率,Hz;N為抽油機的沖次,mi-1。在出現(xiàn)動液面下降時,降低變頻器頻率減小抽油機沖次即可穩(wěn)定動液面,動液面保持抽油泵合理沉沒度,使抽油機處于理想的抽油狀態(tài)。

        另一方面,在油井生產(chǎn)時套管排氣閥門處于關閉狀態(tài),井內氣體在環(huán)形空間聚集形成高套壓,套壓越高動液面變化越大,改變抽油泵合理沉沒度,間接影響了產(chǎn)液量。套壓關系式

        pc=pwf-pog-pogw,

        (3)

        式中:pc為套壓,MPa;pwf為井底流壓,MPa;pog為泵吸入口至動液面壓力,MPa,pog=ρgh;pogw為泵吸入口至油層中部的液柱壓力,MPa。通常情況下,pogw不隨套壓值變化,考慮pwf不變,從式(3)中可知,套壓增高會導致動液面的下降。因此,在套壓升高時,及時對套氣進行排放,控制套壓,能夠有助于穩(wěn)定動液面,消除高套壓對抽油泵的影響[7],可使抽油機處于最佳抽油狀態(tài)。

        綜上所述,通過油井動液面與套壓雙回路控制,可使抽油機處于最佳抽油狀態(tài),其雙回路抽油控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

        圖1 雙回路抽油控制系統(tǒng)原理Fig.1 Principle diagram of double loop control system for oil pumping unit

        1.2 基于動液面和套壓的抽油控制策略

        1.2.1 動液面控制 動液面與地層供液、抽油泵掛、抽油機工作狀態(tài)等因素有關,其控制是一個典型的非線性系統(tǒng),無法通過建立數(shù)學模型采用PID控制,因此提出采用模糊控制策略實現(xiàn)動液面的控制。模糊控制的2個輸入量分別為動液面的偏差e與動液面的偏差的變化率eh,模糊控制的輸出為抽油機變頻器的頻率F。3個量的隸屬函數(shù)均選為三角形隸屬函數(shù),動液面偏差e的基本論域為{-50,100},模糊子集為{-2,4},量化因子Ge為0.04,7個語言變量值為:NB、NS、ZO、PS、PM、PB、PVB;動液面偏差的變化率eh的基本論域為{-10,10},模糊子集為{-2,2},量化因子Geh為0.2,5個語言變量值為:NB、NS、ZO、PS、PB;頻率F的輸出論域為{0,65},5個語言變化值為:slow3、slow2、slow1、no change、fast。依據(jù)抽油機抽油過程動液面變化的實際經(jīng)驗建立35條模糊規(guī)則,見表1。首先根據(jù)量化因子對輸入的動液面偏差和偏差變化率進行模糊化處理,其次模糊化之后的輸入量根據(jù)模糊控制規(guī)則進行模糊推理,模糊推理結果為模糊量,采用重心法進行反模糊化即可得到變頻器頻率F的輸出值。通過調節(jié)變頻器頻率F調整抽油機的沖次,以達到其最佳值。

        表1 動液面控制模糊規(guī)則Tab.1 Fuzzy rule Table for control of moving liquid level

        1.2.2 套壓控制 通過多元線性回歸分析法,選擇最佳油井套壓值。套壓控制采用位控制,即將實測套壓值與設定套壓值進行對比,當套壓值高于設定套壓上限值時打開電磁閥排放套氣,低于設定下限值時關閉電磁閥,從而控制套壓穩(wěn)定在合適的范圍[8],使抽油機運行在最佳的抽油狀態(tài)。

        2 動液面與套壓的抽油控制系統(tǒng)構成

        動液面與套壓的抽油控制系統(tǒng)由檢測、控制、執(zhí)行單元構成,如圖2所示。

        (1)檢測單元為油井動液面監(jiān)測儀和套壓測量傳感器。該監(jiān)測儀能夠實時動態(tài)測量油井動液面和套壓,通過RS485接口將測量數(shù)據(jù)傳送至智能控制器。

        (2)控制單元為雙回路智能控制器。智能控制器以STM32為主控芯片,帶有兩路RS485接口和控制輸出端口[9]。

        (3)執(zhí)行單元為變頻器和電磁調節(jié)閥。變頻器依據(jù)智能控制器頻率控制指令,調節(jié)電動機的轉速實現(xiàn)對抽油機的沖次控制;調節(jié)電磁閥依據(jù)智能控制器控制指令,調節(jié)井口排放氣裝置。

        圖2 動液面與套壓的抽油控制系統(tǒng)構成Fig.2 Composition of oil pumping unit control system based on dynamic liquid level and casing pressure

        3 動液面與套壓的抽油控制軟件設計

        3.1 動液面與套壓抽油控制軟件的組成

        抽油控制系統(tǒng)軟件在keilC51上進行編程,主要包括顯示設定、數(shù)據(jù)通訊、動液面控制和套壓控制等程序。其中數(shù)據(jù)通信程序實現(xiàn)智能控制器接收動液面和套壓數(shù)據(jù)的功能,并對接收到的十六位數(shù)據(jù)進行十進制轉換;顯示設定程序完成動液面及套壓顯示,并進行動液面與套壓設定值的設定。動液面與套壓抽油控制軟件組成如圖3所示。

        圖3 動液面與套壓抽油控制軟件的組成Fig.3 Composition of oil pumping unit control software based on dynamic liquid level and casing pressure

        3.2 動液面模糊控制程序設計

        動液面模糊控制程序采用離線查表方式。首先利用MATLAB的模糊控制工具箱進行模糊計算,用系統(tǒng)測試工具進行動液面變化測試,具體測試范圍根據(jù)油井動液面變化范圍設定,并選定好合適的步長;待測試完成后,將測試結果生成輸出結果表。在控制程序設計中,將MATLAB測試結果的模糊控制表以二維數(shù)組的形式寫入到程序中。程序開始時,智能控制器首先測量當前的動液面,再計算測量動液面與給定動液面的差值e及差值變化率eh,之后將偏差e及變化率eh進行模糊化,并對二者模糊化結果查詢模糊控制表得到對應的輸出頻率。最后將輸出頻率信號輸出變頻器。動液面模糊控制程序如圖4所示。

        圖4 動液面模糊控制程序流程Fig.4 Progress diagram of moving liquid level fuzzy control

        3.3 套壓位控制程序設計

        套壓位控制算法依據(jù)實測套壓值和設定套壓值進行計算與控制。當實測套壓值超過設定套壓上限,智能控制器發(fā)出指令打開電磁閥進行套氣的排放,實測套壓值低于套壓設定下限時關閉電磁閥。套壓位控制程序如圖5所示。

        圖5 套壓控制程序流程Fig.5 Progress diagram of casing pressure control

        4 控制系統(tǒng)實驗分析

        在實驗室進行抽油系統(tǒng)動液面與套壓模擬控制驗證實驗,動液面設置目標深度為1 400 m,套壓控制目標為0.5 MPa。動液面監(jiān)測儀連續(xù)輸出6組動液面調節(jié)值,同時利用電動氣泵對PVC連接管柱內進行增壓,抽油控制系統(tǒng)進行實時調節(jié)控制,實驗顯示當動液面調節(jié)值出現(xiàn)變化時,智能控制器依據(jù)動液面實時變化調節(jié)變頻器頻率,改變抽油機沖次,依據(jù)PVC管柱套壓上限0.52 MPa、下限0.48 MPa控制電磁閥,進行氣體壓力調節(jié),套壓始終被控制在0.5 MPa左右。實驗過程動液面與變頻器調節(jié)頻率及套壓控制結果見表2。

        表2 套壓、動液面與變頻器頻率調節(jié)值Tab.2 Casing pressure,moving liquid level and frequency converter adjustment value

        注:動液面目標值1 400 m;套壓目標值0.5 MPa。

        該抽油控制系統(tǒng)在長慶油田某采油廠油井生產(chǎn)現(xiàn)場實驗,生產(chǎn)油井套壓0.68 MPa,動液面深度1 315 m,該井處于套壓過高、液面供液不足的狀態(tài)。該抽油控制系統(tǒng)投入運行,動液面與套壓控制目標分別為1 200 m和0.2 MPa,系統(tǒng)運行48 h后,油井動液面深度為1 214 m,套壓0.204 MPa,該油井原油產(chǎn)液提高9%,抽油機的電耗降低13%。

        5 結束語

        (1)油井動液面和套壓對抽油效率與能耗有重要影響,設計了基于油井動液面與套壓的雙回路抽油控制系統(tǒng)。

        (2)抽油控制系統(tǒng)動液面與套壓采用模糊控制和位控制策略,STM32智能控制器調節(jié)抽油機變頻器和井口電磁閥,實現(xiàn)最佳抽油沖次與最優(yōu)抽油狀態(tài)控制,提高了抽油生產(chǎn)效率,降低了能耗,在油田開發(fā)與生產(chǎn)中有典型應用價值。

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