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。

[1] 宮照天.基于動液面的油井優(yōu)化控制方法研究[D].大連：大連理工大學，2015.

GONG Zhaotian.Research on optimal control method of oil well based on working fluid level[D].Dalian:Dalian University of Technology,2015.

[2] GAO M,TIAN J,ZHOU S,et al.Beam-pumping unit energy-saving control system based on support vector machine[C]// IEEE International Conference on Automation and Logistics.IEEE,2008:1864-1869.

[3] 張乃祿.示功圖法計算油井產(chǎn)液量的影響因素[J].西安石油大學學報(自然科學版)，2011,26(4):53-55.

ZHANG Nailu.Influencing factors of the calculation of the liquid yield of oil wells using the indicator diagram[J].Journal of Xi'an Shiyou University(Natural Science Edition),2011,26(4):53-55.

[4] 張勝利，羅毅.抽油機井示功圖法計算動液面的修正算法[J].石油鉆采工藝，2011,33(6):122-124.

ZHANG Shengli,LUO Yi.Corrected algorithm for calculating dynamic fluid level with indicator diagram for rob-pumped well[J].Oil Drilling and Production Technology,2011,33(6):122-124.

[5] 徐春明.立式節(jié)能抽油機的智能控制系統(tǒng)[J].機電工程，2014,31(4):486-489.

XU Chunming.Energy saving upright model pumping unit brainpower controlling system[J].Journal of Mechanical and Electrical Engineering,2014,31(4):486-489.

[6] 馬菊蓮,馬軍鵬,周好斌.具有自學習功能的智能抽油機變頻控制系統(tǒng)研究[J].鉆采工藝，2010,33(4):77-79.

MA Julian,MA Junpeng,ZHOU Haobin.Study on variable frequency control system of smart pumping unit with the function of self-learning[J].Drilling and Production Technology,2010,33(4):77-79.

[7] 楊方勇,張亞斌.智能控制技術在蘇里格氣田低效井中的應用[J].天然氣工業(yè)，2013,33(6):117-120.

YANG Fangyong,ZHANG Yabin.Application of intelligent control technology in low-producing wells in the Sulige Gas Field[J].Natural Gas Industry,2013,33(6):117-120.

[8] 張益，陳軍斌，石海霞，等.低滲高氣油比油井合理套壓研究[J].斷塊油氣田，2011,18(3):397-399.

ZHANG Yi,CHENG Junbin,SHI Haixia,et al.Study on reasonable casing pressure of low permeability and high gas-oil ratio wells[J].Fault-Block Oil Gas & Field,2011,18(3):397-399.

[9] LIWEI S,XIAOPENG L,GONGCAI X,et al.Research of control system of linear electromagnetic oil-pumping unit based on DSP[C]// Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems.Nanjing,China：IEEE Xplore,2005:726-729.