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(1. 西安榮森電子有限責(zé)任公司 陜西 西安 710065；2.陜西省電子信息產(chǎn)品監(jiān)督檢驗院 陜西 西安 710004)

0 引 言

眾所周知，抽提泵(螺桿泵)是油田廣泛使用的非均衡動力系統(tǒng)。所采用的動力源是三相異步電機(jī)或多級電泵，存在效率低，不便調(diào)速，上下沖程不可調(diào)，功率因數(shù)低等弊端。為提高效率，通常通過參照已確定的電機(jī)參數(shù)，采用改變頻率(電機(jī)轉(zhuǎn)速或傳動比)、電抗穩(wěn)流、平衡電壓、諧波治理降壓等電機(jī)節(jié)能方法來對其調(diào)節(jié)。其中調(diào)頻變速為首選，該技術(shù)不但能節(jié)省電能，而且能使電機(jī)零電流起動，能有效的保護(hù)動力系統(tǒng)，節(jié)電率一般在10%～20%左右，油田已廣泛推薦應(yīng)用。若能進(jìn)一步綜合各種參數(shù)，優(yōu)化組合實施方案，油田進(jìn)一步節(jié)能增效的潛力仍然很大。

1 節(jié)能增效介紹

1.1 由電機(jī)調(diào)頻節(jié)電能向系統(tǒng)節(jié)電能轉(zhuǎn)變

對抽提井或電泵井來說，他們屬于不同的負(fù)載類型，運行于不同的“工況”，對抽油機(jī)來說，它屬位(勢)能負(fù)載，在整個沖次的某個階段，電機(jī)會處于再發(fā)電狀態(tài)而產(chǎn)生泵生電壓，這部分再生能量必須進(jìn)行處理，或回饋電網(wǎng)；而潛油電泵屬變負(fù)載類型負(fù)載，即電機(jī)在起動時需較大轉(zhuǎn)矩，而停止時則負(fù)荷很重。這時的電機(jī)則處于電(磁)能泄放狀態(tài)，軟停止對防止油下沖有明顯的作用，油泵不會被打壞，對設(shè)備或電網(wǎng)也不會造成很大沖擊，這部分再生能量反而非常有效。采油是把產(chǎn)出(注入)井(層)作為特殊被控對象加以控制的，因此必須了解油田采注井(產(chǎn)出油井和注入井的統(tǒng)稱)開采過程中表現(xiàn)出的特性。其中最主要的是時變性，由于油礦地質(zhì)情況的復(fù)雜多變，概括起來有以下一些特點：1)系統(tǒng)參數(shù)的未知性、時變性、隨機(jī)性和分散性；2)系統(tǒng)滯后的未知性和時變性；3)系統(tǒng)嚴(yán)重的非線性；4)系統(tǒng)各變量間的關(guān)聯(lián)性；5)環(huán)境干擾的未知性、多樣性和隨機(jī)性。這些特性統(tǒng)稱其為“工況”特性，它給機(jī)電控制帶來了許多問題，造成其實際產(chǎn)能率普遍偏低，大部分采注井的效能在5%～15%之間?？梢娙缫罁?jù)具體井的“工況”特性來調(diào)頻節(jié)約電能，會比傳統(tǒng)的單純電機(jī)調(diào)頻節(jié)約電能效果更好。

1.2 合理的“泵況”和“井況”狀態(tài)能有效地降低采油成本和提高采注效益

電泵或抽油機(jī)是一種大慣量變化負(fù)載，一般采用傳統(tǒng)的工作方式，即在采油工定期尋檢下工作，因而突發(fā)故障頻繁，運行成本高。主要原因有：1)工頻啟動電流大，電動機(jī)電纜的壓降大，使電動機(jī)電纜在啟動過程中的反向電壓較高，電纜絕緣性能降低，每次開機(jī)都會影響動力系統(tǒng)的使用壽命。油井一般位于電網(wǎng)末端，油區(qū)面積大，配電線纜長，輸電的線纜損失不可忽視，況且每一口油井的參數(shù)都不一樣，同一井內(nèi)的多井層也有水層、氣層和油層之分，故在選配電機(jī)或電泵時，都留有足夠的功率裕量。而在正常工作下，普遍存在著電動機(jī)負(fù)載率較低的情況，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重，造成電能的巨大浪費。2)功率因數(shù)降低，耗電量大，工頻工作時，電潛泵始終工作在額定轉(zhuǎn)速下，如果井下液量供不應(yīng)求，容易造成“死井”，損失慘重。3)電動機(jī)與泵長期在高壓狀態(tài)下運行，有時因油井出沙嚴(yán)重，使設(shè)備壽命縮短，特別是不能及時解決井下液量供不應(yīng)求而造成“死井”事故。4)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是靠更換油嘴來調(diào)節(jié)產(chǎn)量，這樣不能精確的控制會造成能量的浪費。如能將正常運行的“泵況”和“井況”狀態(tài)實時測控，就能有效地降低采油成本和提高采注效益。

1.3 基于三次開采的“工況”模態(tài)分析，提高采收率

在原油氣開采過程中，初期采油氣一般依靠地底壓力讓原油自噴而出；此后由于地下壓力減小，不得不向地下注水將油驅(qū)出，稱二次采油。在二次采油工藝中，引入調(diào)頻節(jié)能技術(shù)，其基于建立頻率響應(yīng)函數(shù)的負(fù)荷測量模型，它要求對實際動力結(jié)構(gòu)井及井層施加一組可控、可觀的注入壓力激勵，同時測取其產(chǎn)出響應(yīng)參量之一的負(fù)荷，通過輸入輸出數(shù)據(jù)辨識電泵動力學(xué)特性，實施調(diào)頻節(jié)能。當(dāng)前，中國多數(shù)油田處于二次采油晚期，每百噸采出液體中，含水量高達(dá)95%，綜合原油采收率只有30%多，60%多的石油仍然留在地下無法采出。于是在實際開采中多數(shù)已采用的是三次采油，即采用從地面注入各種驅(qū)油介質(zhì)-各種化學(xué)物質(zhì)、溶劑、熱載體、等物理化學(xué)方法等進(jìn)行生產(chǎn)，其采收率約為50%--70%。這種以開采二次采油階段剩余為目標(biāo)所采取的各種增加原油產(chǎn)量的措施，包括各種物理及化學(xué)驅(qū)油措施。其意義更加廣泛，動力結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如還包括單井吞吐、近井地帶處理以及水平井開采技術(shù)應(yīng)用等。該階段必須采用以實驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)作為結(jié)構(gòu)動力學(xué)反問題研究的主要手段，來控制開采，如聚合物驅(qū)油氣技術(shù)是隸屬于三次采油階段的“提高采收率”技術(shù)中的一種強(qiáng)化采油工藝技術(shù)，通常是在水驅(qū)開發(fā)基礎(chǔ)上的，改善水驅(qū)，是向地層注入高粘度的聚合物溶液來大大降低流度比、擴(kuò)大波及體積、提高驅(qū)油效率從而提高采收率的驅(qū)油工藝。然而，實施遇到的困難是，研究對象及井層或者無法施加人工激勵;或者人工激勵代價昂貴或有破壞性；或者結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下自身承受的環(huán)境激勵不可測控。由此提出了只在響應(yīng)可測的條件下對結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)辨識的測控問題，稱為“工況”模態(tài)分析。

1.4 采注井合理的“工況”動態(tài)模型能有效地降低采油成本和提高采注效益

目前油田各采注井“工況”的參數(shù)的獲取是采用定時、定點采集，使用的儀器有電流表、扭矩測試儀、壓力表測試和液面探測儀等，得到的數(shù)據(jù)主要是人工進(jìn)行分析，分析的可靠性比較差。而實際上大部分井的一些故障單純憑一種參數(shù)很難準(zhǔn)確診斷，一些突發(fā)故障或事件就更難把握了，這就需要一種適時和智能的方法來診斷，一方面提高故障診斷的符合率，另一方面能及時采取措施，將損失降到最低。如果能將井層和井口的數(shù)據(jù)同步檢測，即將“泵況”和“井況”數(shù)據(jù)擬合出“工況”動態(tài)模型，并進(jìn)行自適應(yīng)跟蹤調(diào)整，就更能有效地降低采油成本和提高采注效益。本公司研制的SDL-1井下智能多參數(shù)測控裝置就是針對國內(nèi)外相關(guān)節(jié)能技術(shù)的不足，將反映油井“工況”特征的油或水層溫度、壓力，流量、持水率等“井況”特性和井口的載荷、扭矩、產(chǎn)量以及變頻和回饋保護(hù)相關(guān)技術(shù)的“泵況”結(jié)合起來，而開發(fā)出高科技環(huán)保節(jié)能型專用控制裝置。

1.5 測量與保護(hù)診斷結(jié)合，降低或減少了采注的運營成本

抽提泵(螺桿泵)是油田廣泛使用的采油設(shè)備，同其它大負(fù)載設(shè)備一樣，如果使用不當(dāng)或產(chǎn)品質(zhì)量有問題，會出現(xiàn)一些故障。由于“井況”的特殊性，其各種故障的反映特征和診斷方法及處理措施與其它大負(fù)載設(shè)備不同。如常見的“工況”事故包括油桿斷脫、油管嚴(yán)重漏失、泵嚴(yán)重漏失、蠟堵、轉(zhuǎn)子脫離定子、卡泵和各種自然災(zāi)害影響等，都會造成很大的生產(chǎn)損失，將付出高昂的維修成本。如故障電泵井的修理費用，僅工程費一項就達(dá)5萬元之多；維修故障電泵必需提上放下，而價值10萬元的電纜平均提上放下5次就須更換。而正常電泵井平均每10個月就維修1次，維修費用需8萬元。而這些成本完全是可以降低或控制的。如采用預(yù)估、濾波和內(nèi)插方法建立系統(tǒng)學(xué)習(xí)、自適應(yīng)以及參數(shù)跟蹤和調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)信息充分綜合利用，挖掘盡可能的節(jié)能潛力，讓系統(tǒng)長期可靠平穩(wěn)經(jīng)濟(jì)運行是完全可能的。

井下智能技術(shù)作為一種新型的完井技術(shù)，對油田開采提供了一種更方便、更靈活的管理方式，受到人們越來越多的關(guān)注，油氣界也日益認(rèn)識到智能完井技術(shù)在優(yōu)化生產(chǎn)效率和油氣采收率方面的巨大潛力，而智能井系統(tǒng)中的井下多傳感器系統(tǒng)[1]，智能井地面監(jiān)測和控制系統(tǒng)(包括水力/電力調(diào)度)，以及本項目統(tǒng)稱的油田產(chǎn)出(注入)井(層)節(jié)能增效多參數(shù)測控裝置的系統(tǒng)智能化水平將代表著國內(nèi)本行業(yè)該領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢。

2 研究系統(tǒng)裝置

2.1 高效節(jié)能多參數(shù)測控裝置

高效節(jié)能多參數(shù)測控裝置(系統(tǒng))是在原有的技術(shù)儲備基礎(chǔ)上研制出低成本高可靠性的“井況”測量傳感器、節(jié)能增效井口測控裝置，并在介入了變頻、饋電節(jié)能措施后，能更好地實現(xiàn)產(chǎn)能和電能的合理配置。

該系統(tǒng)采用嵌入式機(jī)械結(jié)構(gòu)，自適應(yīng)的軟件測控原理、數(shù)據(jù)采集同步、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳通訊等實用技術(shù)，通過對在井下高溫度、高壓力下工作的電潛泵機(jī)組的環(huán)境參數(shù)和自身電參量的在線采集、處理、分析和判斷，實現(xiàn)自適應(yīng)測量和控制，同時也能實現(xiàn)各種故障下的全線速動，快速切除各種故障模塊或單個電機(jī)，并能在瞬時性故障切除后自動恢復(fù)工作，保證非故障機(jī)組長期安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運行。

同時該系統(tǒng)采用了反映波形畸變程度的短數(shù)據(jù)窗波形識別算法、正交濾波算法、小矢量提取等算法；因泵況、工況或井況發(fā)生異?；蚬收系乃查g，其物理特性對應(yīng)的電流、電壓信號包含衰減的直流分量和諧波分量等暫態(tài)分量變化，其波形發(fā)生不同程度的畸變，嚴(yán)重影響快速測控的性能。由于快速測控采用基于短數(shù)據(jù)窗的算法，為克服波形畸變對測控性能的影響，采用反映波形畸變程度的短數(shù)據(jù)窗波形識別算法，計算出波形畸變程度，據(jù)此修正測控或保護(hù)的判據(jù)，從而提高其保護(hù)性能。

與此同時該系統(tǒng)建立一套強(qiáng)大的綜合性的利用地質(zhì)資料和測試資料反應(yīng)油藏開發(fā)狀況的分析處理與遠(yuǎn)程信息分析發(fā)布軟件系統(tǒng)。本系統(tǒng)使得有關(guān)的地質(zhì)人員(油藏工程師)能在桌面上高效率地直接使用各種測試資料和地質(zhì)資料，并通過這些資料可靠地定量和定性地判斷儲層動用狀況和注水受效評價，直觀地反映井間連通狀況、注采平衡和措施效果等信息。

2.2 裝置的關(guān)鍵技術(shù)

高效節(jié)能多參數(shù)測控裝置(系統(tǒng))由井下多傳感器，井口測控部分和同軸信號傳輸電纜構(gòu)成。井口測控裝置的核心部件采用TMS320F2812數(shù)字信號處理器。利用其先進(jìn)的內(nèi)部和外設(shè)結(jié)構(gòu)使得該處理器特別適合各電器參量的測量、電機(jī)及其運動狀態(tài)的控制。井下多傳感器實現(xiàn)了單片控制器系統(tǒng)(SOC)與AD采集模塊的組合；軟件采用自適應(yīng)測控技術(shù)，將測量裝置的多傳感器(主要完成流量、壓力、溫度、含水、密度等信號的采集、處理和編碼)系統(tǒng)和井口測控裝置合二為一，融合測控電力調(diào)頻。各流水線參量變換時間最小60 ns，單位變換200 ns；井口裝置改進(jìn)的eCAN2.0B接口模塊可以完成系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊。該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)特點如下：

1)采用分布式井口就地低壓無功補(bǔ)償技術(shù)，在用電設(shè)備最近點進(jìn)行無功功率補(bǔ)償和諧波濾除，有效降低上級電網(wǎng)的補(bǔ)償壓力，同時進(jìn)一步降低傳輸損耗。該方法通過提高功率因數(shù)、改善電壓質(zhì)量、降低線路輸送電流、降低線路損耗電量、消除電網(wǎng)諧波，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗。

2)針對泵況，變頻調(diào)速。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：n=60f(1-s)/p可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50 Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬，變頻調(diào)速就是通過改變電動機(jī)電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。主要是采用變頻調(diào)速控制后，控制系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)“泵況”負(fù)荷變化及時改變輸入電機(jī)的電流和電壓，降低電機(jī)輸入功率，調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)處于經(jīng)濟(jì)負(fù)荷下運行，達(dá)到節(jié)電目的。

3)基于實際開采中已采用的三次采油措施，其節(jié)能增效意義更加廣泛，動力結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如還包括單井吞吐、近井地帶處理以及水平井開采技術(shù)應(yīng)用等，采用以實驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)作為結(jié)構(gòu)動力學(xué)反問題研究的方法來控制開采，由此提出了只在響應(yīng)可測的條件下對結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)辨識的測控問題，以實際工作狀況實測響應(yīng)參數(shù)來真實地辨識反映采/注井結(jié)構(gòu)本身的固有特征、邊界條件及環(huán)境載荷特性，與主動控制、系統(tǒng)監(jiān)測和設(shè)備保護(hù)診斷等調(diào)頻節(jié)能工程應(yīng)用直接相關(guān)，建立模型。

4)以循環(huán)注水流量所消耗電能和其變化率這兩個簡單、直觀常用的參數(shù)為依據(jù)，及時采集、分析和調(diào)節(jié)，解決了原油(氣)產(chǎn)能在諸如注水流量低時影響產(chǎn)液量，注水流量高時又重復(fù)浪費資源的矛盾，使產(chǎn)能，產(chǎn)液及電能消耗能合理配置，節(jié)約資源。

5)產(chǎn)品的動態(tài)動力模型數(shù)據(jù)來自于采注井井下的“井況”和井口的“泵況”信息，而“井況”和“泵況”的信息卻來自于井下多傳感器和井口測控裝置的數(shù)據(jù)技術(shù)融合，能夠?qū)崟r反應(yīng)“泵況”系統(tǒng)激勵與“井況”的產(chǎn)能關(guān)系，且有效確?！肮r”特性配匹，共建一個手動或自動的智能井系統(tǒng)，根據(jù)專家指令完成測控工作，確保更大、更有效的產(chǎn)能精準(zhǔn)控制，是本項目節(jié)能變?yōu)楝F(xiàn)實的技術(shù)基礎(chǔ)。

3 研制系統(tǒng)裝置

3.1 系統(tǒng)井口裝置的實現(xiàn)方案及技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)井口裝置按工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，機(jī)箱采用標(biāo)準(zhǔn)6U型、后插拔、大面板、全封閉鋁合金結(jié)構(gòu)機(jī)箱，可以獨立或組合配柜安置在井口附近運行，見圖1。采/注井節(jié)能增效系統(tǒng)的井口測控裝置(100)，它由四插件和前后兩面板構(gòu)成。其中有：檢測與驅(qū)動插件(140)，它主要完成井下信號的編解碼，并撥離出各傳感器的參數(shù)大小，同時也完成井口IGBT檢測與電力的驅(qū)動輸出等；DSP插件(130)，它主要完成將輸出井和(或)注入井口及井層系的多參數(shù)“井況”信息和“泵況”測控信息融合在一起，使“泵況”和“井況”經(jīng)時空同步后顯現(xiàn)在同一平臺的液晶和(或)后臺集控站，特別是采用嵌入式軟件，利用多傳感器融合技術(shù)使“泵況”，“井況”與“工況”合并增產(chǎn)節(jié)能，自適應(yīng)跟蹤控制動力，實現(xiàn)油氣單井和(或)局部采/注井的高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運行。電力插件(120)是系統(tǒng)的電源系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)井口和井下各功能模塊的電源供給；采集插件(110)，完成井口產(chǎn)出或注入介質(zhì)流量、壓力、溫度等多傳感器信號采集，同時也完成對電壓、電流、載荷、扭矩轉(zhuǎn)速等“泵況”信號采集。以上四插件對外有測控接口，根據(jù)DSP指令可以完成各種測控任務(wù)。其中，人機(jī)接口面板(MMI)可以和車載或中央處理機(jī)完成有(無)線通訊、光釬或電纜接入，實現(xiàn)遠(yuǎn)程連接并協(xié)同油田網(wǎng)絡(luò)工作。

通過上述的工藝設(shè)計，使井口測控裝置(100)具有防振，防塵、防潮、防有害氣體、防電磁干擾等安全措施，各插件設(shè)計完全標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，生產(chǎn)、調(diào)試、維護(hù)十分方便；用戶可以根據(jù)配置不同，可續(xù)加配置1個或多個DSP插件；軟件編程采用模塊化，組態(tài)靈活方便，使用范圍廣泛，現(xiàn)成調(diào)用便捷；內(nèi)部端子采用德國HT接插件；對外交流電流端子采用帶短路環(huán)的插接端子，光纖接口采用FC連接方式，其它端子均采用菲尼克斯端子。

系統(tǒng)的硬件主要指標(biāo)：采用DSP技術(shù)構(gòu)建硬件平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集和處理。模擬量：16路高速同步采樣400點/周波，數(shù)據(jù)采樣速率不低于320 kHz；采樣精度為16位，模擬量輸入范圍為±5V，采樣精度±4LSB；存儲器：在DSP中配置，外部RAM：256K×32b，外部FLASH：256K×16b；開入量采集：由DSP經(jīng)三級電壓變換完成，以提高分辨率，帶有16路光電隔離，帶有瞬態(tài)干擾抑制保護(hù)輸入通道；各環(huán)節(jié)采用防高電壓、強(qiáng)電磁干擾的硬件措施如光電隔離的隔離電壓不小于2 500 V；驅(qū)動口：16路，24 V輸出，帶光電隔離，隔離電壓不小于2 500 V，分辨率不大于1 ms，且出口控制采用硬件軟件相結(jié)合，做到硬件故障時能可靠閉鎖出口，如上電手動復(fù)位，上電閉鎖所有出口等；為提高可靠性，在軟件看門狗充分利用地基礎(chǔ)上設(shè)計硬件看門狗電路，其周期可調(diào)整(不大于10 ms)，在程序出錯時，保證10 ms內(nèi)自動復(fù)歸運行。

系統(tǒng)的裝置硬件設(shè)計完全標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，生產(chǎn)、調(diào)試、維護(hù)一方便為準(zhǔn)。內(nèi)嵌軟件編程模塊化，組態(tài)靈活方便。特別采用新型的自適應(yīng)融合算法，快速地提取電力系統(tǒng)運行的特征量，確保軟件能在20 ms內(nèi)響應(yīng)并驅(qū)動。軟件設(shè)有自檢功能，在DSP硬件平臺上就可以完成節(jié)能效果評估和算法驗證。

系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：

容量范圍：10～500 KVA;

電壓等級：200～1 000 V;

輸出頻率調(diào)節(jié)范圍:5～100 Hz;

輸入電流諧波含量:<4%;

輸出電壓諧波含量:<2%;

輸出電壓dV/dt:<600V/us;

輸出頻率準(zhǔn)確度:±0.05 Hz;

輸出頻率分辨率:0.01 Hz;

輸出電壓準(zhǔn)確度:±0.5%;

變頻器滿載效率:>98.5%;

整體滿載效率:>96.5%;

過載能力:額定電流的1.25倍，60 s;

單元溫升:<40 ℃;

變壓器溫升:<90 ℃;

輸入功率因素:>0.95;

環(huán)境溫度:-5～+45 ℃。

3.2 實現(xiàn)低成本高可靠多傳感器裝置及推廣應(yīng)用

以經(jīng)濟(jì)可靠為原則，從電器工藝結(jié)構(gòu)入手，將井下多傳感器與電子線路整合成一體。獨創(chuàng)嵌套結(jié)構(gòu)，將敏感元件與電子線路經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，使敏感元件與介質(zhì)充分接觸，電子器件內(nèi)置夾層，對外部件呈“中空管件”，安裝配套完成后，與油管或套管自成一體。在SDL-1井下智能多參數(shù)測控裝置[2]基礎(chǔ)上實現(xiàn)節(jié)能增效的新裝置，將連續(xù)流量、壓力、溫度、密度、含水等參數(shù)的在線監(jiān)測傳感器進(jìn)行集成，實現(xiàn)可集成度高成本低的適合井下工作的傳感器裝置。通過多傳感器系統(tǒng)能精確實時監(jiān)控泵工作中的各種工作參數(shù)，將泵況、井況及工況進(jìn)行有機(jī)地組合，以增加產(chǎn)量，降低成本；通過提高使用多傳感器系統(tǒng)的可靠性，也可以降低修井的次數(shù)和停產(chǎn)的時間，減少泵的更換次數(shù)，減小泵桿和油管的磨損和能量的消耗，以提高井的生產(chǎn)效率，降低運營維修成本。

隨著應(yīng)用范圍的推廣，檢測對象的復(fù)雜多樣性以及其它要素的影響，原產(chǎn)品的推廣應(yīng)用受到了很大的限制，特別是早期主要安裝在抽油機(jī)、電潛泵、注水泵等泵井上，現(xiàn)經(jīng)過對該項目的進(jìn)一步的研究開發(fā)，應(yīng)用更加廣泛，主要用于智能井、地面或井下管線連續(xù)流量、壓力、溫度、密度、含水等參數(shù)的在線監(jiān)測，尤其在石油開采環(huán)節(jié)中的優(yōu)化、井下監(jiān)測、油水分離，噴射泵/灌注泵的生產(chǎn)監(jiān)測、泥漿和砂的注入監(jiān)控、注CO2、甲烷的監(jiān)控。也可以為地質(zhì)工程師進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化、汽除水、砂控制、多井監(jiān)測、水平井、高油/氣比率井和小井距井的監(jiān)測提供時實決策數(shù)據(jù)。

3.3 系統(tǒng)軟件

在公司自主開發(fā)的智能多參數(shù)標(biāo)檢軟件基礎(chǔ)上實現(xiàn)節(jié)能增效的升級版本，該軟件具有以下特點：

精準(zhǔn)控制：本軟件容易實現(xiàn)綜合各種測試資料及有關(guān)地質(zhì)資料，通過取長補(bǔ)短，互相補(bǔ)充，互相印證，最后熔合為一體，實現(xiàn)全面整體的油藏地質(zhì)動態(tài)描述的目的。能大大地提高測試資料的信息利用率，使得油藏動態(tài)分析人員準(zhǔn)確和及時地認(rèn)識油藏動態(tài)。

動態(tài)輸送：本軟件具有強(qiáng)大的遠(yuǎn)程圖表、數(shù)據(jù)、信息發(fā)布功能。采用高檔微機(jī)為人機(jī)交互前端，完成數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)組織管理、模型選擇、參數(shù)選擇、圖形方式及參數(shù)選擇、統(tǒng)計分析處理、結(jié)果顯示和輸出、結(jié)果發(fā)布，根據(jù)計算量的大小采取本機(jī)處理或由服務(wù)器或工作站進(jìn)行計算。有關(guān)計算、統(tǒng)計、分析結(jié)果的各種圖形及表格數(shù)據(jù)，以及原始測試曲線、解釋成果圖表，通過企業(yè)網(wǎng)以WWW或B/S方式進(jìn)行發(fā)布，使有關(guān)部門隨時可以查閱。利用JDBC數(shù)據(jù)庫接口技術(shù)，應(yīng)用Java在FrontPage中嵌入代碼編程設(shè)計發(fā)布信息的主頁，并能實現(xiàn)交互式、圖形式(而非圖象式)的用戶界面，同時保證大量數(shù)據(jù)在網(wǎng)上的高速傳送系統(tǒng)的高效。

本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計為多層B/S結(jié)構(gòu)：即根據(jù)目前實際的網(wǎng)絡(luò)和單機(jī)環(huán)境，在Windows NT Server4.0中文版以上版本的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)環(huán)境，微機(jī)操作系統(tǒng)為Windows2000中文版；為了兼顧現(xiàn)狀、考慮發(fā)展及推廣，本系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)格式的Oracle庫為基礎(chǔ)。采用高檔微機(jī)為人機(jī)交互前端，完成動、靜態(tài)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)組織管理、區(qū)塊動態(tài)參數(shù)計算、圖形表現(xiàn)、統(tǒng)計分析處理、結(jié)果顯示和輸出、結(jié)果發(fā)布等功能。

廣播數(shù)據(jù)資料：發(fā)布油田開發(fā)過程中的測試資料(試井資料、吸水剖面測試資料和出油剖面測試資料)的各種圖形及表格數(shù)據(jù)，以及原始測試曲線、解釋成果圖表，通過企業(yè)網(wǎng)以WWW或B/S方式進(jìn)行發(fā)布，使領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)部門隨時查閱生產(chǎn)數(shù)據(jù)、提高工作效率，保證資料的一致性和準(zhǔn)確性，迅速、準(zhǔn)確地掌握第一手材料，并能充分利用數(shù)據(jù)庫集成的優(yōu)勢，隨時根據(jù)需要找出諸如含水變化過大、產(chǎn)量降低的區(qū)塊、井組和單井，分析用的參考數(shù)據(jù)、圖形等配合使用，便于分析，減少在查找相應(yīng)資料所花的時間和精力。分析包括：1)區(qū)塊動態(tài)分析；2)井組動態(tài)分析；3)單井動態(tài)分析；4)層位動態(tài)分析。

4 產(chǎn)品實現(xiàn)及技術(shù)模型

本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)框圖見圖1：采/注井節(jié)能增效系統(tǒng)框圖[3]。

圖1 油田輸出和(或)注入井循環(huán)能效系統(tǒng)

其組成包括：井口測控裝置(100)、單芯同軸電纜信道(200)和井下多傳感器測控(300)三部分。其中，井口測控部分(100)是本次立項的核心內(nèi)容，主要負(fù)責(zé)完成“泵況”及井口測控和系統(tǒng)組織管理節(jié)能增效工作。信道部分(200)和井下測控部分由智能井多參數(shù)測控傳感器系統(tǒng)(300)配套，這部分產(chǎn)品已由公司自主開發(fā)完成，在油田已有成熟可靠地產(chǎn)品供應(yīng)。如已獲專利和科技進(jìn)步獎的SDL-1型智能井多參數(shù)監(jiān)測裝置[4]，它負(fù)責(zé)準(zhǔn)確可靠地提供當(dāng)前井及井層系的“井況”信息，辯識測控參數(shù)大小，如流量、壓力、溫度、各相濃度及密度等，信號和供電由信道(200)同軸電纜完成。

4.1 將傳統(tǒng)的調(diào)頻節(jié)能技術(shù)和采注井降耗增效技術(shù)融合

依循我國大部分油田的二次開采方案，依據(jù)黑油油藏的最優(yōu)化處理BOAST方法，將基本的壓力流動方程的相關(guān)參數(shù)融合判斷，如壓力，微壓差，流量，持水[5](氣)率也稱濃度、密度等參量作為采注井節(jié)能增耗的判據(jù)之一與電力能效結(jié)合，實現(xiàn)產(chǎn)能與電能耗的統(tǒng)一，既治標(biāo)又治本。

4.2 實現(xiàn)“泵況、井況、工況”三況合一，柔性控制

自適應(yīng)控制與常規(guī)反饋控制及最優(yōu)控制一樣,也是一種基于物理和數(shù)學(xué)模型約束的控制方法，所不同的是自適應(yīng)控制所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動的經(jīng)驗參量比較少，需要在系統(tǒng)的運行過程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐漸完善。本項目產(chǎn)品依據(jù)精準(zhǔn)控制的技術(shù)基礎(chǔ)，采用自適應(yīng)“井況”和“泵況”的動態(tài)優(yōu)化控制技術(shù)來適應(yīng)“工況”系統(tǒng)的實時瞬變特性。具體地說，裝置可以依據(jù)井口裝置獲得的“泵況”和“井況”的傳感輸入和執(zhí)行器輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識“工況”模型的參數(shù)。隨著采注過程的不斷進(jìn)行，裝置不停地在線辨識，結(jié)果“工況”模型會變得越來越準(zhǔn)確，越來越接近于實際獲得的專家指令。該控制技術(shù)根據(jù)單口井或?qū)拥臍v史產(chǎn)能(單位消耗的出油率或注水量)參數(shù)構(gòu)建出最大熵約上束條件下的動態(tài)優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)和快速自適應(yīng)優(yōu)化算法，實時改變“工況”效能、特性或定值，使得采注系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)、更充分地發(fā)揮其調(diào)頻節(jié)電性能，用更多判據(jù)來提高采注系統(tǒng)的選擇性、速動性、可靠性和靈敏性。

如圖2，各采油井的產(chǎn)能系統(tǒng)一般可以分成產(chǎn)出、用電、轉(zhuǎn)儲三個部分。產(chǎn)出部分一般由產(chǎn)出井及其多級采注層組成，各層特性是間歇脈動的；轉(zhuǎn)儲部分由多個串并聯(lián)的油、氣、水儲罐組成，其中油、氣是產(chǎn)出部分，水是循環(huán)轉(zhuǎn)儲的介質(zhì)，特性穩(wěn)定均衡，它可以作為系統(tǒng)的緩沖調(diào)節(jié)，重復(fù)使用；用電部分是指產(chǎn)油、注水等動力系統(tǒng)，主要消耗電能,假設(shè)設(shè)備用電特性是穩(wěn)定的；根據(jù)產(chǎn)能平衡原理，可以建立產(chǎn)能，消耗、轉(zhuǎn)儲三者關(guān)系的電能物理模型。其數(shù)學(xué)模型如下：

P(t)=η1Pe(t)+η2dPf(t)/dt

(1)

式(1)中，P(t)為某井單位日采噸油(立方氣)消耗總電量，kW/d；Pe(t)為某井單位日采噸油(立方氣)產(chǎn)量的電力消耗，kW/d；Pf(t)為某井采用節(jié)能后單位日采注水循環(huán)噸水而消耗的電能，kW/d；η1為每度電的單位日產(chǎn)能系數(shù)，其含義是每單位日噸油(立方氣)消耗所需的電能,或折算出能夠產(chǎn)出的原油(氣)的產(chǎn)量，單位t(m3)/d，主要與電力節(jié)能的“泵況”有關(guān)；η2為每度電的單位日采注水的耗能系數(shù)，其含義是每單位日噸轉(zhuǎn)注儲水罐里水所消耗的電能，或折算出轉(zhuǎn)注儲水罐水后節(jié)省的電能(指外援水所需的消耗電能)所能再產(chǎn)出的原油(氣)的產(chǎn)量，大小與流體的流量、流體成分持率(濃度)等“井況”和儲罐的容積有關(guān)。對式(1)積分后有：

(2)

其中，式(1)表示該系統(tǒng)的瞬時關(guān)系，式(2)表示該系統(tǒng)的節(jié)能累積效果關(guān)系。

圖2 產(chǎn)能系統(tǒng)示意圖

本數(shù)學(xué)模型的主要用途就是依據(jù)工藝要求，合理地控制泵況和井況，結(jié)合水轉(zhuǎn)儲消耗電能的變化趨勢預(yù)報產(chǎn)油(氣)的供應(yīng)“工況”是處于過剩狀態(tài)還是不足狀態(tài)，為產(chǎn)出平衡系統(tǒng)的調(diào)度指揮提供參考，讓采注系統(tǒng)“三況合一”，滿足間歇脈動的瞬變特性，既可以減少多產(chǎn)出水造成的資源浪費，又可以避免因為產(chǎn)液量過低給生產(chǎn)帶來的影響，實現(xiàn)實實在在的節(jié)能。

4.3 實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可靠的硬件平臺

對井下多傳感器檢測而言，本系統(tǒng)必需經(jīng)濟(jì)可靠，才能在生產(chǎn)中得到廣泛使用。從電器工藝結(jié)構(gòu)入手，將井下多傳感器與電子線路及軟件整合成一體。獨創(chuàng)嵌套結(jié)構(gòu)，將敏感元件與電子線路經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，使敏感元件與介質(zhì)充分接觸。電子器件內(nèi)置夾層，對外部件呈“中空管件”，系統(tǒng)安裝完成后，與油管或套管自成一體，流體介質(zhì)從中間流動，既降低對流態(tài)的影響，又能提高其檢測的可靠性。

井口地面裝置采用6U后插拔、大面板結(jié)構(gòu)，裝置內(nèi)由交流低通濾波、數(shù)字處理芯片DSP(含編解碼器)、執(zhí)行器(繼電器)、光電隔離出入口信號接口、液晶及鍵盤、電源、通訊光纖接口等組件構(gòu)成。該創(chuàng)新結(jié)構(gòu)把井下和井口不同的信號參數(shù)和異類環(huán)境變量綜合在同一平臺，使系統(tǒng)更具協(xié)調(diào)性和交叉滲透特性，滿足了復(fù)雜動力工程節(jié)電增產(chǎn)的現(xiàn)實需求，并從其內(nèi)在關(guān)聯(lián)參量中挖掘節(jié)能潛力，保障設(shè)備經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)可靠運行，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對比見表1。

表1 本項目產(chǎn)品與現(xiàn)有相關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)對比

4.4 采用測量保護(hù)診斷結(jié)合，控制系統(tǒng)可靠經(jīng)濟(jì)運行

基于自適應(yīng)測控保護(hù)原理和故障類型的故障量提取算法，采用模糊信息的預(yù)測跟蹤技術(shù)，軟件依據(jù)電流法、扭矩法和憋壓法的基本原理，以日常業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)的或智能的方法，對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合、分析，確定“工況”現(xiàn)狀，為現(xiàn)場工程師或管理人員提供決策幫助或送給集控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與管理，以此控制系統(tǒng)可靠經(jīng)濟(jì)運行。

5 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

5.1 裝置關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)指標(biāo)

通過本項目的實施，將解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：

1)變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的五電平無諧波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐罚?/p>

2)矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合感應(yīng)電動機(jī)變頻調(diào)壓的綜合方法；

3)采用特殊的開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路及矢量控制與轉(zhuǎn)矩控制綜合優(yōu)化的控制方法，解決了傳統(tǒng)大電機(jī)軟啟動所存在的問題；

4)基于IGBT開關(guān)控制以調(diào)整無功功率分布進(jìn)而調(diào)整功率因數(shù)。

項目完成樣機(jī)時，通過國家計量認(rèn)可的檢測中心的型式試驗、環(huán)境試驗，其主要技術(shù)指標(biāo)擬達(dá)到：效能指標(biāo)：20%～35%。

5.2 主要技術(shù)指標(biāo)

5.2.1 泵況

電流測量范圍：0～60 A，精度：2.5級；電壓測量范圍：0～500 V，精度：2.5級；功率：10～500 kW；效率：95%。

5.2.2 井況

扭矩測量范圍：10～1 000 N.m，精度：1%；載荷測量范圍：10 N～100 K，測量精度：1.5%；轉(zhuǎn)速測量范圍：0～5 000/min 轉(zhuǎn)速測量精度：1%；流量測量：10～300 m3/d，瞬時流量1.0級，累積流量1級；壓力測量：0～60 MPa，精度：0.5級(溫補(bǔ)可達(dá)0.2級)；溫度測量：-50～125 ℃，精度：±2 ℃；含 水 率：5%～95%，精度：2.0級。

6 結(jié) 語

本系統(tǒng)通過采用系統(tǒng)智能調(diào)頻技術(shù)，優(yōu)化了油田采油泵和注水泵的工作效率與油井工作狀況的關(guān)系，達(dá)到節(jié)能增效的目的，通過采集輸出井(或注入井)井口及井層的多參數(shù)“井況”信息和采油泵等多參數(shù)動力“泵況”信息，用裝置的專用軟件，分析和判斷這些采集到的信息，進(jìn)行智能綜合判斷，確定出該井(站)的“工況”模型， 將傳統(tǒng)的調(diào)頻節(jié)能技術(shù)和采注井降耗增效技術(shù)融合，實現(xiàn)“泵況、井況、工況”三況合一柔性控制，并利用經(jīng)濟(jì)可靠的硬件平臺，采用測量保護(hù)診斷結(jié)合，控制系統(tǒng)可靠經(jīng)濟(jì)運行，這樣既提高了節(jié)能率，節(jié)能率可達(dá)25%以上，也增加了原油的產(chǎn)能，使油田單位產(chǎn)能在原來的基礎(chǔ)上得以提高。