楊張利

(重慶電子工程職業(yè)學院， 重慶 401331)

注水驅(qū)油是維持油田長期高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的有效方法。油田地面注水就是在采油活動中借助注入一些驅(qū)替介質(zhì)使油層產(chǎn)生一定壓力，即補充地層能量保持油層壓力以利開采。作為驅(qū)替介質(zhì)的水，易于獲得，且與石油不兼容，密度大于油的密度，能直接將底層的原油驅(qū)替到生產(chǎn)井內(nèi)，即利用水可使原油移動到適合開采的地方以提高開采效率[1-4]?；谖覈氂吞镙^多，目前國內(nèi)以水驅(qū)油方式開采的原油產(chǎn)量保持在總產(chǎn)量的80%以上，因此在油田開發(fā)全周期的不同階段都采用注水方式以水驅(qū)油，綜合注采率和經(jīng)濟效益相對較高。油田地面注水系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，注水井口與注水泵站均可與注水管網(wǎng)相聯(lián)結(jié)，形成“網(wǎng)狀”的結(jié)構(gòu)，基于注水管網(wǎng)與注水工藝的優(yōu)化，可對注水系統(tǒng)進行節(jié)能改造和優(yōu)化控制[5-7]。由于歷史和技術(shù)等原因，注水系統(tǒng)效率不高，常處于“大馬拉小車”狀態(tài)運行，造成電能的極大浪費。此外，控制手段落后，有的注水壓力甚至采用水泵出口閘門手動控制，水泵與電機特性不匹配，很難在最佳工況點運行[5-10]。為此，結(jié)合工程實踐，本文對油田注水節(jié)能控制系統(tǒng)的控制策略進行探討。

1 控制目標與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 控制目標

油田地層注水系統(tǒng)要解決的問題：一是盡可能最大限度地節(jié)能，二是維持注水壓力的恒壓控制。因此，系統(tǒng)控制的目標可簡單概括為：在滿足注水工藝要求的前提下，維持油田地層注水系統(tǒng)的注水壓力恒定并最大限度地節(jié)約電能。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

滿足注水系統(tǒng)控制目標的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 油田注水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中：r、y分別為控制系統(tǒng)的輸入和輸出；P為控制器輸出；e=y-r，表示系統(tǒng)誤差。傳動裝置采用變頻器直接驅(qū)動電動機運行，以改變水流量并維持水壓恒定。變頻器用于調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速以有效地降低系統(tǒng)的電能損耗。圖1注水系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)有如下特點：

① 電動機可通過變頻器或軟起動從0～50 Hz作緩慢的加速起動，以減少電動機直接起動(避免起動電流大導(dǎo)致對電網(wǎng)的沖擊和機泵因突然高速起動帶來的負面效應(yīng))，因此該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有利于電動機實現(xiàn)系統(tǒng)的軟起動和自由停車。

② 便于實現(xiàn)電動機功率與實際負荷相匹配，改善電動機的電源質(zhì)量，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，確保注水系統(tǒng)的節(jié)能運行。

③ 機泵的平穩(wěn)運行可消除泵的喘振現(xiàn)象，確保機泵運行始終處于期望的最佳工況狀態(tài)。

④ 便于實現(xiàn)注水系統(tǒng)壓力的自動跟蹤控制，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保被調(diào)節(jié)量可實現(xiàn)更平穩(wěn)的調(diào)節(jié)。

⑤ 控制器選擇靈活性大，有利于控制策略與系統(tǒng)控制論特性匹配的實現(xiàn)。

2 控制論特性、控制策略與控制算法

2.1 注水過程的控制論特性

被注水地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與之相應(yīng)的水路管網(wǎng)結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，涉及眾多不確定性因素，人們對其了解程度近似一個黑箱。但從控制論特性分析可知，注水過程表現(xiàn)出以下特性[11]：注水過程中受眾多不確定性因素影響，系統(tǒng)參數(shù)具有隨機性、未知性和時變性；注水系統(tǒng)具有時滯特性，時滯因不確定性因素所致，同樣具有未知性和時變性；注水系統(tǒng)是慣性系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)，變量眾多，其變量間存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性；野外油田環(huán)境存在干擾的不確定性、隨機性、多樣性和未知性。特別在后期開發(fā)中，地質(zhì)情況變化較大，注水井增多，必然會發(fā)生水路管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和開并井數(shù)的增減變化以及洗井與供水不足，造成注水量難以達到均勻和穩(wěn)定，導(dǎo)致經(jīng)常引起注水壓力波動。上述特性表明，油田注水過程中充滿了不確定性和復(fù)雜性，采用傳統(tǒng)方法難于建立數(shù)學模型，基于范式控制的傳統(tǒng)控制策略與控制算法(如PID、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制算法等)是無濟于事與無能為力的，采用傳統(tǒng)控制策略難以對注水過程實施有效的優(yōu)化控制，因此有必要尋求與注水過程控制論特性相匹配的新控制策略與控制算法。

2.2 控制策略選取

地層注水系統(tǒng)的控制目標是在滿足注水工藝的前提下最大限度地節(jié)約電能并維持對地層的恒壓注水。顯然，最大限度地節(jié)約電能屬于成本控制問題，涉及直接驅(qū)動級的執(zhí)行策略選??；維持對地層的恒壓注水屬于對注水過程的控制策略，該過程是一個信息處理過程，其信息處理過程本身幾乎不消耗能量，卻是實現(xiàn)節(jié)能恒壓注水的關(guān)鍵所在[12-13]。

2.2.1控制策略

綜上，基于數(shù)學描述的范式傳統(tǒng)控制策略是不可取的，因此只能選取智能控制策略。可供選擇的控制策略有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等，無需建立數(shù)學模型就可實施控制，但均有其應(yīng)用范圍，須針對特定范圍和領(lǐng)域才能充分發(fā)揮其控制優(yōu)勢，并非萬能。比如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制由于不確定性造成學習樣本難以提供，導(dǎo)致不可能進行網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值訓(xùn)練，因此難以應(yīng)用。又如，由于不確定性，模糊控制及其變形策略因隸屬度函數(shù)無法確定造成控制規(guī)則無法確定，最終導(dǎo)致其不可能用于實施控制[14-15]。其中值得關(guān)注的是仿人智能控制HSIC(human simulated intelligent controller)策略[16],因其更貼近現(xiàn)實工程實踐顯得特別可取。該策略總結(jié)人的控制經(jīng)驗，模仿人的控制行為，只要注水過程偏離期望注水狀態(tài)就可以產(chǎn)生式規(guī)則描述注水過程的運動狀態(tài)，借助直覺推理，模仿控制專家的控制行為，構(gòu)造出與注水過程控制匹配的控制算法，從而協(xié)調(diào)注水過程中快速性與平滑性、魯棒性與精確性等控制品質(zhì)指標。鑒于該策略可方便地將現(xiàn)場操作者及控制專家的控制技巧、控制經(jīng)驗與控制智慧巧妙地嵌入到控制算法中，因此本文在注水過程中采用基于仿人智能的融合控制策略。

2.2.2控制執(zhí)行策略

電機轉(zhuǎn)速公式為：

n=60·f·(1-s)/p

式中：p為電動機的極對數(shù)；f為供電電源頻率；s是轉(zhuǎn)差率；n是電動機的實際轉(zhuǎn)速。由電機轉(zhuǎn)速公式可見，n∝f，即改變f可平滑地調(diào)節(jié)電動機的實際轉(zhuǎn)速n。地層注水系統(tǒng)的水泵屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其電動機軸功率P、地層注水流量Q、地層注水壓力H與電動機轉(zhuǎn)速n之間具有如下關(guān)系：P∝n3，Q∝n,H∝n2,也就是說電動機軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比，地層注水流量與轉(zhuǎn)速成正比，地層注水壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比。因此，改變電動機轉(zhuǎn)速n就可實現(xiàn)恒壓供水對注水流量的控制。變頻調(diào)速不僅節(jié)能效果明顯而且調(diào)節(jié)方便，設(shè)電動機額定轉(zhuǎn)速為nN,額定功率為PN，若實際輸出功率為P時的實際轉(zhuǎn)速為n，那么采用功率表示的節(jié)能效果可以表示為

(1)

式中：如取n/nN=2/3,則ΔP=0.67PN,也就是說在理想情況下，其節(jié)能控制效果可達67%，可見節(jié)能效果相當顯著。

2.3 控制算法

(2)

上述算法中，KP為比例系數(shù)，k為抑制系數(shù)，P為控制器輸出，em, j表示系統(tǒng)誤差最大值的第j次峰值。

基于上述HSIC基本控制算法，結(jié)合現(xiàn)場實踐，將控制專家與操作者的控制知識、控制技巧、控制經(jīng)驗與控制智慧巧妙地嵌入到控制算法中[17]，對不確定性注水過程采用基于仿人智能的融合控制策略，其控制規(guī)則概括于表1。該控制規(guī)則完整地描述了注水過程狀態(tài)在信息空間中的運動軌跡，既反映了過程的所有動態(tài)信息，又反映了控制作用對過程的影響。表1中，KP為比例增益；K1為增益放大系數(shù)，K1> 1；K2為抑制系數(shù)，0M2；em,n為e的第n個極值。

表1 控制規(guī)則

序號如果條件成立則輸出等于模式名稱1︱en︱>M1FFH 或00H開關(guān)2當en·Δen>0或Δen=0, en≠0且︱en︱>M2︱en︱0, en=0P0(n)=P0(n-1保持14當en·Δen<0Δen·Δen-1<0且︱en︱≥M2︱en︱

3 實驗仿真及結(jié)果分析

3.1 實驗仿真

針對注水過程的控制論特性(如過程參數(shù)的不確定性，過程變量間的關(guān)聯(lián)性、未知性以及時變性等)，由于其難以數(shù)學建模，因此實驗仿真中只能采用等效的方法假定數(shù)學模型，以改變模型控制參數(shù)的方法模擬注水過程控制論特性的變化，從而考察控制策略的優(yōu)劣。其中，最好的方法就是考察控制算法的魯棒性，如果控制算法魯棒性很強，那么這種控制策略無疑是可取的，因為當注水過程參數(shù)發(fā)生變化時其控制效果并不受參數(shù)變化的影響，仍然可以獲得良好的控制品質(zhì)。針對注水過程兼具慣性、時滯等特性，可將其近似為一個1階慣性環(huán)節(jié)加純時滯的模型，為此，將注水過程數(shù)學模型假設(shè)為

W(S)=Ke-τs/ (Ts+1)

模型中：T為過程的時間常數(shù)；τ為純滯后時間；K為增益系數(shù)。

實驗仿真基于Matlab環(huán)境，利用Simulink工具箱搭建系統(tǒng)仿真模型，在單位階躍輸入信號作用下，分別采用PID和HSIC算法控制同一被控過程，然后考察注水過程的單位階躍響應(yīng),以此判定HSIC算法是否具有很強的魯棒性。為了方便實驗仿真結(jié)果對比，本文給出了過程參數(shù)改變時不同算法控制的單位階躍響應(yīng)對比曲線。當K=1，τ= 2和T=1.2時，實驗仿真對比曲線如圖2所示；當K=2，τ=2和T=1.2時，實驗仿真對比曲線如圖3所示； 當K=1，τ= 4和T=1.2時，實驗仿真對比曲線如圖4所示；當K=10，τ= 2和T=1.2時，實驗仿真對比曲線如圖5所示；當傳遞函數(shù)由W(S)=Ke-τs/(Ts+1)變成W(S)=Ke-τs/(Ts+1)( 2s+1)時，實驗仿真對比曲線如圖6所示。

圖2 過程響應(yīng)比較

圖3 T改變的響應(yīng)比較

圖4 τ改變的響應(yīng)比較

圖5 K改變的響應(yīng)比較

圖6 二階過程的響應(yīng)比較

從圖2可以看出，在上升時間與調(diào)整時間方面， HSIC控制快于PID控制，HSIC控制策略有更好的控制品質(zhì)。圖3顯示，T改變時，HSIC控制響應(yīng)幾乎沒有變化，但PID控制產(chǎn)生較大的超調(diào)。從圖4可以看出，τ改變時，HSIC控制僅在響應(yīng)時間上向后推遲了2 s，其響應(yīng)幾乎沒有發(fā)生變化，但PID控制產(chǎn)生了大幅度的超調(diào)。圖5顯示，HSIC控制仍保持無超調(diào)且控制響應(yīng)平穩(wěn)，幾乎沒有發(fā)生變化，但PID控制不僅有嚴重的超調(diào)量產(chǎn)生，而且還產(chǎn)生震蕩。從圖6可以看出，在原傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上增加一個慣性環(huán)節(jié)1/(2s+1)，即由1階過程變?yōu)?階過程時，HSIC控制無超調(diào)量出現(xiàn)，控制效果平穩(wěn)，其響應(yīng)曲線幾乎沒有發(fā)生變化，但PID控制產(chǎn)生了嚴重超調(diào)。

3.2 仿真實驗的結(jié)果分析

上述魯棒性實驗表明：與PID控制相比，基于HSIC的控制具有很強的魯棒性，當過程參數(shù)變化甚至由1階過程變?yōu)?階過程時，HSIC控制的響應(yīng)幾乎沒有發(fā)生變化，都能獲得良好的控制品質(zhì)，取得了令人滿意的控制效果。因此，對注水過程控制而言，HSIC控制策略是合理、可行和可取的。

4 結(jié)束語

油田開發(fā)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，現(xiàn)場工作環(huán)境復(fù)雜，而油田地層注水本身就是一個具有不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)。為了在滿足注水工藝要求的前提下，實現(xiàn)維持油田地層注水系統(tǒng)的注水壓力恒定并最大限度地節(jié)約電能的控制目標，研究與地層注水過程控制論特性相匹配的控制策略十分重要。文中基于仿人智能的實驗仿真結(jié)果表明，采用智能融合控制策略對注水過程實施控制是可行的。