崔 博

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司研發(fā)中心）

截止2018年年底，大慶油田在運(yùn)轉(zhuǎn)的常用排量規(guī)格的定頻、變頻潛油電泵井共計(jì)1 225口，其中70.5%的井工作在非高效區(qū)。潛油電泵長(zhǎng)期工作在非高效區(qū)會(huì)導(dǎo)致油井的產(chǎn)液能耗增大，機(jī)組系統(tǒng)效率降低，不僅影響油田的正常生產(chǎn)，而且增加了采油成本，產(chǎn)品壽命也受到嚴(yán)重影響，所以使機(jī)組適應(yīng)不同油井條件并長(zhǎng)期運(yùn)行在高效區(qū)變得尤為重要。

本項(xiàng)目中，在電泵井配備井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置后，結(jié)合原地面監(jiān)測(cè)參數(shù)（如運(yùn)行電流、油壓及套壓等），并通過軟件控制方法來實(shí)現(xiàn)電泵井的自適應(yīng)控制。

1 自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)思路

大慶油田電泵機(jī)組采用定頻與變頻兩種控制方式，對(duì)于定頻控制的電泵井，由于油井普遍供液不足，采用自適應(yīng)控制技術(shù)可以使定頻運(yùn)行的電泵井在供液不足的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)間抽控制；變頻運(yùn)行的電泵井在一定區(qū)間內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率，使電泵井的沉沒度維持在恒定值，以避免機(jī)組頻繁欠載停機(jī)。

1.1 定頻間抽控制技術(shù)

針對(duì)定頻驅(qū)動(dòng)的潛油電泵井，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的井況變化情況，通過調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝參數(shù)和優(yōu)化選井選泵的方式來進(jìn)一步優(yōu)化油井生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的定頻間抽控制原理僅依靠機(jī)組運(yùn)行電流來判斷：當(dāng)運(yùn)行電流小于欠載停機(jī)保護(hù)值并延遲一段時(shí)間后，機(jī)組自動(dòng)停機(jī)，再經(jīng)過一段人為設(shè)定的時(shí)間段待油井沉沒度恢復(fù)之后，機(jī)組再次自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行，如此周而復(fù)始［1］。這種傳統(tǒng)的自動(dòng)間抽控制最大的問題在于無法準(zhǔn)確判斷油井動(dòng)液面的恢復(fù)情況，油井管理人員只能憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)設(shè)定停機(jī)等待動(dòng)液面恢復(fù)時(shí)間。在配備電泵多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置后，當(dāng)井下供液能力降低時(shí)，通過對(duì)泵吸入口壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)壓力低于合理壓力設(shè)定值時(shí)，再結(jié)合運(yùn)行電流的判斷，對(duì)機(jī)組發(fā)送自動(dòng)停機(jī)指令。當(dāng)液面恢復(fù)（泵吸入口壓力恢復(fù)）到合理高度時(shí)再發(fā)送自動(dòng)啟動(dòng)指令［2］?？刂圃砗统翛]度變化曲線如圖1所示。

對(duì)于供液能力不足的定頻電泵井，工程上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)間抽控制的基本方法如下：

a.在控制器中輸入該井的沉沒度保護(hù)值、欠載電流保護(hù)值和井液平均密度；

b.控制器監(jiān)測(cè)電泵井的泵吸入口壓力和套管壓力；

d.在控制器中設(shè)定沉沒度保護(hù)值和欠載電流保護(hù)值；

圖1 定頻電泵井自動(dòng)間抽控制原理和沉沒度變化曲線

e.運(yùn)行過程中，判斷實(shí)際沉沒度和運(yùn)行電流是否低于保護(hù)值，如果低于保護(hù)值，則延遲一段時(shí)間后控制器控制機(jī)組自動(dòng)停機(jī)；

f.停機(jī)后，井下監(jiān)測(cè)裝置持續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)沉沒度恢復(fù)情況，當(dāng)沉沒度恢復(fù)到設(shè)定值時(shí)，如果機(jī)組無故障，則再次重新啟動(dòng)運(yùn)行。

上述步驟在控制器中實(shí)現(xiàn)的程序流程如圖2所示。

1.2 變頻自動(dòng)調(diào)頻控制技術(shù)

對(duì)于采用變頻控制的潛油電泵機(jī)組而言，機(jī)組工作在恒定的頻率下，該工作頻率由油井管理人員根據(jù)油井動(dòng)液面、地面油壓、套壓、油井區(qū)塊工藝要求等來設(shè)置，通常在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)維持不變。但隨著井況的改變，電泵井動(dòng)液面也必然會(huì)發(fā)生改變，如果地面變頻器仍然維持在恒定的頻率點(diǎn)，則會(huì)造成機(jī)組效率下降，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)組供液不足而燒毀［3］。因此，當(dāng)油井動(dòng)液面發(fā)生改變時(shí)，地面變頻器需要根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率，使油井的動(dòng)液面基本維持在目標(biāo)閾值內(nèi)不變。

圖2 定頻電泵井自動(dòng)間抽程序流程

為實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，地面變頻器配合井下監(jiān)測(cè)裝置，可根據(jù)測(cè)量到的井下泵吸入口壓力參數(shù)，并結(jié)合井口的套管壓力，以最佳沉沒度區(qū)間為控制目標(biāo)，采用相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)變頻器自動(dòng)調(diào)頻，使油井沉沒度維持在目標(biāo)閾值內(nèi)，從而調(diào)節(jié)油井產(chǎn)量，優(yōu)化生產(chǎn)模式，達(dá)到最佳開采的目的［4］；同時(shí)，也可根據(jù)監(jiān)測(cè)裝置輸出的報(bào)警信號(hào)（包括溫度報(bào)警和壓力報(bào)警）自動(dòng)停機(jī)。具體功能框圖如圖3所示。

變頻電泵井實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)頻的基本控制方法為：變頻器上設(shè)置合理的油井沉沒度（即泵吸入口壓力目標(biāo)值），即當(dāng)目標(biāo)沉沒度閾值與實(shí)際沉沒度之間有較大差值時(shí)，變頻器頻率調(diào)節(jié)較快；而當(dāng)沉沒度高度接近目標(biāo)閾值時(shí)，頻率調(diào)節(jié)變化較小，使油井的實(shí)際沉沒度緩慢接近目標(biāo)閾值。上述控制原理采用PID調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)規(guī)律如圖4所示。

圖3 變頻電泵井實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)頻的功能框圖

圖4 變頻電泵井自動(dòng)調(diào)頻原理

為了保證電泵機(jī)組的可靠運(yùn)行，防止頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)過高或過低造成電泵損壞，需要在變頻器上設(shè)置機(jī)組運(yùn)行調(diào)節(jié)頻率的上限fset_High和下限fset_Low，一旦自動(dòng)調(diào)頻算法導(dǎo)致變頻器目標(biāo)運(yùn)行頻率超出fset_High或fset_Low，則變頻器實(shí)際運(yùn)行頻率等于fset_High或fset_Low。當(dāng)沉沒度高度進(jìn)入所要控制的目標(biāo)閾值后，通過PID調(diào)節(jié)方式，使沉沒度最終維持在目標(biāo)閾值之內(nèi)。

PID算法能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定工作在給定的狀態(tài)下，避免出現(xiàn)振蕩［5］。對(duì)于電泵變頻器通常采用數(shù)字PID算法更容易編程實(shí)現(xiàn)。涉及到的參數(shù)可以在變頻器的控制界面上直接設(shè)置，包括PID控制的比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間、PID采樣周期、調(diào)節(jié)頻率上限、調(diào)節(jié)頻率下限、泵吸入口壓力值上限及泵吸入口壓力值下限等。

變頻電泵井實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)頻的控制程序流程如圖5所示。

2 變頻電泵井自動(dòng)調(diào)頻控制技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本項(xiàng)目在安裝了井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的變頻電泵井上，以控制恒定沉沒度為目標(biāo)，采用PID閉環(huán)控制算法，實(shí)現(xiàn)了變頻電泵井的自適應(yīng)調(diào)頻功能，并在現(xiàn)場(chǎng)5口安裝了變頻器和井下監(jiān)測(cè)裝置的電泵井上進(jìn)行了試驗(yàn)。

圖5 變頻電泵井實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)頻的控制程序流程

圖6 是在大慶油田采油一廠Z60-P21電泵井上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)調(diào)頻試驗(yàn)時(shí)的PID控制參數(shù)實(shí)際設(shè)置值。由于潛油電泵的吸入口壓力是一個(gè)大慣量值，變化較為緩慢，PID控制上存在較大的滯后。為了保證電泵機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，避免頻繁調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行頻率造成機(jī)組故障停機(jī)，因此PID控制參數(shù)的設(shè)置盡可能使機(jī)組運(yùn)行頻率的調(diào)節(jié)保持平穩(wěn)?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)試，最終試驗(yàn)結(jié)果表明，通過PID控制，機(jī)組運(yùn)行頻率調(diào)節(jié)大約在0.1Hz/h左右比較合理。

圖6 Z60-P21電泵井變頻器PID控制參數(shù)設(shè)置值

圖7 是Z60-P21電泵井在變頻器采用PID控制后，變頻器輸出頻率與泵吸入口壓力測(cè)量值的變化曲線。該井的日額定排量為150m3?？梢钥闯?，當(dāng)電泵井供液處于穩(wěn)定狀態(tài)后，變頻器通過PID控制，最終使變頻器輸出頻率穩(wěn)定在51.9Hz上，比剛開始投產(chǎn)時(shí)的50.0Hz提高了1.9Hz，在保持合理沉沒度的前提下，日產(chǎn)液量提高了5.5m3。如果不采用自適應(yīng)調(diào)頻算法，則這一過程需要采油廠技術(shù)人員憑借經(jīng)驗(yàn)經(jīng)過摸索最終將機(jī)組運(yùn)行頻率設(shè)定在一個(gè)合理值，以避免機(jī)組抽空。

泵吸入口壓力包含了套壓，采用電泵吸入口壓力作為PID調(diào)節(jié)的被調(diào)節(jié)量，默認(rèn)電泵井的套壓為穩(wěn)定值，對(duì)于含氣量較大的油井其套壓變化很劇烈，如果套壓變化較大，則泵吸入口壓力也會(huì)跟著頻繁變化，則PID調(diào)節(jié)的難度會(huì)加大［6］。但對(duì)于大慶油田的水驅(qū)電泵井，由于油井含水率普遍比較高，井液密度變化小，套壓基本上處于恒定值，因此PID調(diào)節(jié)較為容易實(shí)現(xiàn)。

從圖7可以看出，變頻器在A點(diǎn)開始輸出頻率PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，經(jīng)過3次頻率自動(dòng)調(diào)整之后，變頻器運(yùn)行頻率從原來的50.0Hz提高到51.9Hz，泵吸入口壓力從原來的2.2MPa下降到1.2MPa左右，并達(dá)到新的供采平衡，實(shí)現(xiàn)了變頻電泵井輸出頻率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能。

圖7 Z60-P21電泵井變頻器PID控制輸出頻率與泵吸入口壓力曲線

3 結(jié)束語

本項(xiàng)目通過監(jiān)測(cè)潛油電泵井吸入口壓力的變化，在地面變頻器采用了PID閉環(huán)控制技術(shù)，在保證電泵機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，使機(jī)組運(yùn)行頻率在一定范圍內(nèi)能夠根據(jù)泵吸入口壓力的變化自適應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了電泵機(jī)組供采的動(dòng)態(tài)平衡，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率。電泵井自適應(yīng)控制技術(shù)對(duì)于大慶油田高含水電泵井具有實(shí)用性，可大面積推廣使用，既可實(shí)現(xiàn)油井產(chǎn)能的最大化，也提高了自動(dòng)化程度，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。