基于動液面與套壓的抽油控制系統

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 技術監測中心，陜西 西安 710018； 4.西安海聯石化科技有限公司，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量的工作狀態[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，使抽油機處于低產高耗的工作狀態。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抽油沖次調節[3-4]，另外，采油過程中油井環空套壓對動液面和產液量的影響與控制的研究報道較少[5]。針對實際采油生產過程中，油井動液面和環空套壓的變化影響，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。該系統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，環空套壓采用位控制。該控制系統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定和套壓持續升高繼而造成抽油泵效低下的問題，確保抽油機處于最優的抽油狀態。

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，即可實現采油達到最佳產液量。 油井產液量計算式為

QL=KL(Hs-Hf)。

(1)

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

由式(1)可以看出，動液面下降會減少油井的產液量。動液面控制是通過控制抽油機變頻器來間接調節抽油機的沖次[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；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。在出現動液面下降時，降低變頻器頻率減小抽油機沖次即可穩定動液面，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。

另一方面，在油井生產時套管排氣閥門處于關閉狀態，井內氣體在環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。

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，其雙回路抽油控制系統原理如圖1所示。

圖1 雙回路抽油控制系統原理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、抽油機工作狀態等因素有關，其控制是一個典型的非線性系統，無法通過建立數學模型采用PID控制，因此提出采用模糊控制策略實現動液面的控制。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個量的隸屬函數均選為三角形隸屬函數，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。依據抽油機抽油過程動液面變化的實際經驗建立35條模糊規則，見表1。首先根據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模糊控制規則進行模糊推理，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，從而控制套壓穩定在合適的范圍[8]，使抽油機運行在最佳的抽油狀態。

2 動液面與套壓的抽油控制系統構成

動液面與套壓的抽油控制系統由檢測、控制、執行單元構成，如圖2所示。

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

(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)執行單元為變頻器和電磁調節閥。變頻器依據智能控制器頻率控制指令，調節電動機的轉速實現對抽油機的沖次控制；調節電磁閥依據智能控制器控制指令，調節井口排放氣裝置。

圖2 動液面與套壓的抽油控制系統構成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

抽油控制系統軟件在keilC51上進行編程，主要包括顯示設定、數據通訊、動液面控制和套壓控制等程序。其中數據通信程序實現智能控制器接收動液面和套壓數據的功能，并對接收到的十六位數據進行十進制轉換；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，用系統測試工具進行動液面變化測試，具體測試范圍根據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 控制系統實驗分析

在實驗室進行抽油系統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。動液面監測儀連續輸出6組動液面調節值，同時利用電動氣泵對PVC連接管柱內進行增壓，抽油控制系統進行實時調節控制，實驗顯示當動液面調節值出現變化時，智能控制器依據動液面實時變化調節變頻器頻率，改變抽油機沖次，依據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，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。

該抽油控制系統在長慶油田某采油廠油井生產現場實驗，生產油井套壓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。該抽油控制系統投入運行，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。

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

[1] 宮照天.基于動液面的油井優化控制方法研究[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.立式節能抽油機的智能控制系統[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，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.