CN103885367B - 一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制***及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制***及方法。由抽油机专用变频器、直流电抗器和智能控制卡组成的智能***和旁路***两部分。智能***通过变频器的电流和电压检测回路检测电机的瞬时电压和瞬时电流，计算出电机的瞬时功率（含负功率），以通讯方式将瞬时功率传送至智能控制卡。智能控制卡对瞬时功率作数据处理，得到抽油机的冲次电耗量。检测到抽油机在不同冲次下的冲次电耗，通过基于产液量最大化的最佳冲次辨识数学模型计算出最佳冲次及对应的冲次电耗，完成对油井工况的自学***衡、增产增效、节能降耗。

Description

一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制***及方法

技术领域

本发明涉及采油控制技术领域，具体涉及基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制***及方法。

背景技术

传统的油井流入理论认为，井底流压越低，生产压差越大，则油井产液量越大。所以一般油井的下泵到射孔上部，甚至中段，导致动液面低、流压低、泵充满度低，影响泵效、产液量和采收率。国内外大量的实践和研究表明，当流压降低至饱和压力以下时，气体会从原油中分离出来，形成油气相混合液或油气水相混合液，使液相流动能力降低，地层渗透阻力增加。当流压低于饱和压力并逐渐降低时，产液量从升高变缓到出现最大值拐点，然后逐渐降低。产液量最大点对应的流压是油井流压的最小流压界限。油井在最小流压界限以下生产时，电耗会增加，产液量会下降。

油田的采油现状是大量的采油井在比最小流压界限更低的流压下工作，泵效和***效率低下，影响产液量和采收率，气油比高，结碏和出砂严重。解决方案主要有两点：一、调整下泵深度，控制流压在合理的范围内；二、调节抽汲参数，控制流压在最佳值，提高泵充满度和泵效，达到供采平衡。

有杆泵冲程、泵径和下泵深度确定后，冲次是决定泵排液能力的关键参数。油层压力稳定时，冲次越高，则动液面越低、泵充满度越低、井底流压越低、电耗越高。而产液量与井底流压存在函数关系，即IPR曲线，井底流压存在最佳值使产液量最大。井底流压的最佳值与油层压力、油水比例及油的饱和压力等诸多因素相关，具有时变性。抽油机的智能控制即是通过感知井下工况，确定最佳冲次与之相适应，并跟踪井下工况的变化自动调节冲次，使油井始终处于最佳冲次下工作，达到供排平衡和产液量最大化的目的。

由于产液量的实时检测成本高、准确性极差，目前的抽油机的控制主要基于功图的检测和动液面的检测，以实现恒泵充满度的控制和恒动液面的控制。由于泵充满度及动液面与产液量不存在确定的关系，所以只能凭经验，控制效果差，对不同油井的适应性也差，同时受传感器成本和稳定性的影响，这一方面的技术一直未能大面积推广应用。这样的控制只能叫闭环控制，而非智能控制。

基于电机能耗的控制方案由于检测成本低，稳定性好，是近年研究的新方向。由于影响电机能耗的因素非常多，包括提升液体的有效能耗和电机损耗、机械传动损耗、摩擦损耗、抽油杆形变损耗、液体漏失损耗等无效能耗，普遍认为建立油井产液量与电机能耗之间的定量关系是不可能的，所以大多数的研究都没有深入下去。

变频器在抽油机上的应用中，由于存在倒发电现象，而变频器本自无法贮存和释放这部分能量，会导致直流侧过电压故障。传统的解决方法有三种：一是采用能耗制动的方法，将倒发电的能量用电阻消耗掉，这种方式成本相对较低，但浪费电能；二是回馈方式，通过回馈单元或四象限变频器的可控整流桥将电能回馈电网，这种方式成本很高，对电网的谐波影响也更严重，不适合推广应用；三是采用共直流母线方式，将能量传递给其它负载使用，这种方式成本低，也节能，但在大多场合使用有局限性。

发明内容

本发明是针对现有技术存在的问题，提供一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制***及方法，通过检测电机的瞬时功率计算出抽油机的冲次电耗，并首次提出最大产液冲次的电耗变化判断准则，采用软件控制技术和变频控制技术实现抽油机的智能抽油控制，达到增产增效和节能降耗的目的。

本发明的技术方案

一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制***，由以抽油机专用变频器为核心的智能***和旁路***两部分组成，智能***的抽油机专用变频器输入和输出端分别连接电路断路器和接触器，旁路***包括电源断路器、接触器和热继电器，其中：智能***中还包括智能控制卡和直流电抗器，且智能控制卡为抽油机专用变频器的扩展卡，其硬件为单片机***，与抽油机专用变频器采用通讯方式交换数据；直流电抗器与抽油机专用变频器的直流侧相连；抽油机专用变频器的输出与旁路***通过接触器电气互锁。

按照前述基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制***的控制方法是：通过抽油机专用变频器自身检测电机的瞬时功率，瞬时功率由变频器输出的每相电压瞬时值与对应相的电流瞬时值的乘积再三相相加的和求得，冲次能耗由瞬时功率的平均值与运行频率相除求得；通过智能控制卡控制变频器自学习测得的油井电机冲次电耗随冲次变化的多组数据；根据电机电耗中有效能耗和无效能耗随冲次变化的数学模型确定的最佳冲次辨识模型，求得最大产液量对应的最佳冲次；然后测得最佳冲次对应的电机实际电耗作为基准电耗给定值，对冲次进行智能闭环控制，实时跟踪井下供液能力的变化，从而保持最佳的井底流压，使产液量最大化。由于油井工况的时变性，智能***对井况的自学习会定时进行，以适应井况的变化。

上述基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制***的控制方法进一步包括：

智能控制卡控制抽油机专用变频器在特征频率点50Hz、特征频率点40Hz、特征频率点30Hz、特征频率点20Hz各运行设定的时间，使井下动液面达到稳态后，测得抽油机在这些特征频率点运行时的稳态冲次电耗，记为W₅₀、W₄₀、W₃₀、W₂₀，则最佳冲次对应的抽油机专用变频器运行频率f₀可由下式的最佳冲次辨识模型求取：

f₀=10×(4W₂₀－11W₃₀＋10W₄₀－3W₅₀)／(W₂₀－3W₃₀＋3W₄₀－W₅₀)

控制抽油机在f₀运行设定的时间使井下动液面达到稳态后，测得对应的冲次电耗即为基准冲次电耗给定值W_f0。

在测得基准冲次电耗给定值W_f0后每间隔5-15分钟测一次实时冲次电耗值，与基准给定电耗比较，若偏大则升高0.5-1.5Hz频率，偏小则降低0.5-1.5Hz频率，若相当则对运行频率不作调整，实现对井下供液能力的实时跟踪控制，频率调整范围为f₀的±5Hz。

本发明的***是在通用变频器中植入智能控制软件，不需要外加任何井上和井下传感器，也不需要输入抽油机和油井的任何原始数据，即可完成对抽油机的自适应智能控制。应用本技术使抽油机的智能控制***成本低廉、稳定可靠，增产增效和节能降耗效果显著提高，解决了油井智能控制的核心难题，有非常好的推广应用价值。本发明的方法核心是通过对抽油机采油***的各部分能耗建模并进行数学分析后，发现了最佳冲次的判断准则。最佳冲次与油井流入方程曲线（IPR曲线）的最小流压界限相对应，从而实现了最大产液量的控制。

另外本发明的抽油机专用变频器内置特有的直流过电压调节器控制软件技术，使变频器有跟踪电机转速运行的功能，能有效抑制抽油机的倒发电现象，无需制动和回馈组件即可保证变频器正常运行，使智能***的成本与采用能耗制动或回馈制动相比进一步下降，节电效果与采用制动电阻方式相比明显提高，***结构进一步简化，可靠性进一步提高。

附图说明

附图1是本发明的***部分结构简图；

附图2是本发明方法部分的控制流程图。

图中，1-三相电源，2-变频器电源断路器，3-旁路电源断路器，4-抽油机专用变频器，5智能控制卡，6-变频器输出接触器，7-变频器直流电抗器，8-接地，9-旁路接触器，10-旁路热继电器，11-电机输出，12–电动机。

具体实施例

下面通过申请人于2013年8月在胜利油田孤东采油厂一矿一队的G04-10-20号抽油机井上进行安装试验的实施例进一步加以说明。

1、原始井况

G04-10-20号抽油机井配游梁式抽油机，电机为18.5/11KW双速双功率三相异步电动机，额定电压380V。抽油机冲次2.2次/分，冲程3米，泵径44mm，泵挂1247m,吸入口深度1267.36m，油层中深1324m。抽油机冲次已经调整到最小值，无下调空间。动液面低，油泵充满度低。井底流压低，原油脱气严重，流动性差。油井日产液量低，吨液单耗高。

结合附图1，该实施例采用的是22KW抽油机专用智能变频器（型号为V560-4T0220）、配置智能控制卡(型号为APV-F301)和直流电抗器(型号为DCL-0050)。是由以抽油机专用变频器为核心的智能***和旁路***两部分组成。智能***包括抽油机专用变频器4智能控制卡5和直流电抗器7，智能***的抽油机专用变频器4输入和输出端分别连接电路断路器2和接触器6，旁路***包括电源断路器3、接触器9和热继电器10。其中：且智能控制卡5为抽油机专用变频器的扩展卡，其硬件为单片机***，与抽油机专用变频器采用通讯方式交换数据，无I/O接口；直流电抗器7与抽油机专用变频器的直流侧相连。抽油机专用变频器的输出与旁路***通过接触器（6和9）电气互锁，旁路***中的热继电器10用于旁路运行时保护电机，智能***和旁路***均有电源断路器2和3。

参照附图2，按照前述基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制***的控制方法是：通过抽油机专用变频器4自身检测电机的瞬时功率，瞬时功率由变频器输出的每相电压瞬时值与对应相的电流瞬时值的乘积再三相相加的和求得，冲次能耗由瞬时功率的平均值与运行频率相除求得。通过智能控制卡5控制变频器4自学习测得的油井电机冲次电耗随冲次变化的多组数据。并根据电机电耗中有效能耗和无效能耗随冲次变化的数学模型确定的最佳冲次辨识模型，求得最大产液量对应的最佳冲次。然后测得最佳冲次对应的电机实际电耗作为基准电耗给定值，对冲次进行智能闭环控制，实时跟踪井下供液能力的变化，从而保持最佳的井底流压，使产液量最大化。由于油井工况的时变性，智能***对井况的自学习会定时进行，以适应井况的变化。

该方法的核心是通过对抽油机采油***的各部分能耗建模并进行数学分析后，发现了最佳冲次的判断准则。最佳冲次与油井流入方程曲线（IPR曲线）的最小流压界限相对应，从而实现了最大产液量的控制。

智能控制卡5控制抽油机专用变频器4在50Hz、40Hz、30Hz、20Hz各运行设定的时间，使井下动液面达到稳态后，测得抽油机在这些特征频率点运行时的稳态冲次电耗，记为W₅₀、W₄₀、W₃₀、W₂₀。则最佳冲次对应的变频器运行频率f₀可由下式的最佳冲次辨识模型求取：

f₀=10×(4W₂₀－11W₃₀＋10W₄₀－3W₅₀)／(W₂₀－3W₃₀＋3W₄₀－W₅₀)

控制抽油机在f₀运行设定的时间使井下动液面达到稳态后，测得对应的冲次电耗即为基准冲次电耗给定值W_f0。以上过程即完成了抽油机井的自学习过程。自学习过程由首次开机和定时启动方式来触发。

其后间隔10分钟测一次实时冲次电耗值，与基准给定电耗比较，若偏大则升高0.5Hz频率，偏小则降低0.5Hz频率，若相当则对运行频率不作调整，实现对井下供液能力的实时跟踪控制，频率调整范围为f₀的±5Hz。频率调整时，W_f0也会跟随自动调整，以适应最小流压界限的实时波动。

2、测试过程与结果

在安装本抽油机智能控制***前，对对工频运行的油井的日耗电量、日产液量进行记录，并采用油井综合测试设备测量套压和动液面。

安装好本抽油机智能控制***后，通过自动改变抽油机冲次来对油井进行井况自学习，自动搜寻到目前最优变频器运行频率为22.5Hz，对应的冲次为1次，测到此时的冲次电耗后并跟踪井下供液能力变化自动调节冲次。在智能状态下稳定运行三天后对用同样的仪表和测量方法对油井的日耗电量、日产液量、套压和动液面进行测量记录。

根据油井数据、动液面及套压折算出井底流压，并根据日耗电量、日产液量计算出吨液耗电量。测试结果如下表所示。

工频与智能运行时油井工况测试结果比对表

3、测试结果评价

本抽油机智能控制***通过动态调整电机转速，对抽油机的倒发电工况抑制效果良好，抽油机电机不会出现发电现象，变频器不需要配置能耗制动组件或回馈单元就能可靠运行。该技术既能降低设备投入成本，又能提高电能使用效率。同时本抽油机智能控制***对电网的谐波污染比普通变频器加回馈单元大大降低。

本抽油机智能控制***通过油井生产的能耗变化规律来实现智能控制。不需要外加任何传感器，通过自身的自学习和自跟踪功能就可以对油井进行自动寻优、自适应工况的智能闭环控制，寻优准确跟踪及时，是抽油机智能化控制的一大进步，不仅降低了检测成本，也提高了***的稳定性和可靠性，油井生产保持在最佳状态。

测试结果表明，智能运行后井下油泵的充满度提高，动液面上升，油泵的沉没度改善，套压减少说明原油脱氧减少；井底流压由较低值恢复到较理想状态，同时油井日产液量升高17.7%，符合IPR产液规律；日耗电量和吨液单耗下降44.2%，节能效果显著。

综上，本抽油机智能控制***将检测、智能控制与驱动合为一体，结构简单易于维护，智能控制效果良好，增产增效降耗效果好，能抑制电机倒发电，性能价格比较以往智能变频***有大幅度提高，安装调试和维护大大简化，适合在抽油机节能和智能化改造中优选推广使用。

本抽油机智能控制***在长庆油田、胜利油田、大庆油田和延长油田的油井做过大量的试验和应用，最佳冲次的搜寻结果准确，多次搜寻的重复性好，对不同井况的油井均能很好地适应，增产节电效果明显，泵效和***效率明显提高。倒发电抑制效果好，节电效果比能耗方式提高5~10%。

Claims (3)

1.一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制***的控制方法，其中，基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制***由以抽油机专用变频器为核心的智能***和旁路***两部分组成，智能***的抽油机专用变频器输入和输出端分别连接电路断路器和接触器，旁路***包括电源断路器、接触器和热继电器，其特征是：智能***中还包括智能控制卡和直流电抗器，且智能控制卡为抽油机专用变频器的扩展卡，其硬件为单片机***，与抽油机专用变频器采用通讯方式交换数据；直流电抗器与抽油机专用变频器的直流侧相连；抽油机专用变频器的输出与旁路***通过接触器电气互锁；

前述的基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制***的控制方法是：通过抽油机专用变频器自身检测电机的瞬时功率，瞬时功率由变频器输出的每相电压瞬时值与对应相的电流瞬时值的乘积再三相相加的和求得，冲次电耗由瞬时功率的平均值与运行频率相除求得；通过智能控制卡控制变频器自学习测得的油井电机冲次电耗随冲次变化的多组数据；根据电机电耗中有效能耗和无效能耗随冲次变化的数学模型确定的最佳冲次辨识模型，求得最大产液量对应的最佳冲次；然后将测得的最佳冲次对应的电机实际电耗作为基准冲次电耗给定值，对冲次进行智能闭环控制，实时跟踪井下供液能力的变化，从而保持最佳的井底流压，使产液量最大化。

2.按照权利要求1所述的基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制***的控制方法，其特征是：智能控制卡控制抽油机专用变频器在特征频率点50Hz、特征频率点40Hz、特征频率点30Hz、特征频率点20Hz各运行设定的时间，使井下动液面达到稳态后，测得抽油机在这些特征频率点运行时的稳态冲次电耗，记为W₅₀、W₄₀、W₃₀、W₂₀，则最佳冲次对应的抽油机专用变频器运行频率f₀可由下式的最佳冲次辨识模型求取：

f₀=10×(4W₂₀－11W₃₀＋10W₄₀－3W₅₀)／(W₂₀－3W₃₀＋3W₄₀－W₅₀)

控制抽油机在f₀运行设定的时间使井下动液面达到稳态后，测得对应的冲次电耗即为基准冲次电耗给定值W_f0。

3.按照权利要求2所述的基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制***的控制方法，其特征是：在测得基准冲次电耗给定值W_f0后每间隔5-15分钟测一次实时冲次电耗值，与基准给定电耗值比较，若偏大则升高0.5-1.5Hz频率，偏小则降低0.5-1.5Hz频率，若相同则对运行频率不作调整，实现对井下供液能力的实时跟踪控制，频率调整范围为f₀的±5Hz。