CN117703322B - 游梁式抽油机节能打摆控制方法及物联智能控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明提出了游梁式抽油机节能打摆控制方法及物联智能控制***,涉及油田采油技术领域,本方法基于平均功率最小原则,通过功率曲线全过程寻找打摆位置角并判断此打摆位置角是否位于接近开关附近。当打摆位置角在接近开关附近时为最佳曲柄打摆位置角;当打摆位置角不在接近开关附近时,计算打摆位置角对应的功率P d1以及在接近开关位置处重新计算新打摆位置角,并计算新打摆位置角对应的功率P d2;比较功率P d1 、P d2,若P d1 <P d2则打摆位置角为最佳曲柄打摆位置角,若P d1 ≥P d2则新打摆位置角为最佳曲柄打摆位置角。本发明所提方法避免了因曲柄打摆产生的累计误差导致能耗增加的现象,从而达到节能效果,极大提高了单井作业效率。
Description
技术领域
本发明涉及油田采油技术领域,具体涉及游梁式抽油机节能打摆控制方法及物联智能控制***。
背景技术
游梁式抽油机俗称“磕头机”,是一种较为普遍的石油开采设备,其工作原理是通过加压的办法使石油出井。为了提高磕头机采油效率,一般采用24小时不停歇作业,当前油田开发进入中后期,地层供液能力逐渐变差,低产液量、低沉没度、低泵效、低流压井逐渐增多,若此时继续使用磕头机24小时不停歇作业将造成磕头机机械磨损大,能源消耗量大且抽油量低,此种情况下油田采取的主要手段是间抽生产,即停机一段时间,再连续工作一段时间。然而,长时间停机,油井动液面波动幅度大,不能保证在合理流压条件下生产,影响产量;同时,长时间停机容易导致卡井、启动困难、冬季冻井口等问题。
针对常规间抽井存在的问题,不停机间歇采油技术应运而生,该技术采用摇摆运行与整周运行组合的模式,使抽油机正常运行一段时间,再打摆间抽一段时间,避免了长时间停机。不停机间歇采油技术在很大程度上改善了常规间抽的不足,但是存在一些缺点:(1)打摆间抽阶段依然要消耗能量,运动部件的磨损较大;(2)变频控制器连续工作,自身有一定的电能损耗。为降低打摆间抽阶段能量的消耗问题。
发明内容
为解决以上问题,本发明提出了游梁式抽油机节能打摆控制方法,通过比较全过程寻找曲柄打摆位置角与在接近开关附近寻找曲柄打摆位置角二者的能耗最低来选择最佳曲柄打摆位置角,避免了因曲柄打摆产生的累计误差导致能耗增加的现象,从而达到节能的效果。
一种游梁式抽油机节能打摆控制方法,包括以下步骤:
步骤S1,定义抽油机驴头位于下死点,曲柄与连杆处于同一直线时为曲柄旋转的初始位置,即曲柄旋转角度为0度;曲柄旋转中心的正下方安装有接近开关用于准确反应曲柄位置和行程,定义曲柄从初始位置顺时针旋转θ度后到达接近开关位置处。
步骤S2,曲柄旋转一周360度得到n个功率~/>,每个功率/>~/>对应一个曲柄旋转角/>,曲柄旋转角/>计算公式如下:
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其中,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,π为圆周率。
步骤S3,计算曲柄打摆角度α所对应的m个功率点数:
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其中,m为曲柄打摆角度α对应的功率点数,α为曲柄打摆角度,为向下取整符号,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,π为圆周率。
步骤S4,从曲柄旋转初始位置开始,到再次到达曲柄旋转初始位置结束,依次计算m个点的平均功率,m个点的平均功率/>计算公式如下:
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其中,为m个点的平均功率,m为曲柄打摆角度α对应的功率点数,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,/>为n个功率/>~/>中的第/>个,/>。
步骤S5,比较m个点的平均功率,选择最小的平均功率/>,根据最小的平均功率/>可得到曲柄打摆角度α由打摆位置角/>构成,曲柄打摆角度α计算公式如下:
,
α为曲柄打摆角度,β为曲柄打摆角度α的打摆起始位置角,为曲柄打摆角度α的打摆结束位置角。
步骤S6,判断是否在接近开关附近,即判断集合/>是否包含于,
其中,β为曲柄打摆角度α的打摆起始位置角,为曲柄打摆角度α的打摆结束位置角,θ为曲柄从初始位置顺时针旋转到达接近开关位置时所旋转的角度;
若集合不包含于/>,进入步骤S7;
若集合包含于/>,进入步骤S14。
步骤S7,计算一组在打摆位置角的打摆功率/>,打摆功率/>计算方式如下:
打摆位置角为,即打摆范围不在接近开关附近时,随着打摆周期的增加,打摆位置角/>会因为累计误差而产生偏移,即打摆位置角变为/>,ε表示因累计误差而产生的偏移角,此时需要抽油机连抽一个周期来校准打摆位置角,定义抽油机井连抽一个周期功率为/>,即打摆功率/>。
步骤S8,计算一组在接近开关处的打摆功率;集合/>不包含于时需考虑由于曲柄本身存在一定的宽度,导致曲柄打摆角度α产生了一定的偏移,此时定义新曲柄打摆角度为/>;根据曲柄的弧长L以及曲柄半径r可计算出曲柄宽度角为/>、新曲柄打摆角度/>,曲柄宽度角/>计算公式、新曲柄打摆角度/>计算公式如下:
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其中,为曲柄宽度角,L为曲柄的弧长,r为曲柄半径,/>为新曲柄打摆角度,α为曲柄打摆角度。
步骤S9,计算新曲柄打摆角度所对应的/>个功率点,/>个功率点的计算公式如下:
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其中,为新曲柄打摆角度/>对应的功率点数,/>为新曲柄打摆角度,/>为向下取整符号,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,π为圆周率。
步骤S10,从对应的功率点/>开始到/>对应的功率点/>停止,依次计算/>个点的平均功率/>,s、x的计算公式如下:
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其中,s为对应的功率点的位置序号、x为/>对应的功率点的位置序号,新曲柄打摆角度/>,θ为曲柄从初始位置顺时针旋转到达接近开关位置时所旋转的角度,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,/>为向下取整符号,π为圆周率;
其中,平均功率的计算公式如下:
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其中,为/>个点的平均功率,/>为新曲柄打摆角度/>对应的功率点数,/>为n个功率点/>~/>中的第/>个,s为/>对应的功率点的位置序号、x为/>对应的功率点的位置序号,/>。
步骤S11,比较个点的平均功率/>,选择最小的平均功率/>,根据/>可得到新曲柄打摆角度/>由打摆位置角/>构成,新曲柄打摆角度/>计算公式如下:
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为新曲柄打摆角度,/>为新曲柄打摆角度/>的打摆起始位置角,/>为新曲柄打摆角度/>的打摆结束位置角。
步骤S12,打摆位置角为,即打摆范围在接近开关附近,此时打摆位置角不会随打摆周期产生累计误差,即ε为零度,此时打摆功率为/>。
步骤S13,比较打摆位置角不在接近开关附近打摆功率与打摆位置角在接近开关附近打摆功率/>,若/>,则打摆位置角不在接近开关附近,即打摆位置角为,此时打摆功率最低,最低打摆功率为/>;若/>,则打摆位置角在接近开关附近,即打摆位置角为/>,此时打摆功率最低,最低打摆功率为/>;若/>,则考虑相对安全性打摆位置角在接近开关附近,即打摆位置角为/>,此时打摆功率最低,最低打摆功率为/>。
步骤S14,若集合包含于/>,则打摆位置角为/>,此时打摆功率最低,且最低打摆功率/>为/>。
一种抽油机专用物联智能控制***,用于上述的游梁式抽油机节能打摆控制方法,抽油机专用物联智能控制***包括:4G模块、物联网WiFi模块、485扩展盒、油井专用控制器、触摸屏、变频器;4G模块与物联网WiFi模块相连,物联网WiFi模块与485扩展盒、油井专用控制器分别相连,485扩展盒与变频器、触摸屏分别相连,油井专用控制器与触摸屏相连。
其中4G模块与物联网WiFi模块通讯方式包括WiFi通讯或4G通讯;物联网WiFi模块与485扩展盒,物联网WiFi模块与油井专用控制器,485扩展盒与变频器,485扩展盒与触摸屏,油井专用控制器与触摸屏之间的通讯方式为MODBUS通讯。
本发明的技术效果在于:
1.抽油机打摆角度和位置安全;
2.抽油机打摆损耗的能量低;
3.寻找打摆位置方法简单、成本低。
附图说明
图1为本发明提供的抽油机示意图;
图2为本发明提供的抽油机曲柄在接近开关处打摆角度示意图;
图3为本发明提供的抽油机曲柄不在接近开关处打摆角度示意图;
图4为本发明提供的抽油机专用物联智能控制***示意图。
具体实施方式
以下所述仅是本发明的优选实施方式。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
图1为本发明提供的抽油机示意图,如图1所示,此时抽油机驴头位于下死点,曲柄2与连杆1处于同一直线,曲柄2旋转位于初始位置,即曲柄2旋转角度为0度;抽油机井的六点钟处安装有接近开关3。
图2为本发明提供的抽油机曲柄在接近开关处打摆角度示意图,图3为本发明提供的抽油机曲柄不在接近开关处打摆角度示意图,如图2、图3所示,抽油机来回打摆,且抽油机的打摆角度可以根据以下控制方法确定。
游梁式抽油机节能打摆控制方法包括以下步骤:
步骤S1,定义抽油机驴头位于下死点,曲柄与连杆处于同一直线时为曲柄旋转的初始位置,即曲柄旋转角度为0度;曲柄旋转中心的正下方安装有接近开关用于准确反应曲柄位置和行程,定义曲柄从初始位置顺时针旋转θ度后到达接近开关位置处。
步骤S2,曲柄旋转一周360度得到n个功率~/>,每个功率/>~/>对应一个曲柄旋转角/>,曲柄旋转角/>计算公式如下:
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其中,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,π为圆周率。
步骤S3,计算曲柄打摆角度α所对应的m个功率点数:
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其中,m为曲柄打摆角度α对应的功率点数,α为曲柄打摆角度,为向下取整符号,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,π为圆周率。
步骤S4,从曲柄旋转初始位置开始,到再次到达曲柄旋转初始位置结束,依次计算m个点的平均功率,m个点的平均功率/>计算公式如下:
,
其中,为m个点的平均功率,m为曲柄打摆角度α对应的功率点数,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,/>为n个功率/>~/>中的第/>个,/>。
步骤S5,比较m个点的平均功率,选择最小的平均功率/>,根据最小的平均功率/>可得到曲柄打摆角度α由打摆位置角/>构成,曲柄打摆角度α计算公式如下:
,
α为曲柄打摆角度,β为曲柄打摆角度α的打摆起始位置角,为曲柄打摆角度α的打摆结束位置角。
步骤S6,判断是否在接近开关附近,即判断集合/>是否包含于,
其中,β为曲柄打摆角度α的打摆起始位置角,为曲柄打摆角度α的打摆结束位置角,θ为曲柄从初始位置顺时针旋转到达接近开关位置时所旋转的角度;
若集合不包含于/>,进入步骤S7;
若集合包含于/>,进入步骤S14。
步骤S7,计算一组在打摆位置角的打摆功率/>,打摆功率/>计算方式如下:
打摆位置角为,即打摆范围不在接近开关附近时,随着打摆周期的增加,打摆位置角/>会因为累计误差而产生偏移,即打摆位置角变为/>,ε表示因累计误差而产生的偏移角,此时需要抽油机连抽一个周期来校准打摆位置角,定义抽油机井连抽一个周期功率为/>,即打摆功率/>。
步骤S8,计算一组在接近开关处的打摆功率;集合/>不包含于时需考虑由于曲柄本身存在一定的宽度,导致曲柄打摆角度α产生了一定的偏移,此时定义新曲柄打摆角度为/>;根据曲柄的弧长L以及曲柄半径r可计算出曲柄宽度角为/>、新曲柄打摆角度/>,曲柄宽度角/>计算公式、新曲柄打摆角度/>计算公式如下:
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其中,为曲柄宽度角,L为曲柄的弧长,r为曲柄半径,/>为新曲柄打摆角度,α为曲柄打摆角度。
步骤S9,计算新曲柄打摆角度所对应的/>个功率点,/>个功率点的计算公式如下:
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其中,为新曲柄打摆角度/>对应的功率点数,/>为新曲柄打摆角度,/>为向下取整符号,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,π为圆周率。
步骤S10,从对应的功率点/>开始到/>对应的功率点/>停止,依次计算/>个点的平均功率/>,s、x的计算公式如下:
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其中,s为对应的功率点的位置序号、x为/>对应的功率点的位置序号,新曲柄打摆角度/>,θ为曲柄从初始位置顺时针旋转到达接近开关位置时所旋转的角度,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,/>为向下取整符号,π为圆周率;
其中,平均功率的计算公式如下:
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其中,为/>个点的平均功率,/>为新曲柄打摆角度/>对应的功率点数,/>为n个功率点/>~/>中的第/>个,s为/>对应的功率点的位置序号、x为/>对应的功率点的位置序号,/>。
步骤S11,比较个点的平均功率/>,选择最小的平均功率/>,根据/>可得到新曲柄打摆角度/>由打摆位置角/>构成,新曲柄打摆角度/>计算公式如下:
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步骤S12,打摆位置角为,即打摆范围在接近开关附近,此时打摆位置角不会随打摆周期产生累计误差,即ε为零度,此时打摆功率为/>。
步骤S13,比较打摆位置角不在接近开关附近打摆功率与打摆位置角在接近开关附近打摆功率/>,若/>,则打摆位置角不在接近开关附近,即打摆位置角为,此时打摆功率最低,最低打摆功率为/>;若/>,则打摆位置角在接近开关附近,即打摆位置角为/>,此时打摆功率最低,最低打摆功率为/>;若/>,则考虑相对安全性打摆位置角在接近开关附近,即打摆位置角为/>,此时打摆功率最低,最低打摆功率为/>。
步骤S14,若集合包含于/>,则打摆位置角为/>,此时打摆功率最低,且最低打摆功率/>为/>。
图4为本发明提供的抽油机专用物联智能控制***示意图,如图4所示,一种抽油机专用物联智能控制***,用于实施上述的游梁式抽油机节能打摆控制方法,包括:4G模块、物联网WiFi模块、485扩展盒、油井专用控制器、触摸屏、变频器;4G模块与物联网WiFi模块相连,物联网WiFi模块与所述485扩展盒、油井专用控制器分别相连,485扩展盒与变频器、触摸屏分别相连,油井专用控制器与触摸屏相连。
其中4G模块与所述物联网WiFi模块通讯方式包括WiFi通讯或4G通讯;物联网WiFi模块与485扩展盒,物联网WiFi模块与油井专用控制器, 485扩展盒与变频器,485扩展盒与触摸屏,油井专用控制器与触摸屏之间的通讯方式包括但不局限于MODBUS通讯。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述,但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内,本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (2)
1.一种游梁式抽油机节能打摆控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1,定义抽油机驴头位于下死点,曲柄与连杆处于同一直线时为曲柄旋转的初始位置,即曲柄旋转角度为0度;曲柄旋转中心的正下方安装有接近开关用于准确反应曲柄位置和行程,定义曲柄从初始位置顺时针旋转θ度后到达接近开关位置处;
步骤S2,曲柄旋转一周360度得到n个功率~/>,每个功率/>~/>对应一个曲柄旋转角,曲柄旋转角/>计算公式如下:
,
其中,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,π为圆周率;
步骤S3,计算曲柄打摆角度α所对应的m个功率点数:
,
其中,m为曲柄打摆角度α对应的功率点数,α为曲柄打摆角度,为向下取整符号,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,π为圆周率;
步骤S4,从曲柄旋转初始位置开始,到再次到达曲柄旋转初始位置结束,依次计算m个点的平均功率,m个点的平均功率/>计算公式如下:
,
其中,为m个点的平均功率,m为曲柄打摆角度α对应的功率点数,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,/>为n个功率/>~/>中的第/>个,/>;
步骤S5,比较m个点的平均功率,选择最小的平均功率/>,根据最小的平均功率可得到曲柄打摆角度α由打摆位置角/>构成,曲柄打摆角度α计算公式如下:
,
α为曲柄打摆角度,β为曲柄打摆角度α的打摆起始位置角,为曲柄打摆角度α的打摆结束位置角;
步骤S6,判断是否在接近开关附近,即判断集合/>是否包含于,
其中,β为曲柄打摆角度α的打摆起始位置角,为曲柄打摆角度α的打摆结束位置角,θ为曲柄从初始位置顺时针旋转到达接近开关位置时所旋转的角度;
若集合不包含于/>,进入步骤S7;
若集合包含于/>,进入步骤S14;
步骤S7,计算一组在打摆位置角的打摆功率/>,打摆功率/>计算方式如下:
打摆位置角为,即打摆范围不在接近开关附近时,随着打摆周期的增加,打摆位置角/>会因为累计误差而产生偏移,即打摆位置角变为/>,ε表示因累计误差而产生的偏移角,此时需要抽油机连抽一个周期来校准打摆位置角,定义抽油机井连抽一个周期功率为/>,即打摆功率/>;
步骤S8,计算一组在接近开关处的打摆功率;集合/>不包含于/>时需考虑由于曲柄本身存在一定的宽度,导致曲柄打摆角度α产生了一定的偏移,此时定义新曲柄打摆角度为/>;根据曲柄的弧长L以及曲柄半径r可计算出曲柄宽度角为/>、新曲柄打摆角度/>,曲柄宽度角/>计算公式、新曲柄打摆角度/>计算公式如下:
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步骤S9,计算新曲柄打摆角度所对应的/>个功率点,/>个功率点的计算公式如下:
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其中,为新曲柄打摆角度/>对应的功率点数,/>为新曲柄打摆角度,/>为向下取整符号,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,π为圆周率;
步骤S10,从对应的功率点/>开始到/>对应的功率点/>停止,依次计算个点的平均功率/>,s、x的计算公式如下:
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其中,s为对应的功率点的位置序号、x为/>对应的功率点的位置序号,新曲柄打摆角度/>,θ为曲柄从初始位置顺时针旋转到达接近开关位置时所旋转的角度,n为曲柄旋转一周得到的功率点数,/>为向下取整符号,π为圆周率;
其中,平均功率的计算公式如下:
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其中,为/>个点的平均功率,/>为新曲柄打摆角度/>对应的功率点数,/>为n个功率点/>~/>中的第/>个,s为/>对应的功率点的位置序号、x为/>对应的功率点的位置序号,/>;
步骤S11,比较个点的平均功率/>,选择最小的平均功率/>,根据/>可得到新曲柄打摆角度/>由打摆位置角/>构成,新曲柄打摆角度/>计算公式如下:
,
为新曲柄打摆角度,/>为新曲柄打摆角度/>的打摆起始位置角,/>为新曲柄打摆角度/>的打摆结束位置角;
步骤S12,打摆位置角为,即打摆范围在接近开关附近,此时打摆位置角不会随打摆周期产生累计误差,即ε为零度,此时打摆功率为/>;
步骤S13,比较打摆位置角不在接近开关附近打摆功率与打摆位置角在接近开关附近打摆功率/>,若/>,则打摆位置角不在接近开关附近,即打摆位置角为/>,此时打摆功率最低,最低打摆功率为/>;若/>,则打摆位置角在接近开关附近,即打摆位置角为/>,此时打摆功率最低,最低打摆功率为/>;若/>,则考虑相对安全性打摆位置角在接近开关附近,即打摆位置角为/>,此时打摆功率最低,最低打摆功率为/>;
步骤S14,若集合包含于/>,则打摆位置角为/>,此时打摆功率最低,且最低打摆功率/>为/>。
2.一种抽油机专用物联智能控制***,用于实施权利要求1所述的游梁式抽油机节能打摆控制方法,其特征在于,所述抽油机专用物联智能控制***包括:4G模块、物联网WiFi模块、485扩展盒、油井专用控制器、触摸屏、变频器;所述4G模块与所述物联网WiFi模块相连,所述物联网WiFi模块与所述485扩展盒、所述油井专用控制器分别相连,所述485扩展盒与所述变频器、所述触摸屏分别相连,所述油井专用控制器与所述触摸屏相连;
其中所述4G模块与所述物联网WiFi模块通讯方式包括WiFi通讯或4G通讯;所述物联网WiFi模块与所述485扩展盒,所述物联网WiFi模块与所述油井专用控制器,所述485扩展盒与所述变频器,所述485扩展盒与所述触摸屏,所述油井专用控制器与所述触摸屏之间的通讯方式为MODBUS通讯。
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