一種基于最佳沖次辨識的抽油機智能控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種基于最佳沖次辨識的抽油機智能控制系統(tǒng)及方法。由抽油機專用變頻器、直流電抗器和智能控制卡組成的智能系統(tǒng)和旁路系統(tǒng)兩部分。智能系統(tǒng)通過變頻器的電流和電壓檢測回路檢測電機的瞬時電壓和瞬時電流，計算出電機的瞬時功率（含負功率），以通訊方式將瞬時功率傳送至智能控制卡。智能控制卡對瞬時功率作數據處理，得到抽油機的沖次電耗量。檢測到抽油機在不同沖次下的沖次電耗，通過基于產液量最大化的最佳沖次辨識數學模型計算出最佳沖次及對應的沖次電耗，完成對油井工況的自學習。智能控制卡控制變頻器在最佳沖次對應的頻率運行，實時檢測的到沖次電耗的變化情況對抽油機進行閉環(huán)控制，跟蹤井下的供液情況，實現供采平衡、增產增效、節(jié)能降耗。
【專利說明】一種基于最佳沖次辨識的抽油機智能控制系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及采油控制【技術領域】，具體涉及基于最佳沖次辨識的抽油機智能控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的油井流入理論認為，井底流壓越低，生產壓差越大，則油井產液量越大。所以一般油井的下泵到射孔上部，甚至中段，導致動液面低、流壓低、泵充滿度低，影響泵效、產液量和采收率。國內外大量的實踐和研究表明，當流壓降低至飽和壓力以下時，氣體會從原油中分離出來，形成油氣相混合液或油氣水相混合液，使液相流動能力降低，地層滲透阻力增加。當流壓低于飽和壓力并逐漸降低時，產液量從升高變緩到出現最大值拐點，然后逐漸降低。產液量最大點對應的流壓是油井流壓的最小流壓界限。油井在最小流壓界限以下生產時，電耗會增加，產液量會下降。
[0003]油田的采油現狀是大量的采油井在比最小流壓界限更低的流壓下工作，泵效和系統(tǒng)效率低下，影響產液量和采收率，氣油比高，結碏和出砂嚴重。解決方案主要有兩點:一、調整下泵深度，控制流壓在合理的范圍內；二、調節(jié)抽汲參數，控制流壓在最佳值，提高泵充滿度和泵效，達到供采平衡。
[0004]有桿泵沖程、泵徑和下泵深度確定后，沖次是決定泵排液能力的關鍵參數。油層壓力穩(wěn)定時，沖次越高，則動液面越低、泵充滿度越低、井底流壓越低、電耗越高。而產液量與井底流壓存在函數關系，即IPR曲線，井底流壓存在最佳值使產液量最大。井底流壓的最佳值與油層壓力、油水比例及油的飽和壓力等諸多因素相關，具有時變性。抽油機的智能控制即是通過感知井下工況，確定最佳沖次與之相適應，并跟蹤井下工況的變化自動調節(jié)沖次，使油井始終處于最佳沖次下工作，達到供排平衡和產液量最大化的目的。
[0005]由于產液量的實時檢測成本高、準確性極差，目前的抽油機的控制主要基于功圖的檢測和動液面的檢測，以實現恒泵充滿度的控制和恒動液面的控制。由于泵充滿度及動液面與產液量不存在確定的關系，所以只能憑經驗，控制效果差，對不同油井的適應性也差，同時受傳感器成本和穩(wěn)定性的影響，這一方面的技術一直未能大面積推廣應用。這樣的控制只能叫閉環(huán)控制，而非智能控制。
[0006]基于電機能耗的控制方案由于檢測成本低，穩(wěn)定性好，是近年研究的新方向。由于影響電機能耗的因素非常多，包括提升液體的有效能耗和電機損耗、機械傳動損耗、摩擦損耗、抽油桿形變損耗、液體漏失損耗等無效能耗，普遍認為建立油井產液量與電機能耗之間的定量關系是不可能的，所以大多數的研究都沒有深入下去。
[0007]變頻器在抽油機上的應用中，由于存在倒發(fā)電現象，而變頻器本自無法貯存和釋放這部分能量，會導致直流側過電壓故障。傳統(tǒng)的解決方法有三種:一是采用能耗制動的方法，將倒發(fā)電的能量用電阻消耗掉，這種方式成本相對較低，但浪費電能；二是回饋方式，通過回饋單元或四象限變頻器的可控整流橋將電能回饋電網，這種方式成本很高，對電網的諧波影響也更嚴重，不適合推廣應用；三是采用共直流母線方式，將能量傳遞給其它負載使用，這種方式成本低，也節(jié)能，但在大多場合使用有局限性。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明是針對現有技術存在的問題，提供一種基于最佳沖次辨識的抽油機智能控制系統(tǒng)及方法，通過檢測電機的瞬時功率計算出抽油機的沖次電耗，并首次提出最大產液沖次的電耗變化判斷準則，采用軟件控制技術和變頻控制技術實現抽油機的智能抽油控制，達到增產增效和節(jié)能降耗的目的。
[0009]本發(fā)明的技術方案
[0010]一種基于最佳沖次辨識的抽油機智能控制系統(tǒng)，由以抽油機專用變頻器為核心的智能系統(tǒng)和旁路系統(tǒng)兩部分組成，智能系統(tǒng)的抽油機專用變頻器輸入和輸出端分別連接電路斷路器和接觸器，旁路系統(tǒng)包括電源斷路器、接觸器和熱繼電器，其中:智能系統(tǒng)中還包括智能控制卡和直流電抗器，且智能控制卡為抽油機專用變頻器的擴展卡，其硬件為單片機系統(tǒng)，與抽油機專用變頻器采用通訊方式交換數據；直流電抗器與抽油機專用變頻器的直流側相連；抽油機專用變頻器的輸出與旁路系統(tǒng)通過接觸器電氣互鎖。
[0011]按照前述基于最佳沖次辨識的抽油機智能控制系統(tǒng)的控制方法是:通過抽油機專用變頻器自身檢測電機的瞬時功率，瞬時功率由變頻器輸出的每相電壓瞬時值與對應相的電流瞬時值的乘積再三相相加的和求得，沖次能耗由瞬時功率的平均值與運行頻率相除求得；通過智能控制卡控制變頻器自學習測得的油井電機沖次電耗隨沖次變化的多組數據；根據電機電耗中有效能耗和無效能耗隨沖次變化的數學模型確定的最佳沖次辨識模型，求得最大產液量對應的最佳沖次；然后測得最佳沖次對應的電機實際電耗作為基準電耗給定值，對沖次進行智能閉環(huán)控制，實時跟蹤井下供液能力的變化，從而保持最佳的井底流壓，使產液量最大化。由于油井工況的時變性，智能系統(tǒng)對井況的自學習會定時進行，以適應井況的變化。
[0012]上述基于最佳沖次辨識的抽油機智能控制系統(tǒng)的控制方法進一步包括:
[0013]智能控制卡控制抽油機專用變頻器在50Hz、40Hz、30Hz、20Hz各運行設定的時間，使井下動液面達到穩(wěn)態(tài)后，測得抽油機在這些特征頻率點運行時的穩(wěn)態(tài)沖次電耗，記為W5(l、W40> W30> W20,則最佳沖次對應的抽油機專用變頻器運行頻率L可由下式的最佳沖次辨識模型求取:
[0014]f0=10X (4ff20 — Ilff30 + IOff40 — 3ff50) / (W20 — 3W30 + 3ff40 — W50)
[0015]控制抽油機在&運行設定的時間使井下動液面達到穩(wěn)態(tài)后，測得對應的沖次電耗即為基準沖次電耗給定值Wftl。
[0016]在測得基準沖次電耗給定值Wftl后每間隔5-15分鐘測一次實時沖次電耗值，與基準給定電耗比較，若偏大則升高0.5-1.5Hz頻率，偏小則降低0.5-1.5Hz頻率，若相當則對運行頻率不作調整，實現對井下供液能力的實時跟蹤控制，頻率調整范圍為fo的±5Hz。
[0017]本發(fā)明的系統(tǒng)是在通用變頻器中植入智能控制軟件，不需要外加任何井上和井下傳感器，也不需要輸入抽油機和油井的任何原始數據，即可完成對抽油機的自適應智能控制。應用本技術使抽油機的智能控制系統(tǒng)成本低廉、穩(wěn)定可靠，增產增效和節(jié)能降耗效果顯著提高，解決了油井智能控制的核心難題，有非常好的推廣應用價值。本發(fā)明的方法核心是通過對抽油機采油系統(tǒng)的各部分能耗建模并進行數學分析后，發(fā)現了最佳沖次的判斷準貝U。最佳沖次與油井流入方程曲線(IPR曲線)的最小流壓界限相對應，從而實現了最大產液量的控制。
[0018]另外本發(fā)明的抽油機專用變頻器內置特有的直流過電壓調節(jié)器控制軟件技術，使變頻器有跟蹤電機轉速運行的功能，能有效抑制抽油機的倒發(fā)電現象，無需制動和回饋組件即可保證變頻器正常運行，使智能系統(tǒng)的成本與采用能耗制動或回饋制動相比進一步下降，節(jié)電效果與采用制動電阻方式相比明顯提高，系統(tǒng)結構進一步簡化，可靠性進一步提聞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]附圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)部分結構簡圖；
[0020]附圖2是本發(fā)明方法部分的控制流程圖。
[0021]圖中，1-三相電源，2-變頻器電源斷路器，3-旁路電源斷路器，4-抽油機專用變頻器，5智能控制卡，6-變頻器輸出接觸器，7-變頻器直流電抗器，8-接地，9-旁路接觸器，10-旁路熱繼電器,11-電機輸出，12 -電動機。
具體實施例
[0022]下面通過 申請人:于2013年8月在勝利油田孤東采油廠一礦一隊的G04_10_20號抽油機井上進行安裝試驗的實施例進一步加以說明。
[0023]1、原始井況
[0024]G04-10-20號抽油機井配游梁式抽油機，電機為18.5/1 IKff雙速雙功率三相異步電動機，額定電壓380V。抽油機沖次2.2次/分，沖程3米，泵徑44mm，泵掛1247m，吸入口深度1267.36m，油層中深1324m。抽油機沖次已經調整到最小值，無下調空間。動液面低，油泵充滿度低。井底流壓低，原油脫氣嚴重，流動性差。油井日產液量低，噸液單耗高。
[0025]結合附圖1，該實施例采用的是22KW抽油機專用智能變頻器(型號為V560-4T0220)、配置智能控制卡(型號為APV-F301)和直流電抗器(型號為DCL-0050)。是由以抽油機專用變頻器為核心的智能系統(tǒng)和旁路系統(tǒng)兩部分組成。智能系統(tǒng)包括抽油機專用變頻器4智能控制卡5和直流電抗器7，智能系統(tǒng)的抽油機專用變頻器4輸入和輸出端分別連接電路斷路器2和接觸器6，旁路系統(tǒng)包括電源斷路器3、接觸器9和熱繼電器10。其中:且智能控制卡5為抽油機專用變頻器的擴展卡，其硬件為單片機系統(tǒng)，與抽油機專用變頻器采用通訊方式交換數據，無I/O接口 ；直流電抗器7與抽油機專用變頻器的直流側相連。抽油機專用變頻器的輸出與旁路系統(tǒng)通過接觸器(6和9)電氣互鎖，旁路系統(tǒng)中的熱繼電器10用于旁路運行時保護電機，智能系統(tǒng)和旁路系統(tǒng)均有電源斷路器2和3。
[0026]參照附圖2，按照前述基于最佳沖次辨識的抽油機智能控制系統(tǒng)的控制方法是:通過抽油機專用變頻器4自身檢測電機的瞬時功率，瞬時功率由變頻器輸出的每相電壓瞬時值與對應相的電流瞬時值的乘積再三相相加的和求得，沖次能耗由瞬時功率的平均值與運行頻率相除求得。通過智能控制卡5控制變頻器4自學習測得的油井電機沖次電耗隨沖次變化的多組數據。并根據電機電耗中有效能耗和無效能耗隨沖次變化的數學模型確定的最佳沖次辨識模型，求得最大產液量對應的最佳沖次。然后測得最佳沖次對應的電機實際電耗作為基準電耗給定值，對沖次進行智能閉環(huán)控制，實時跟蹤井下供液能力的變化，從而保持最佳的井底流壓，使產液量最大化。由于油井工況的時變性，智能系統(tǒng)對井況的自學習會定時進行，以適應井況的變化。
[0027]該方法的核心是通過對抽油機采油系統(tǒng)的各部分能耗建模并進行數學分析后，發(fā)現了最佳沖次的判斷準則。最佳沖次與油井流入方程曲線(IPR曲線)的最小流壓界限相對應，從而實現了最大產液量的控制。
[0028]智能控制卡5控制抽油機專用變頻器4在50Hz、40Hz、30Hz、20Hz各運行設定的時間，使井下動液面達到穩(wěn)態(tài)后，測得抽油機在這些特征頻率點運行時的穩(wěn)態(tài)沖次電耗，記為W5tl、W4tl、W3tl、W2tl。則最佳沖次對應的變頻器運行頻率&可由下式的最佳沖次辨識模型求取:
[0029]f0=10X (4ff20 — Ilff30 + IOff40 — 3ff50) / (W20 — 3W30 + 3ff40 — W50)
[0030]控制抽油機在&運行設定的時間使井下動液面達到穩(wěn)態(tài)后，測得對應的沖次電耗即為基準沖次電耗給定值wf(l。以上過程即完成了抽油機井的自學習過程。自學習過程由首次開機和定時啟動方式來觸發(fā)。
[0031]其后間隔10分鐘測一次實時沖次電耗值，與基準給定電耗比較，若偏大則升高
0.5Hz頻率，偏小則降低0.5Hz頻率，若相當則對運行頻率不作調整，實現對井下供液能力的實時跟蹤控制，頻率調整范圍為fo的±5HZ。頻率調整時，Wftl也會跟隨自動調整，以適應最小流壓界限的實時波動。
[0032]2、測試過程與結果
[0033]在安裝本抽油機智能控制系統(tǒng)前，對對工頻運行的油井的日耗電量、日產液量進行記錄，并采用油井綜合測試設備測量套壓和動液面。
[0034]安裝好本抽油機智能控制系統(tǒng)后，通過自動改變抽油機沖次來對油井進行井況自學習，自動搜尋到目前最優(yōu)變頻器運行頻率為22.5Hz，對應的沖次為I次，測到此時的沖次電耗后并跟蹤井下供液能力變化自動調節(jié)沖次。在智能狀態(tài)下穩(wěn)定運行三天后對用同樣的儀表和測量方法對油井的日耗電量、日產液量、套壓和動液面進行測量記錄。
[0035]根據油井數據、動液面及套壓折算出井底流壓，并根據日耗電量、日產液量計算出噸液耗電量。測試結果如下表所示。
[0036]工頻與智能運行時油井工況測試結果比對表
[0037]
【權利要求】
1.一種基于最佳沖次辨識的抽油機智能控制系統(tǒng)，由以抽油機專用變頻器為核心的智能系統(tǒng)和旁路系統(tǒng)兩部分組成，智能系統(tǒng)的抽油機專用變頻器輸入和輸出端分別連接電路斷路器和接觸器，旁路系統(tǒng)包括電源斷路器、接觸器和熱繼電器，其特征是:智能系統(tǒng)中還包括智能控制卡和直流電抗器，且智能控制卡為抽油機專用變頻器的擴展卡，其硬件為單片機系統(tǒng)，與抽油機專用變頻器采用通訊方式交換數據；直流電抗器與抽油機專用變頻器的直流側相連；抽油機專用變頻器的輸出與旁路系統(tǒng)通過接觸器電氣互鎖。
2.按照權利要求書I所述基于最佳沖次辨識的抽油機智能控制系統(tǒng)的控制方法，其特征是:通過抽油機專用變頻器自身檢測電機的瞬時功率，瞬時功率由變頻器輸出的每相電壓瞬時值與對應相的電流瞬時值的乘積再三相相加的和求得，沖次能耗由瞬時功率的平均值與運行頻率相除求得；通過智能控制卡控制變頻器自學習測得的油井電機沖次電耗隨沖次變化的多組數據；根據電機電耗中有效能耗和無效能耗隨沖次變化的數學模型確定的最佳沖次辨識模型，求得最大產液量對應的最佳沖次；然后測得最佳沖次對應的電機實際電耗作為基準電耗給定值，對沖次進行智能閉環(huán)控制，實時跟蹤井下供液能力的變化，從而保持最佳的井底流壓，使產液量最大化。
3.按照權利要求書2所述基于最佳沖次辨識的抽油機智能控制系統(tǒng)的控制方法，其特征是:智能控制卡控制抽油機專用變頻器在50Hz、40Hz、30Hz、20Hz各運行設定的時間，使井下動液面達到穩(wěn)態(tài)后，測得抽油機在這些特征頻率點運行時的穩(wěn)態(tài)沖次電耗，記為W5(l、W40> W30> W20,則最佳沖次對應的抽油機專用變頻器運行頻率L可由下式的最佳沖次辨識模型求取:
f0=10X (4 W20-1l W30 + 10 W40 — 3 W50) / (W20 — 3 W30十 3 W40 — W50) 控制抽油機在f0運行設定的時間使井下動液面達到穩(wěn)態(tài)后，測得對應的沖次電耗即為基準沖次電耗給定值Wf0。
4.按照權利要求書3所述基于最佳沖次辨識的抽油機智能控制系統(tǒng)的控制方法，其特征是:在測得基準沖次電耗給定值Wftl后每間隔5-15分鐘測一次實時沖次電耗值，與基準給定電耗比較，若偏大則升高0.5-1.5Hz頻率，偏小則降低0.5-1.5Hz頻率，若相當則對運行頻率不作調整，實現對井下供液能力的實時跟蹤控制，頻率調整范圍為f0的±5Hz。
【文檔編號】E21B43/00GK103885367SQ201410129431
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權日:2014年4月1日
【發(fā)明者】張春波, 張寶軍, 張吉波 申請人:東營東日電氣有限公司