一種基于最佳沖次辨識(shí)的抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于最佳沖次辨識(shí)的抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)。由以抽油機(jī)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(jī)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(jī)專用變頻器的擴(kuò)展卡，其硬件為單片機(jī)系統(tǒng)，與抽油機(jī)專用變頻器采用通訊方式交換數(shù)據(jù)；直流電抗器與抽油機(jī)專用變頻器的直流側(cè)相連；抽油機(jī)專用變頻器的輸出與旁路系統(tǒng)通過(guò)接觸器電氣互鎖。智能控制卡控制變頻器在最佳沖次對(duì)應(yīng)的頻率運(yùn)行，實(shí)時(shí)檢測(cè)的到?jīng)_次電耗的變化情況對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，跟蹤井下的供液情況，實(shí)現(xiàn)供采平衡、增產(chǎn)增效、節(jié)能降耗。
【專利說(shuō)明】一種基于最佳沖次辨識(shí)的抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及采油控制系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及基于最佳沖次辨識(shí)的抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的油井流入理論認(rèn)為，井底流壓越低，生產(chǎn)壓差越大，則油井產(chǎn)液量越大。所以一般油井的下泵到射孔上部，甚至中段，導(dǎo)致動(dòng)液面低、流壓低、泵充滿度低，影響泵效、產(chǎn)液量和采收率。國(guó)內(nèi)外大量的實(shí)踐和研究表明，當(dāng)流壓降低至飽和壓力以下時(shí)，氣體會(huì)從原油中分離出來(lái)，形成油氣相混合液或油氣水相混合液，使液相流動(dòng)能力降低，地層滲透阻力增加。當(dāng)流壓低于飽和壓力并逐漸降低時(shí)，產(chǎn)液量從升高變緩到出現(xiàn)最大值拐點(diǎn)，然后逐漸降低。產(chǎn)液量最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(chǎn)時(shí)，電耗會(huì)增加，產(chǎn)液量會(huì)下降。
[0003]油田的采油現(xiàn)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(chǎn)液量和采收率，氣油比高，結(jié)碏和出砂嚴(yán)重。解決方案主要有兩點(diǎn):一、調(diào)整下泵深度，控制流壓在合理的范圍內(nèi)；二、調(diào)節(jié)抽汲參數(shù)，控制流壓在最佳值，提高泵充滿度和泵效，達(dá)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(guān)鍵參數(shù)。油層壓力穩(wěn)定時(shí)，沖次越高，則動(dòng)液面越低、泵充滿度越低、井底流壓越低、電耗越高。而產(chǎn)液量與井底流壓存在函數(shù)關(guān)系，即IPR曲線，井底流壓存在最佳值使產(chǎn)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(guān)，具有時(shí)變性。抽油機(jī)的智能控制即是通過(guò)感知井下工況，確定最佳沖次與之相適應(yīng)，并跟蹤井下工況的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)沖次，使油井始終處于最佳沖次下工作，達(dá)到供排平衡和產(chǎn)液量最大化的目的。
[0005]由于產(chǎn)液量的實(shí)時(shí)檢測(cè)成本高、準(zhǔn)確性極差，目前的抽油機(jī)的控制主要基于功圖的檢測(cè)和動(dòng)液面的檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)恒泵充滿度的控制和恒動(dòng)液面的控制。由于泵充滿度及動(dòng)液面與產(chǎn)液量不存在確定的關(guān)系，所以只能憑經(jīng)驗(yàn)，控制效果差，對(duì)不同油井的適應(yīng)性也差，同時(shí)受傳感器成本和穩(wěn)定性的影響，這一方面的技術(shù)一直未能大面積推廣應(yīng)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(jī)能耗的控制方案由于檢測(cè)成本低，穩(wěn)定性好，是近年研究的新方向。由于影響電機(jī)能耗的因素非常多，包括提升液體的有效能耗和電機(jī)損耗、機(jī)械傳動(dòng)損耗、摩擦損耗、抽油桿形變損耗、液體漏失損耗等無(wú)效能耗，普遍認(rèn)為建立油井產(chǎn)液量與電機(jī)能耗之間的定量關(guān)系是不可能的，所以大多數(shù)的研究都沒(méi)有深入下去。
[0007]變頻器在抽油機(jī)上的應(yīng)用中，由于存在倒發(fā)電現(xiàn)象，而變頻器本自無(wú)法貯存和釋放這部分能量，會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)過(guò)電壓故障。傳統(tǒng)的解決方法有三種:一是采用能耗制動(dòng)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(duì)較低，但浪費(fèi)電能；二是回饋方式，通過(guò)回饋單元或四象限變頻器的可控整流橋?qū)㈦娔芑仞侂娋W(wǎng)，這種方式成本很高，對(duì)電網(wǎng)的諧波影響也更嚴(yán)重，不適合推廣應(yīng)用；三是采用共直流母線方式，將能量傳遞給其它負(fù)載使用，這種方式成本低，也節(jié)能，但在大多場(chǎng)合使用有局限性。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]本實(shí)用新型是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種基于最佳沖次辨識(shí)的抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的瞬時(shí)功率計(jì)算出抽油機(jī)的沖次電耗，并首次提出最大產(chǎn)液沖次的電耗變化判斷準(zhǔn)則，采用軟件控制技術(shù)和變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的智能抽油控制，達(dá)到增產(chǎn)增效和節(jié)能降耗的目的。
[0009]本實(shí)用新型的技術(shù)方案
[0010]一種基于最佳沖次辨識(shí)的抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)，由以抽油機(jī)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(jī)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(jī)專用變頻器的擴(kuò)展卡，其硬件為單片機(jī)系統(tǒng)，與抽油機(jī)專用變頻器采用通訊方式交換數(shù)據(jù)；直流電抗器與抽油機(jī)專用變頻器的直流側(cè)相連；抽油機(jī)專用變頻器的輸出與旁路系統(tǒng)通過(guò)接觸器電氣互鎖。
[0011]本實(shí)用新型的系統(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(jī)和油井的任何原始數(shù)據(jù)，即可完成對(duì)抽油機(jī)的自適應(yīng)智能控制。應(yīng)用本技術(shù)使抽油機(jī)的智能控制系統(tǒng)成本低廉、穩(wěn)定可靠，增產(chǎn)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(yīng)用價(jià)值。
[0012]另外本實(shí)用新型的抽油機(jī)專用變頻器內(nèi)置特有的直流過(guò)電壓調(diào)節(jié)器控制軟件技術(shù)，使變頻器有跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行的功能，能有效抑制抽油機(jī)的倒發(fā)電現(xiàn)象，無(wú)需制動(dòng)和回饋組件即可保證變頻器正常運(yùn)行，使智能系統(tǒng)的成本與采用能耗制動(dòng)或回饋制動(dòng)相比進(jìn)一步下降，節(jié)電效果與采用制動(dòng)電阻方式相比明顯提高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可靠性進(jìn)一步提聞。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]附圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0014]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(jī)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(jī)輸出，12 -電動(dòng)機(jī)。
具體實(shí)施例
[0015]下面通過(guò) 申請(qǐng)人:于2013年8月在勝利油田孤東采油廠一礦一隊(duì)的G04-10-20號(hào)抽油機(jī)井上進(jìn)行安裝試驗(yàn)的實(shí)施例進(jìn)一步加以說(shuō)明。
[0016]1、原始井況
[0017]G04-10-20號(hào)抽油機(jī)井配游梁式抽油機(jī)，電機(jī)為18.5/1IKW雙速雙功率三相異步電動(dòng)機(jī)，額定電壓380V。抽油機(jī)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(jī)沖次已經(jīng)調(diào)整到最小值，無(wú)下調(diào)空間。動(dòng)液面低，油泵充滿度低。井底流壓低，原油脫氣嚴(yán)重，流動(dòng)性差。油井日產(chǎn)液量低，噸液?jiǎn)魏母摺?br> [0018]結(jié)合附圖1，該實(shí)施例采用的是22KW抽油機(jī)專用智能變頻器(型號(hào)為V560-4T0220)、配置智能控制卡(型號(hào)為APV-F301)和直流電抗器(型號(hào)為DCL-0050)。是由以抽油機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)專用變頻器的擴(kuò)展卡，其硬件為單片機(jī)系統(tǒng)，與抽油機(jī)專用變頻器采用通訊方式交換數(shù)據(jù)，無(wú)I/O接口 ；直流電抗器7與抽油機(jī)專用變頻器的直流側(cè)相連。抽油機(jī)專用變頻器的輸出與旁路系統(tǒng)通過(guò)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(yùn)行時(shí)保護(hù)電機(jī)，智能系統(tǒng)和旁路系統(tǒng)均有電源斷路器2和3。
[0019]該系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)抽油機(jī)采油系統(tǒng)的各部分能耗建模并進(jìn)行數(shù)學(xué)分析后，發(fā)現(xiàn)了最佳沖次的判斷準(zhǔn)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(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了最大產(chǎn)液量的控制。
[0020]智能控制卡5控制抽油機(jī)專用變頻器4在50Hz、40Hz、30Hz、20Hz各運(yùn)行設(shè)定的時(shí)間，使井下動(dòng)液面達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，測(cè)得抽油機(jī)在這些特征頻率點(diǎn)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)沖次電耗，記為W5tl、W4tl、W3tl、W2tl。則最佳沖次對(duì)應(yīng)的變頻器運(yùn)行頻率&可由下式的最佳沖次辨識(shí)模型求取:
[0021]f0=10X (4ff20 — Ilff30 + IOff40 — 3ff50) / (W20 — 3W3(I + 3ff40 — W50)
[0022]控制抽油機(jī)在&運(yùn)行設(shè)定的時(shí)間使井下動(dòng)液面達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，測(cè)得對(duì)應(yīng)的沖次電耗即為基準(zhǔn)沖次電耗給定值Wf(l。以上過(guò)程即完成了抽油機(jī)井的自學(xué)習(xí)過(guò)程。自學(xué)習(xí)過(guò)程由首次開機(jī)和定時(shí)啟動(dòng)方式來(lái)觸發(fā)。
[0023]其后間隔10分鐘測(cè)一次實(shí)時(shí)沖次電耗值，與基準(zhǔn)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(dāng)則對(duì)運(yùn)行頻率不作調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下供液能力的實(shí)時(shí)跟蹤控制，頻率調(diào)整范圍為fo的±5HZ。頻率調(diào)整時(shí)，Wftl也會(huì)跟隨自動(dòng)調(diào)整，以適應(yīng)最小流壓界限的實(shí)時(shí)波動(dòng)。
[0024]2、測(cè)試過(guò)程與結(jié)果
[0025]在安裝本抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)前，對(duì)對(duì)工頻運(yùn)行的油井的日耗電量、日產(chǎn)液量進(jìn)行記錄，并采用油井綜合測(cè)試設(shè)備測(cè)量套壓和動(dòng)液面。
[0026]安裝好本抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)后，通過(guò)自動(dòng)改變抽油機(jī)沖次來(lái)對(duì)油井進(jìn)行井況自學(xué)習(xí)，自動(dòng)搜尋到目前最優(yōu)變頻器運(yùn)行頻率為22.5Hz，對(duì)應(yīng)的沖次為I次，測(cè)到此時(shí)的沖次電耗后并跟蹤井下供液能力變化自動(dòng)調(diào)節(jié)沖次。在智能狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行三天后對(duì)用同樣的儀表和測(cè)量方法對(duì)油井的日耗電量、日產(chǎn)液量、套壓和動(dòng)液面進(jìn)行測(cè)量記錄。
[0027]根據(jù)油井?dāng)?shù)據(jù)、動(dòng)液面及套壓折算出井底流壓，并根據(jù)日耗電量、日產(chǎn)液量計(jì)算出噸液耗電量。測(cè)試結(jié)果如下表所示。
[0028]工頻與智能運(yùn)行時(shí)油井工況測(cè)試結(jié)果比對(duì)表
[0029]
【權(quán)利要求】
1.一種基于最佳沖次辨識(shí)的抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)，由以抽油機(jī)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(jī)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(jī)專用變頻器的擴(kuò)展卡，其硬件為單片機(jī)系統(tǒng)，與抽油機(jī)專用變頻器采用通訊方式交換數(shù)據(jù)；直流電抗器與抽油機(jī)專用變頻器的直流側(cè)相連；抽油機(jī)專用變頻器的輸出與旁路系統(tǒng)通過(guò)接觸器電氣互鎖。
【文檔編號(hào)】E21B43/00GK203773281SQ201420154508
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】張春波, 張寶軍, 張吉波 申請(qǐng)人:東營(yíng)東日電氣有限公司