新型實(shí)時(shí)智能間抽控制儀研究與應(yīng)用

薛國鋒 王立杰 屈艷飛 周春玲

摘要：吉林油田部分油井滲透能力低，造成油井處于供液不足狀態(tài)。為穩(wěn)定產(chǎn)量、降低能耗、提高系統(tǒng)效率，結(jié)合吉林油田實(shí)際油藏地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)研制了一套實(shí)時(shí)智能間抽控制儀，即當(dāng)探測到油井處于供液不足狀態(tài)時(shí)，抽油機(jī)自動停止運(yùn)行，待油井液面恢復(fù)后，再開機(jī)運(yùn)行。該儀器經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能和智能化控制功能。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；智能間抽控制儀；系統(tǒng)效率；基本原理；應(yīng)用效果；吉林油田

中圖分類號：TE938文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1智能間抽控制儀設(shè)計(jì)思路

新型智能間抽控制儀研究基本設(shè)計(jì)要求，是針對現(xiàn)有間抽控制儀智能化水平低、依靠功圖判別條件界限模糊、準(zhǔn)確性差的情況，提出通過電參數(shù)測試反演充滿程度的方法，實(shí)現(xiàn)對抽油機(jī)驅(qū)動電機(jī)負(fù)載工況的自動檢測，對抽油機(jī)抽停自動優(yōu)化切換控制，達(dá)到對油井的自動優(yōu)化開采和節(jié)約電能。另外還必須具備安全提示，適應(yīng)吉林油田氣候特點(diǎn)等要求。基于以上設(shè)計(jì)要求，新一代智能間抽控制儀的基本設(shè)計(jì)思路是：①分析間抽井間抽特點(diǎn)，分析電能負(fù)荷變化與抽油泵充滿度之間規(guī)律，找出泵空條件；②建立間抽判別規(guī)則和控制策略，建立實(shí)時(shí)智能間抽工作模型；③研制一套隨負(fù)荷變化控制的實(shí)時(shí)智能間抽控制儀。

2智能間抽控制儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)是完成IPOC所有實(shí)時(shí)控制的必備設(shè)備，它包括：作為處理器核心的單片機(jī)系統(tǒng)MSP430F149，完成信號采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、模型計(jì)算、輸出控制、定時(shí)和遠(yuǎn)程通訊等。其系統(tǒng)構(gòu)成和運(yùn)行示意圖見圖1。

2.2軟件系統(tǒng)組成

軟件系統(tǒng)是整個智能間抽控制器(IPOC)的核心，它包括：

(1)管理模塊，協(xié)調(diào)調(diào)度整個軟件模塊的運(yùn)行。

(2)鍵盤處理模塊，處理鍵輸入譯碼、解釋、處理。

(3)采集模塊，實(shí)時(shí)采集電機(jī)輸入電流、電壓信號，并進(jìn)行濾波等預(yù)處理。

(4)存儲模塊，完成數(shù)據(jù)的存儲和回放管理。

(5)統(tǒng)計(jì)模塊，以日為單位統(tǒng)計(jì)開井時(shí)率，并存儲。

(6)間抽模型求解模塊，集成數(shù)據(jù)分析模塊、(間抽控制)條件判別、優(yōu)化控制等模塊。

(7)控制模塊，包括語音提醒模塊和電機(jī)控制模塊。

(8)定時(shí)管理模塊，管理系統(tǒng)所有時(shí)鐘及定時(shí)事件。

(9)自推理模塊，為使系統(tǒng)具備自學(xué)習(xí)功能。

(10)RTU模塊，擴(kuò)展遠(yuǎn)程調(diào)用。

2.3工作流程

首先初始化，參數(shù)設(shè)置，啟動抽油機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析的結(jié)果進(jìn)行存儲。當(dāng)供液不足時(shí)，程序?qū)⒆詣油C(jī)；當(dāng)供液滿足要求時(shí)，報(bào)警2min后自動啟動抽油機(jī)。

2.4分析流程

分析通過油井電參數(shù)的錄取，反演出泵抽空發(fā)生時(shí)負(fù)荷變化在電參數(shù)上的表征特性，根據(jù)該特性給出控制抽油機(jī)電機(jī)開關(guān)的信號，達(dá)到智能控制油井生產(chǎn)。流程如圖2所示。

2.5自學(xué)習(xí)流程

自學(xué)習(xí)即油井根據(jù)給定的判別條件，通過軟件實(shí)現(xiàn)自動判別功能。流程如圖3所示。

3智能間抽控制儀的基本原理

3.1特征值提取

在發(fā)生空抽時(shí)，所測功率圖和電流圖與正常抽汲相比會發(fā)生很多變化，反應(yīng)在圖形上，主要表現(xiàn)為：在下沖程開始時(shí)，電動機(jī)只要用很小的能量就可將桿柱送入井底，下行程電機(jī)峰值電流和峰值功率變小，從而上、下行程中峰值電流和峰值功率比值也變小；實(shí)際平均電流和平均功率下降。主要提取下列特征值：①上、下行程峰值電流、峰值功率及其相應(yīng)相位角；②上、下死點(diǎn)電流值、功率值；③開機(jī)時(shí)間和停機(jī)時(shí)間；④最大、最小功率值、電流值及其相應(yīng)相位角，平均值。

3.2控制策略-

3.2.1正常工況特征值確立

在開機(jī)啟抽后，控制器自檢2min，確定穩(wěn)定的起始工作特征值，用這些值與存儲在內(nèi)存中的特征值進(jìn)行比較，若這些值更符合正常工況，則替代原存儲值。

3.2.2開關(guān)井時(shí)間確立

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，確立一個初始的開井時(shí)間和停井時(shí)間。在開井時(shí)間已到，但根據(jù)特征值仍屬于能繼續(xù)開抽時(shí)，則繼續(xù)開抽，同時(shí)將開井時(shí)間延長，并存儲到內(nèi)存中；在停井啟抽后，控制器確定穩(wěn)定的起始工作特征值，用這些值與存儲在內(nèi)存中的特征值進(jìn)行比較，若這些值更符合正常工況，則替代原存儲值，并縮短關(guān)井時(shí)間；反之，則分別縮短開井時(shí)間和延長關(guān)井時(shí)間。同時(shí)為防止頻繁調(diào)整開關(guān)井時(shí)間，在上述過程中，設(shè)定閥值和余量。

3.2.3空抽臨界判斷引入概率條件

當(dāng)綜合工況特征參數(shù)集AS=1(滿足空抽條件)時(shí)，有T=T+1；當(dāng)綜合工況特征參數(shù)集AS=O(不滿足空抽條件)時(shí)，有T=T-1；僅當(dāng)T=100時(shí)，抽油機(jī)工況滿足空抽概率條件，可以停抽。空抽概率數(shù)T的引入極大地提高了停抽的準(zhǔn)確度，保障了停機(jī)時(shí)抽油機(jī)正處于穩(wěn)定的空抽狀態(tài)。

3.3主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)：工作電壓為220V；電流范圍為0-100A，精度為±1％；電壓范圍為0～660V，精度為±1％；時(shí)鐘誤差為每天不大于20 s／d；環(huán)境溫度-為45—85℃；電流傳感器精度為，≤100 A，△I≤0.05％；產(chǎn)量穩(wěn)定的情況下節(jié)能20％-30％。

4智能間抽儀的應(yīng)用效果

應(yīng)用智能間抽儀進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，通過現(xiàn)場應(yīng)用表明，該技術(shù)比較成熟，其功能也比較齊全，達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能和智能化控制功能。同時(shí)統(tǒng)計(jì)其綜合節(jié)能達(dá)到60％，即對于試驗(yàn)的幾口井，其有效生產(chǎn)時(shí)間大大降低了(表1)。可見低產(chǎn)低效井的節(jié)能效益空間是巨大的，吉林油田目前的低產(chǎn)低效井有幾千口，規(guī)模應(yīng)用效益可觀。

5結(jié)論與認(rèn)識

(1)通過傳感器信號實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的智能間抽控制器(IPOC)，在檢測到空抽時(shí)立即關(guān)閉抽油機(jī)，從而縮短了抽油時(shí)間，大大減少了能量消耗，平均節(jié)約能量20％-30％。

(2)相對于人工間抽和定時(shí)間抽來講，智能間抽控制達(dá)到較低的平均液面，增加了產(chǎn)量。較低的液面意昧著較低的井底流壓，使較多的液體流入井底。

(3)消除液擊現(xiàn)象，可使井下和地面設(shè)備的維修費(fèi)用減少。另外，通過IPOC裝置可提前探測到油井故障，從而進(jìn)一步減少了所需的修井作業(yè)量。

(4)使用微電腦技術(shù)的IPOC裝置大大增加了抽油系統(tǒng)的性能信息檢測數(shù)據(jù)，為抽油機(jī)的遙控遙測及集中控制創(chuàng)造了條件。

(5)智能間抽控制儀通過液面恢復(fù)的辦法，解決了供液能力不能滿足抽油設(shè)備工作需要的問題，縮短了抽油機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，提高了泵效。

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