抽油機自適應控制系統的研究及應用

馬馳騁，樊軍

(新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊 830047)

國內采油作業區部分油井隨著地層能力下降，油井供液能力不足的現象十分普遍。間歇作業方式成為一種極有效的方式，克服了供液不足不能滿足抽油設備工作需要的問題。目前國內的此類產品主要可分為兩類:一類是簡單的定時裝置，定期間歇性抽停;另一類是檢測在一定功效下進行停抽。但由于每口井工況不同，隨著時間變化，油井的載荷情況也隨之變化，即每口井實際上均處于一種“病態”的工作情況中，同時在不同的時間自身工作狀況也在變化。每口井的停抽標準及時長沒有固定標準，因此需要一種普遍適用的控制系統達到自適應、自跟蹤、自學習、自控制的能力。

通過對示功圖的分析，利用面積法和非線性曲線特征點法確定其停抽標準，并通過面積率法優化確定停抽時長。通過對常見故障示功圖形態學的分析，得到故障特征示功圖，并對得到的示功圖進行對比，判斷并處理出現的常見故障。

1 抽油機自適應控制系統的設計

設計一種普遍適用的控制系統，使之能在不同抽油機不同工況下普遍應用。該控制系統可降低生產成本和增加產量，提高節能效率，解決目前存在的產、效、能問題。

油井示功圖指標作為一個成熟的理論，在工作和科研上均得到國際性的認可。根據示功圖的特征進行泵抽產量判斷，在理論上成熟，因為泵效和泵抽產量具有完全相同的變化趨勢，示功圖的平均面積可以直接反映出泵抽產量的變化情況［1－2］。

抽油機自適應控制系統是應用數字技術和軟件技術開發研制的新產品，該系統使用示功圖的平均面積進行“高產”、“高效”和節能的研究，專用于抽油機在供液不足工況下的自動間歇控制。可解決目前油田邊探井、低產井、挖潛增效井等存在間抽現象明顯的問題，實現節能降耗目的。

2 抽油機自適應系統的實現

該系統通過外接傳感器，監測油井的示功圖狀態，實時獲取抽油機示功圖參數。通過對獲取的數據進行分析、處理，發出各種控制命令，實現抽油機的自動啟停、故障報警及處理、間抽等控制，從而實現對各單井狀態的實時監控，大大降低了生產成本和增加了產量，縮短了故障發現和排除周期，提高節能效率。系統流程簡圖如圖1所示。

圖1 系統正常工作流程簡圖

2.1 停抽標準及停抽制度的確定

利用特征點法，對獲得的示功圖面積值數據進行曲線擬合，如圖2所示。

圖2 示功圖面積S擬合曲線

求出其擬合曲線公式如式 (1)所示［3］:

利用面積率平均法 (式 (2))，可求得抽油機工作效率P，當P達到最大值時，即為所求抽油機停抽點

利用 Newton 法 (式 (3))［4］:

對其進行優化檢測，確定抽油機停抽點，并求得工作時間t=8 h;停抽時長t=12 h;停抽時抽油機產液量S=35.25 cm2。此時能保證抽油機高效節能運行。

以求得的停抽標準作為起始依據及初始評判標準，進行初步設定，當抽油機正常工作時根據式(2)對抽油機工作效率進行檢測，并與預設標準進行比較，當滿足式Pi＞Pi+1(i＞0)，將此值與預設值進行比較，若Pi～P標且ti～t標，進一步檢測實時抽油數據，根據檢測的數據，適當調整停抽點的設定及停抽制度，以確保抽油機在高效情況下工作。

2.2 常見的故障診斷

對于抽油機常見的故障如:傳感器故障、游動凡爾泄漏、固定凡爾泄漏、雙凡爾泄漏、桿斷脫、氣鎖、傳感器故障等，能夠實現故障的判斷處理。通過對常見故障示功圖進行圖像形態學分析，確定故障特征示功圖。

首先，對原有故障示功圖 (如圖3(a))進行圖像形態學分析，對其進行擴張運算 (式 (4))和腐蝕運算 (式 (5)):

填平圖形中的不光滑凹凸部分 (如圖3(b))［5］;最后，去除因滯后和變形等原因造成的圖形畸形，確定形成故障特征示功圖樣板 (如圖3(c))［6］。

圖3 故障示功圖原理

針對測量的示功圖 (圖4(a))，與形成的故障示功圖 (圖4(b))進行比較，得到實際示功圖故障變形圖如圖4(c)所示;根據得到的故障變形圖，推出抽油機運行中的故障點及故障類型，結合生產參數，確定此時工作制度，并提供故障分析，為后續故障處理提供依據，待故障解除轉入正常工作狀態繼續工作［7－9］。

圖4 故障診斷原理

3 系統實例測試

將系統應用于抽油機上進行測試，通過對采集到的數據進行分析，對系統的穩定性、人工正常調開與調停、機器檢修等設計計劃進行驗證，證明了系統的功能和性能。同時，根據所測得的數據對系統進行進一步的優化升級。

通過計算機的客戶端程序可直接與系統終端相連，讀取歷史及當前抽油機工作的各項數據。圖5為該系統應用于井號SQ4215進行實驗，讀取出的歷史實測數據。

圖5 系統實測數據

根據圖5所示，該系統能夠完成自適應控制，得出抽油機工作時長、停抽時間、停抽標準，并制定相應工作制度，并對發生的故障進行自診斷并進行報警及預處理，達到設計目標。

4 結束語

目前國內石油行業每口油井均處于單位產量3～5 t/天的情況下，說明目前國內大約有30%的抽油井均處于低產低效的狀態。通過智能間抽控制技術控制油井的運行研究項目的實施，不但能一定幅度上增加油井的采收率，還可以很大程度上降低油井運行電單耗;通過就地無功補償技術可以降低電網的無功損耗，提高電網的容量和延長電氣設備的使用壽命。如果區域范圍實施措施將很大程度上降低油田的運行電耗，提高油田的整體開發經濟效益。

【1】抽油井示功圖的測試和分析編寫小組.抽油機示功圖的測試和分析［M］.北京:石油工業出版社，1983.

【2】劉益江，張學臣，李偉.抽油井示功圖綜合解釋［J］.油氣田地面工程，2007，26(8):3 －5.

【3】申紅蓮.Matlab中曲線擬合的方法［J］.福建電腦，2010(7):10.

【4】李董輝.數值最優化［M］.北京:科學出版社，2005.

【5】楊綸標，高英儀.模糊數學原理及應用［M］.廣州:華南理工大學出版社，2006.

【6】王新成.高級圖像處理技術［M］.北京:中國科學技術出版社，2001.

【7】李正勤，黎洪生.基于示功圖面積變化的抽油機故障診斷模型［J］.油氣田地面工程，2008，27(9):3 －4.

【8】黃翔.抽油機井故障診斷智能集成系統的研究［J］.石油天然氣學報，2007，29(3):156 －158.

【9】韓國慶，吳曉東，張慶生.示功圖識別技術在有桿泵工況診斷中的應用［J］.石油鉆采工藝，2003，25(5):70－74.