潛油電泵排水采氣PID控制技術的研究

趙軍偉 王亞坤 石海亮

（1.大慶油田力神泵業有限公司作業分公司；2.大慶油田力神泵業有限公司銷售公司）

潛油電泵排水采氣PID控制技術的研究

趙軍偉1王亞坤1石海亮2

（1.大慶油田力神泵業有限公司作業分公司；2.大慶油田力神泵業有限公司銷售公司）

潛油電泵作為排水采氣的一種常用的機采方法，將氣井井筒中常有的凝析液或地層水的積液不斷地排出至地面，將氣層生產壓差維持在一定水平。產氣時的壓差控制越穩，越有利于長時間采氣，但生產過程中壓差在不斷變化，因此需要控制電潛泵的轉速，進而控制電潛泵的排量，可以達到節能效果，研究利用井下壓力計與變頻器之間構成閉環控制，采用PID控制技術，自動尋找最佳穩態工作點，提高生產效率，減小潛油電泵的啟、停次數，減小電能損耗，延長機采壽命，提高排采煤層氣的穩定性。

潛油電泵；排水采氣；PID控制

潛油電泵用于煤層氣開采已經有一定的發展歷史，其特點是見效快，但應用于排水采氣的電潛泵排量一般較小，容易受氣體影響[1]。因而易造成氣鎖或經常欠載停機，泵效降低，同樣能耗增加，這樣難以保證產氣層所需的生產壓差，造成產氣不連續，浪費電能，同樣電潛泵在反復的啟、停過程中，壽命也會急劇減短。總體上看，生產效率降低，采氣成本增加，因此可以利用變頻器與井下壓力計[2]，研究一種可以自動穩定井下液面高度的控制方法，以保證電潛泵連續運轉，確保連續采氣經濟效益最大化。

1 系統控制方法

在工業應用中，PID控制技術是應用最廣泛的算法之一，井下壓力計作為反饋信號，經過濾波及PID算法，控制變頻器頻率，達到控制煤層氣井動液面高度，最終目的保持井下產氣生產壓差。多數變頻器有自帶PID功能，只能設定簡單的積分、微分、比例系數等，但在邏輯編程及信號濾波方案上有很大的局限性，不能按照特定的方法實現對被控目標的有效控制，因此采用單片機作為中間控制系統，方便更改控制邏輯及濾波方案，借助于變頻器及井下壓力計的通信端口[3]，采用通訊系統構成閉環控制，按照被控對象的變化特性，可以方便的加入特定的控制思想，實現對被控目標的準確控制，控制系統框架如圖1所示。

該系統通過MODBUS協議讀取壓力計測量數據[4]，濾波后，進行PID運算，再通過MODBUS協議控制變頻器運轉頻率，進而控制電潛泵的排量，達到穩定液面高度的目的，保持連續產氣的生產壓差，減小因抽空或氣鎖造成電泵停機，進而動液面升高，阻止煤層氣排氣。

2 PID算法研究

PID控制是一種二階線性控制器，通過調比例，積分微分系數，使系統獲得比較好的閉環特性，基本控制原理如圖2所示。

PID基本算法分為兩大類：位置式PID和增量式PID，通常采用哪種算法，取決于輸出與執行機構的關系[5-6]。位置式PID控制算法的缺點：當前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態有關，計算時要對偏差值進行累加，運算量大；而且控制器的輸出對應的是執行機構的實際位置，如果計算機出現故障，控制器輸出的大幅度變化會引起執行機構位置的大幅度變化。增量式PID是指數字控制器的輸出只是控制量的增量，采用增量式算法時，計算機輸出的控制量對應的是本次執行機構位置的增量，而不是對應執行機構的實際位置，因此要求執行機構必須具有對控制量增量的累積功能，適合變頻器對根據被控對象的變化，實現頻率的累積調整，因此采用增量式PID算法。

圖1 PID閉環控制系統

圖2 PID基本控制原理

2.1 增量式PID控制算法與實際被控對象的結合

增量式PID算法，只控制誤差增量，其輸出是本次執行機構的增量，因此比較適合電潛泵變頻器調頻控制規律，即每次調節量要小，使電潛泵工作狀態變化控制在一定范圍內。

增量式PID控制簡化表達式：

式中：ΔU(k)——控制器執行機構變化增量；

e(k)——設定值與被控目標間偏差值；

e(k-1)——相對于 e(k)前一次設定值與被控目標間偏差值；

e(k -2)——相對于e(k -1)前一次設定值與被控目標間偏差值；

K1——e(k)的調節深度系數；

K2——e(k-1)的調節深度系數；

K3——e(k-2)的調節深度系數。

從式（1）中看出，只要求出前后三次誤差值，即可求出本次輸出調節值。在PID控制介入時，通過調節比例、積分、微分系數關系式計算出頻率的調節量，比例控制其控制器的輸出與偏差輸入成比例關系，一旦偏差產生，控制器立即控制輸出頻率，使被控目標偏差減小，而積分控制可以消除穩態誤差，即使很小的誤差通過積分作用，也可消除，而微分控制可以提前使控制誤差的作用等于零，從而避免被控目標發生嚴重的超調。

因被控對象為壓力值，反應的是液面的高度，在變頻器執行動作命令后，液面變化有很明顯的遲滯性，單次采樣數據具有一定的波動性，也可能具有某種偶然的擾動，因此全程單純地采用PID控制，會頻繁的控制變頻器輸出頻率，不利于穩定的工作狀態，因此可以結合模糊控制，在偏差量較大時采用人工設定條件的模糊控制，在接近被控目標值時改為PID控制。

2.2 采樣濾波與量化

2.2.1 濾波方法

為消除采樣值的誤差，可以在n（n為整數）倍的采樣周期時刻附近，連續采樣 N（N為奇數）次被控目標值，采用冒泡法排序，去掉最小和最大值，剩余N-2個采樣值求平均值，如下式：

式中：c(t)——當前時刻采樣濾波后測量壓力值；

N——連續采樣個數；

c(k)——采樣值；

c(k)max——采樣值中最大值；

c(k)min——采樣值中最小值。

井下壓力偏差值是給定值與實際采樣值之差，如下式：

式中：e(t)——井下壓力偏差值；

r(t)——給定目標值。

2.2.2 量化標準

將電潛泵的泵掛深度H對應液柱產生的壓力量化為100%，控制目標壓力為h%，設置變頻器頻率上、下限（ fmax、fmin），設置頻率變化步長Δf，當前頻率 fx，預控制區起始點壓力為 h1%，Δh為死區控制范圍。

2.3 結合煤層氣生產特點的控制邏輯

煤層氣排采過程中要求井下動液面越低越好，這樣利于氣體排出，因井下液體不斷補充到套管中，因此需要潛油電泵持續排出液體，將井下動液面維持在一定的高度，便于氣體排出，但電泵的排采量大于地層補液能力，持續定速運轉會抽空或氣鎖而欠載停機，這樣井下液面會重新升高，阻止氣體排出，這樣利用井下壓力傳感器，反饋液面高度信息，控制變頻器頻率，進而控制電泵排量，達到穩定動液面高度為預設值，要求動液面高度盡量低，但又不能抽空，便于持續排采煤層氣。

在動液面高于設定液面高度時，以特定頻率增量，以特定周期增加變頻器頻率，快速達到電泵最大排量，使動液面快速下降，使氣體盡快排出，待接近控預設液面高度時，進行精細控制，因此整個控制過程如下：

1） 當 e(k) ＜0，且 c(k)≥h1%時→模糊控制（以特定步長Δf，且定時長T，逐漸增加頻率至fx， fx≤ fmax），此時動液面實際值高于預控液面高度h1%，提頻率增排量，快速降低動液面，使氣體盡快排出。

2）當e(k)＜0， c(k)≥h%與Δe(k)＞0三者同時成立時→進入預控區后，實際液面高度未達到預設值，同時液面繼續下降的情況下，頻率由 fx預減速至 f，且 f≥fmin， fmin對應預控目標 h%，量化后按PID控制規律進行預減速控制，因涉及到系統穩定性，不可頻繁控制，設定好控制周期，在接近目標控制值時可加入死區控制，增強穩定性。

3）當 e(k)＜0， h%≤c(k)＜h1%，且 Δe(k)小于0→在預控區內，該頻率運行時，液面回升的情況下，為盡量減小控制的頻率，可不控制，待液面高度回升跑出預控區后，按控制區外模糊控制方法進行控制直至再次回到預控區。

4）當e(k)＞| Δh|＞0時，其中Δh為控制點h%處死區，當頻率下降至最小值后，相應電泵排量為最小值時，液面高度下降至設定點后，仍繼續下降，此時按井下傳感器壓力報警或停機信號處理。

5）進入預控區后， e(k)=Δd，Δd接近零，為誤差充許值，變頻器頻率可不做調整，盡量減小變頻調整次數，延長機組運轉壽命，但預控點h1%與h%區間要設置合理。

3 現場應用節能降耗效果

首先，采用此PID控制方法保持動液面高度，有效避免了潛油電泵因氣鎖，泵效急劇降低，造成類似空轉而產生的能耗，在山西煤氣井XZ-6氣井應用中，22 kW電泵機組經監測，1 h因氣鎖浪費電能約為16 kW；采用PID閉環控制后，22 kW電泵機組通過測量，在日產氣約500 m3標定下，采用PID控制技術后，可節省電能約112 kW，節能效果顯著。

其次，排水采氣重要特點是投產初期需要排量大，使氣層壓力減小，氣體盡快排出，后期需要減小排水量，穩定煤層生產壓力，開環運行時，電泵運行頻率不能自動調節，以適應各段不同生產的需要，在液面下降較快需要降低產量時，應急時降低機組運行頻率，達到降低能耗的目的。

4 總結

PID控制是一種優秀的常用工業控制算法，結合模糊控制，按照電潛泵氣井液面變化規律，進行分段控制，可將液面保持在一定范圍內，延長潛油電泵工作壽命，最大限度保證氣井開采時間，提高電潛泵井對煤層氣的排采的效率，同時可節省大量的電能。

[1]李國富，田永東.煤層氣井排水采氣機理[J].中國煤炭，2002，28（07）：1-3.

[2]梅思杰，邵永實，劉軍，等.潛油電泵技術（上）[M].北京：石油工業出版社，2004：62-64.

[3]蒙麗娜.電泵井下測試系統研究[D].西安：西安石油大學，2010.

[4]肖碩，荊剛，李莉娜，等.單片機數據通信典型應用大全[M].北京：中國鐵道出版社，2011：294-306.

[5]白志剛.自動調節系統解析與PID整定[M].北京：化學工業出版社，2012：29-39.

[6]陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京：機械工業出版社，2002：33-45.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.03.001

2016-11-25

（編輯 賈洪來）

趙軍偉，工程師，2007年畢業于大慶石油學院（電氣工程及其自動化專業），從事潛油電泵運行管理、新技術應用開發工作，E-mail：junwei190920@126.com，地址：黑龍江省大慶市薩爾圖區中興北街58號大慶油田力神泵業有限公司，163311。