智能閉環控制系統在機采井井口加藥裝置中的應用*

劉紀瓊 趙昌明 孫利軍 張德蘭 郭紅光 康燕 黃小會 王鵬

1大慶油田有限責任公司采油工程研究院

2黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室

3大慶油田有限責任公司第三采油廠

4大慶油田有限責任公司第四采油廠

隨著三元復合驅油井結垢問題日益突出，需要對油井采取不同類型的清防垢加藥措施。目前在用的井口加藥裝置基本采用人工設定裝置泵排量，調整周期短，人員勞動強度大，且不能根據油井產能變化及時進行泵排量調整，加藥濃度無法精準控制，造成藥劑浪費。

針對這一問題，設計適用于機采井井口加藥裝置的智能閉環控制系統。通過在線流量傳感器和智能檢測裝置實現加藥前饋控制和反饋控制兩種控制模式，利用計算機PLC 控制系統和PID 計算方法實現對泵排量自動調整[1-2]，降低了人工勞動強度，提高了加藥精度和安全系數，使井上加藥管理模式更加規范化。

1 系統結構設計

1.1 加藥裝置的基本結構

加藥裝置采用一體化設計，主要由清垢劑箱、防垢劑箱、變頻式計量泵、控制臺、在線監測系統等組成，在實際工藝需求中可根據用戶需求調整不同配置，以滿足不同工藝需求。加藥裝置的基本結構示意圖見圖1。

圖1 加藥裝置結構Fig.1 Structure of dosing device

1.2 系統功能

通過監測油井產液量及檢測采出液藥劑含量，利用流量前饋控制和采出液藥劑濃度反饋控制以及PID 算法建立三者相結合的閉環控制方法，實現加藥量隨油井產液量變化而自動進行調整，使井下藥劑濃度控制在要求范圍[3]。該系統中，控制主體可以根據監測反饋信息發現和修正各載體運行中的偏差，具有抗干擾能力，可進行有序地控制輸出，保證加藥功能正常。

2 控制系統設計

為實現清防垢加藥自動化控制，設計了加藥工藝系統（圖2），根據油井采出液離子含量情況建立加藥量與產液量之間的數學關系模型，將該模型嵌入控制臺PLC 系統中，通過井口產液流量計監測產液量數據(Q)，經A/D 轉換后帶入的PLC 系統數學模型中。根據已設定的加藥濃度γs進行模型計算后，輸出對應泵排量控制信號，經D/A 轉換控制變頻泵調節加藥量[4]，同時可根據井口產液量變化控制加藥頻率，實現流量前饋控制。其次利用在線磷檢測儀表從井口采出液中采集磷含量數據[5]，通過藥劑濃度與磷含量之間的關系反算出藥劑含量，將藥劑濃度數據輸入計算機控制系統，利用PID 控制算法進行誤差運算，然后將運算結果經D/A 轉換再次控制變頻泵對沖程和頻率進行微調，完成加藥濃度反饋控制。通過流量控制和PID 反饋控制相結合的方法，實現藥劑加藥量和加藥頻率動態調節，保證加藥的有序進行[6-7]。

圖2 加藥工藝系統流程Fig.2 Flow chart of dosing process system

2.1 流量前饋控制

流量前饋控制的唯一變量是油井產液量，油井生產過程中產液量變化是影響加藥濃度改變的主要因素，因此加藥量主要隨產液量而變化。關鍵是確定式（1）中加藥濃度γs，需要根據藥劑規定的使用濃度進行調整。以目前在運行現場試驗用防垢劑有效濃度γs=300 mg/L 為例，產液量監測周期ΔT=24 h（可根據需求適當調節），將TUF-2 000 m 型外夾模塊式超聲波流量計（流速范圍0±10 m/s）流量傳感器安裝至采油樹回油主管線上，將監測周期內流量輸出Q對應的4～20 mA 電流信號傳至PLC 控制系統，對比不同監測周期Q(T)與Q(T-1) 內產液量變化幅度值ΔQ來進行流量前饋控制。通過大幅度調整沖程Δn[Δn=n(T)-n(T-1) ]進而對加藥量進行快速調整。當Q(T)-Q(T-1)=ΔQ＞QS時，計算按式（1）～（4）進行。

式中：Y(T)為泵排量，m3/d；n(T)為T時刻的沖程，mm；S為加藥泵的沖程，mm；n為泵沖速，min-1；η為泵效，%；D為泵徑，mm；γs為藥劑濃度，mg/L；Q 為產液量，m3；Q(T)為t時刻系統監測產液量，m3；Q(T-1) 為距離t時刻監測點的前一監測點產液量，m3；QS為油井生產時產液量正常波動范圍最大值，m3；T為監測時間，s。

2.2 藥劑濃度反饋控制

當Q(T)-Q(T-1)=ΔQ＜QS時，產液量處于正常波動范圍，根據產液量變化調整加藥濃度容易造成系統調節過度，導致系統不穩定，需要通過藥劑濃度變化進行泵排量微量調節。藥劑濃度反饋控制以時間t和采出液中藥劑濃度γ(T)為變量，通過在采油樹回油管線取樣口安裝取樣閥門，定期取一定量的采出液至在線磷監測裝置儲樣槽內進行采出液磷元素測定（不加藥時采出液中基本無磷），利用室內實驗建立不同藥劑濃度與其對應濃度下磷含量P的關系式，用式（5）計算對應藥劑濃度γ，將計算結果輸出的4～20 mA信號值傳至PLC控制系統。

式中：f(P)為磷含量P時對應液體中藥劑濃度，mg/L。

用式（6）計算采出液藥劑濃度與設定值的偏差ε(T)，再根據偏差計算加藥量。

式中：ε(T)為T時刻采出液中磷含量對應藥劑濃度采樣值γ(T)與設定值γs的差值，mg/L。

式中：ε(T-1)、ε(T-2)為上一次和上兩次采樣的藥劑濃度偏差，mg/L；Kc、Ki、Kd分別為比例系數、積分系數和微分系數。

通過不斷調節加藥泵沖程，改變藥劑排量，實現藥劑濃度的微調，直至相鄰檢測周期檢測結果誤差值時停止調控。

采出液濃度反饋控制的關鍵是確定PID 系數和采樣時間間隔[8]。現場試驗采用試湊法確定PID 參數，通過優先確定采樣間隔，調節比例系數，最后確定積分和微分系數。

具體操作如下：

（1）首先設定采樣間隔為2 h（現場試驗用，后期可調整），γs=300 mg/L，設定Ki、Kd均為0，調節Kc值由小到大，直至泵沖程調整時間最短后，確定Kc=6。

（2）將Kc值調整為原來的80%，作為確定值，將Ki值由0 逐漸調大，直至泵沖程調整時間最短后，確定Ki=1.5。

（3）將Ki值調整為原來的80%，作為確定值，將Kd值由0 逐漸調大，直至泵沖程調整時間最短后，確定Kd=0。

3 現場試驗測試

為進一步驗證智能閉環系統控制井口加藥的科學性和合理性，設計現場某井分別采用智能閉環控制加藥和恒定加藥系統進行加藥。兩種加藥模式加藥15 天后對該井采出液藥劑濃度進行檢測對比，結果見表1、表2。

表1 恒定加藥模式下采出液藥劑濃度Tab.1 Reagent concentration of produced liquid under constant dosing mode

表2 智能閉環控制系統中采出液藥劑濃度Tab.2 Reagent concentration of produced liquid in intelligent closed-loop control system

通過對比發現，當機采井產液量短期內有較大浮動時，加藥濃度變化幅度相對較大，很可能會出現藥劑濃度不足。相反，采用智能閉環控制系統加藥，當產液量變化時，根據系統反饋功能進行泵排量的模糊設定，隨之調整加藥量，整體加藥量浮動控制在10%以內，大大提高了加藥精度，可避免出現藥劑濃度不足或過多等情況。

4 結論

研制了一種基于PID 算法建立的前饋和反饋相結合的閉環控制系統，提出了加藥控制系統設計的原理與方法。與以往的井口加藥裝置相比，利用智能閉環控制系統進行控制加藥，可及時對加藥量進行浮動調整，保證加藥濃度均衡，減少人工干預加藥帶來的誤差及藥劑損耗。現場試驗表明，該系統藥量調節反應速度快，控制精度高，運行穩定性好，試驗效果良好，有效提高了現場加藥管理水平。但由于復雜的運行控制環節加上現場監測設備性能及精準度要求較高，相比于傳統加藥裝置，對設備前期的資金投入及后期維修保養費用相對較高，在現場推廣使用上存在一定局限性。