叢式井液壓排采系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制建模及控制算法研究

徐 盛，翁惠輝 （長江大學電子信息學院，湖北 荊州434023）

習近路 （北京迪威爾石油天然氣技術(shù)開發(fā)有限公司，北京100085）

叢式井液壓排采系統(tǒng)是把水基動力無桿抽油裝置用于叢式井抽油作業(yè)中。目前水基動力無桿抽油裝置在實際應(yīng)用中是基于 “一站一井”來實現(xiàn)的。由于其特殊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的電機和泵是持續(xù)工作的，但電機只在井下抽油泵上沖程時做有用功，在井下抽油泵下沖程 （靠自身重力向下運行）做無用功，這樣還是會浪費部分能效［1］。所以希望能實現(xiàn) “一站多井”液壓排采系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，從而最大限度地提高能效。

1 叢式井液壓排采系統(tǒng)工藝原理

“一站多井”液壓排采系統(tǒng)主要由地面液壓站系統(tǒng)、井下泵系統(tǒng)2大部分構(gòu)成，地面動力由一臺地面動力站提供，可帶動5口井 （以5口井為例）工作，各井均有自己的井下泵執(zhí)行機構(gòu)，完成采水及排水 （見圖1）。

地面液壓站系統(tǒng)作用是驅(qū)動井下液力抽油泵液動機構(gòu)運動，實現(xiàn)抽油過程，主要由增壓泵、換向閥、電磁閥、水箱、齒輪泵、液壓油箱、減壓閥等部分組成。當電磁閥開時，換向閥在液壓油的推動作用下處于開狀態(tài)，水箱中的水就經(jīng)過增壓泵進入到井下泵中的動力管線，驅(qū)動動力缸上行，帶動抽油泵柱塞上行，抽油泵排出產(chǎn)液；電磁閥斷時，換向閥也隨之關(guān)閉，在配重桿的作用下，動力缸下行，動力液經(jīng)動力管線回流至地面系統(tǒng)，同時，帶動抽油泵柱塞下行［1-2］。

圖1 叢式井液壓排采系統(tǒng)工藝原理圖

2 系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制原理

系統(tǒng)采用的協(xié)調(diào)控制原理是：錯開各井的運行狀態(tài)，在一段時間內(nèi)部分井工作于上沖程，另一部分井工作于下沖程，這樣可以選擇功率較小的電機，提高系統(tǒng)的效率。以 “一站五井”系統(tǒng)為例，如果能保證在同一時刻3口井是上沖程，2口井是下沖程，那么只需選擇能夠滿足3口井功率的電機，就能滿足系統(tǒng)的正常運行。但是在實際生產(chǎn)中5口井的沖次不同，可能會出現(xiàn)3口以上的井同時是上沖程的情況，因此系統(tǒng)需要控制各井的運行狀態(tài)，避免以上的情況出現(xiàn)。

3 液壓排采系統(tǒng)模型的構(gòu)建

液壓排采系統(tǒng)控制模型如圖2所示。該模型主要依據(jù)單井配產(chǎn)、泵排量、單井實際產(chǎn)量等工藝參數(shù)，實時計算配產(chǎn)所需沖次、沖次誤差，然后仿真試驗平臺以此為依據(jù)來確定每口井的驅(qū)動控制優(yōu)先級，結(jié)合每口井實時運行狀態(tài)確定地面驅(qū)動控制換向閥的狀態(tài)，實現(xiàn)產(chǎn)液量的最優(yōu)控制。

圖2 液壓排采系統(tǒng)控制模型

在上面的液壓排采系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制模型中配產(chǎn)Qir（i=1～5）為生產(chǎn)需求的設(shè)定值，泵排量Qio（i=1～5）為井下泵結(jié)構(gòu)確定的設(shè)定值。在運行過程中，由給定的配產(chǎn)和泵排量，可以得出配產(chǎn)沖次。在實際過程中，實際產(chǎn)量可以通過流量計來檢測，但在仿真過程中，可以根據(jù)泵的實際運行情況來進行虛擬檢測其實際產(chǎn)量，進而得到實際沖次。然后根據(jù)配產(chǎn)沖次和實際沖次，計算出沖次誤差Li（i=1～5），由沖次誤差得出優(yōu)先級Ii（i=1～5），根據(jù)優(yōu)先級和井下泵的運行狀態(tài)，控制換向閥的開關(guān)狀態(tài)Ki（i=1～5）。

4 控制性能評價

在 “一站五井”的具體驅(qū)動控制方式下，要求同處于上沖程的井口數(shù)N不大于3。因此，N恒等于3為理論上的最優(yōu)控制結(jié)果。為了實際評價控制效果，引入系統(tǒng)總控制效率系數(shù)J作為控制性能評價指標，其定義如下：

式中，Qio為第i口井的泵排量；Ji為第i口井的控制效率；J=1為最優(yōu)控制。

5 控制算法

5．1 優(yōu)先級推理

控制優(yōu)先級推理依據(jù)是沖次誤差，沖次誤差大者驅(qū)動優(yōu)先級高。而沖次誤差主要依據(jù)沖程剩余運行時間及等待時間來計算：

式中，Li為第i口井的沖次誤差；Ti1為第i口井井底等待時間；ηi1為第i口井等待時間的權(quán)重系數(shù)；Ti2為第i口井沖程剩余運行時間；ηi2為第i口井剩余運行時間的權(quán)重系數(shù)。

當?shù)趇口井停止運行時，Li=0。井口的沖次誤差Li越大，優(yōu)先級Ii越高（最高為5，最低為1）。如果2口井的沖次誤差Li相等，則默認井口號小的優(yōu)先級較低。這樣，隨著液壓排采系統(tǒng)的運行，5口井的優(yōu)先級也不斷變化，從而實現(xiàn)優(yōu)先級可變。

5．2 換向閥控制

換向閥控制邏輯主要由驅(qū)動優(yōu)先級及井下泵工作狀態(tài)所決定，第i口井工作狀態(tài)Si有以下幾種：Siup為上沖程狀態(tài)，Sidown為下沖程狀態(tài)，Sistop為向上運行到頂，Sibottom為向下運行到底，Siwait等待狀態(tài)；Ki=1表示第i口井對應(yīng)的換向閥打開；Ki=0表示第i口井對應(yīng)的換向閥關(guān)閉；N表示向上運行的井口數(shù)；flag＿uptime=1表示上沖程時間到標志位，flag＿downtime=1表示下沖程時間到標志位。換向閥控制算法具體運行情況如表1所示，具體換向閥控制流程如圖3所示。

表1 換向閥控制算法運行情況

圖3 換向閥控制流程圖

6 仿真控制試驗

為驗證控制模型的正確性及控制算法的有效性，開發(fā)了仿真試驗平臺 （見圖4）。仿真試驗平臺是基于VB6．0而開發(fā)的［3］。試驗平臺可同時模擬5口叢式井液壓排采系統(tǒng)的工藝流程，井下泵的運行過程及驅(qū)動控制過程與控制效果。仿真控制試驗過程中能實時顯示井下泵的運行狀態(tài)、實際泵沖次、上下沖程時間、等待時間、模擬產(chǎn)量、控制優(yōu)先級狀態(tài)、控制閥狀態(tài)、控制效率等主要工藝參數(shù)與控制參數(shù)。

仿真平臺根據(jù)泵的不同配產(chǎn)和排量，得出了不同的控制總效率，如表2所示。

圖4 仿真試驗平臺界面圖

表2 仿真試驗結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可以看出，當配產(chǎn)與泵排量都相同時，平均效率可以達到98%以上；當泵排量相同，配產(chǎn)不同時，平均效率可以達到95．62%。當配產(chǎn)相同，泵排量不同時，平均效率可以達到94．96%；仿真控制試驗結(jié)果表明，基于沖次誤差的可變優(yōu)先級控制算法具有良好的控制效果，實現(xiàn)了在最小地面驅(qū)動動力配置下，確保每口井的產(chǎn)能要求。

［1］智玉杰，萬仲，孫曉輝 ．水基無桿抽油裝置 ［P］．中國：CN201225263，2009-04-22．

［2］張琪 ．采油工程原理與設(shè)計 ［M］．東營：中國石油大學出版社，2006：182-202．

［3］沈煒，楊世錫．Visual Basic編程 ［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2006：327-332．