基于模糊PID控制的煤層氣智能排采系統(tǒng)應用

高肇凌，郭雪，張少雷，劉凱輝，蘇尚文，許宏奇

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

?

基于模糊PID控制的煤層氣智能排采系統(tǒng)應用

高肇凌，郭雪，張少雷，劉凱輝，蘇尚文，許宏奇

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

摘要：煤層氣排采通常依靠人工進行排采制度調整，針對這種簡單、低效、落后的工作方式，設計了能夠滿足煤層氣排采實際工況需求的智能化排采系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據煤層氣井的井況和采油工程人員制訂的排采制度自動、智能化地進行煤層氣排采。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，采用了基于模糊控制的PID控制算法，通過在某煤層氣排采現場的實際應用驗證，整個系統(tǒng)有效、穩(wěn)定、安全可靠。

關鍵詞：模糊控制煤層氣排采

Application of CBM Automatic Pumping System Based on Fuzzy PID Control

Gao Zhaoling, Guo Xue, Zhang Shaolei, Liu Kaihui, Su Shangwen, Xu Hongqi

(Rongsheng Machinery Manufacture Ltd., Huabei Oilfield, Renqiu, 062552, China)

Abstracts: Drainage process adjustment of CBM has been depending on manual operation. Contrapose to such a simple, inefficient and backward working mode, one intelligent pumping system to adapt to actual working condition of CBM drainage is designed. This system can drain automatically and intelligently based on CBM well condition and drainage schedule formulated by oil production engineering staff. Fuzzy control based PID control algorithm is applied to guarantee systems’ stabilization and anti-jamming ability. According to practical test result from one CBM drainage site, it is concluded the whole system is effective, steady, safe and reliable.

Key words:fuzzy control; coal bed methane; draining

煤層氣又稱煤層甲烷氣，煤炭工業(yè)稱之為煤層瓦斯，是在成煤過程中形成并儲存于煤層中的一種非常規(guī)的天然氣[1]。這種天然氣大部分以吸附狀態(tài)儲存在煤巖基質中，少量溶解在煤層水中。煤的吸附性導致煤層氣成藏機制和開發(fā)技術與常規(guī)天然氣截然不同。

1煤層氣排采工藝介紹

目前，在全球的煤層氣工業(yè)界，已大量采用的成熟開發(fā)方式是壓力衰竭法，即利用不同方法使煤層氣由吸附態(tài)經過解吸變?yōu)橛坞x態(tài)，游離態(tài)煤層氣通過各種裂縫流入煤層氣井，直至煤層中氣體壓力很低[2]。

通過多年的發(fā)展，排采工藝、排采設備出現了多種形式，但是有桿設備仍是眾多排采設備中的主力。然而各煤層氣井所選用的排采設備型號都普遍大于實際所需型號，存在嚴重的投資大、設備不配套、抽空、檢泵周期短等諸多問題，嚴重影響了煤層氣井的正常排采，直接降低了煤層氣的投資效益，成為了煤層氣商業(yè)化、規(guī)模化開發(fā)的瓶頸[3-8]。

針對該情況，筆者在深入研究煤層氣排采工藝的基礎上研發(fā)了1套智能化自動排采控制系統(tǒng)，針對每口煤層氣井制訂不同的排采制度，控制臨界解析壓力、液面高度，形成1套符合煤層氣排采工藝的精確控制系統(tǒng)，使煤層氣井按照排采規(guī)律長期高效的開采。

2煤層氣智能排采控制系統(tǒng)

2.1基本組成與原理

煤層氣智能排采系統(tǒng)是一套建立在煤層氣井場的閉環(huán)排采系統(tǒng)，系統(tǒng)由抽油機、電動機、控制柜以及井下壓力傳感器組成。為了使控制系統(tǒng)便于管理和適應排采工況，需要對排采系統(tǒng)進行適當的人為干預，因而同時設計了1套遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

智能排采系統(tǒng)根據遠程控制系統(tǒng)中上位機站控系統(tǒng)下發(fā)的下降目標值、降液速率以及當前的井底流壓值，做出智能判斷，自動調整變頻器運行頻率，從而改變抽油機運行沖次，使得井底流壓按照排采工藝制度變化，以實現整個排采過程自動控制，控制流程如圖1所示。

圖1　控制流程示意

2.2模糊PID算法

除了系統(tǒng)硬件設計之外，控制算法是保證整個系統(tǒng)能夠有效運行的關鍵，目前針對這種閉環(huán)

控制系統(tǒng)，工業(yè)控制中應用比較廣泛的是PID算法。

傳統(tǒng)PID控制原理簡單、使用方便、適應性強，可以廣泛應用于各種工業(yè)過程控制領域[9]。但是本文PID控制對象井底壓力具有非線性、大時滯等特點，并且不同煤層氣井參數差別變化非常大，系統(tǒng)環(huán)節(jié)干擾因素多，控制效果不理想。同時，控制器不具備自適應工況能力，不能滿足在系統(tǒng)參數發(fā)生變化時PID參數隨之發(fā)生相應改變的要求，嚴重地影響控制效果。

針對以上問題筆者采用了模糊控制PID方法，以保證系統(tǒng)的自適應性，符合煤層氣排采實際工況的需要。PID控制系統(tǒng)結構示意如圖2所示。

圖2　PID控制系統(tǒng)結構示意

壓力PID控制公式：

(1)

式中：KP——比例系數；PI——積分時間常數；PD——微分時間常數；p(t)——調節(jié)器輸出；e(t)——偏差值。

模糊PID是在PID控制的基礎上，總結設計人員知識和經驗，找出PID參數與誤差及誤差變化率之間的模糊關系，建立合適的模糊規(guī)則，進行模糊推理，并查詢建立的模糊矩陣進行在線PID參數的自整定，來滿足不同的控制需求。模糊PID控制結構如圖3所示。

圖3　模糊PID控制結構示意注： e——給定值與反饋值的差值；ec——偏差變化率；u——輸出值

2.3模糊PID控制器設計

控制系統(tǒng)采用“雙入三出”的模糊控制器。輸入量為e，ec，KP，PI，PD。由圖3可知，控制過程為控制器定時采樣壓力值和壓力值變化后與給定值進行比較，得到e以及ec，并以此作為PLC控制器的輸入變量，經模糊控制器輸出KP，PI，PD給PID控制器進行調節(jié)[10]。

模糊控制器設計包括三部分內容，如圖4所示。

圖4　模糊控制器設計

2.3.1輸入模糊化

控制對象為井底壓力。設定：“當前井底壓力值”的論域區(qū)間為[500，2 000]；“井底壓力目標值”的論域區(qū)間為[500，2 000]；e=當前值-目標值；則e的論域區(qū)間為[-1 500，1 500]；ec根據變頻器的頻率和該煤層氣現場工況可得其論域為[-5，5]；量化級數公式選定為

(2)

式中：Y——量化級數；D——量化等級；a——論域區(qū)間左端點；b——論域區(qū)間右端點；n——絕對量化間隔，n=3。

根據量化公式可得：e和ec的論域等級為[-3，-2，-1，-0，+0，1，2，3]；e和ec的模糊化子集為[NL，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PL]；PID的KP的論域為[0，10]，PI論域為[0，10]，PD的論域為[0，5]。因此,根據煤層氣現場控制經驗，采用專家經驗法得出e，ec，KP，PI，PD的隸屬度賦值見表1所列。

表1　隸屬度賦值

2.3.2模糊推理

在PID控制中，KP控制變化速度，PI控制超調量，PD控制靜態(tài)誤差。根據多年的煤層氣排采工況經驗，制訂了KP，PI，PD的模糊控制規(guī)則：KP為增益系數，過大的增益會造成曲線的震蕩；PI為積分時間常數，積分時間越短，偏差得到修正就會越快，但是過短的時間常數會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定；PD為微分時間常數，微分時間越長，輸出的變化越快，微分使控制系統(tǒng)對干擾的敏感度增加，即誤差的變化率越大，微分控制作用越強。以KP為例可以得到模糊規(guī)則，見表2所列。

表2　KP模糊規(guī)則表

由模糊規(guī)則可寫成條件語句：Ife=Aiandec=Bi，thenKPorPIor PD=Ci；其中Ai，Bi、Ci是定義在e，ec和KD，PI，PD論域上的模糊集，每條規(guī)則Rij=(Ai×Bi)T×Cij，共有64條規(guī)則；根據e，ec模糊量化后的X，Y，可以計算出KP，PI，PD所對應的模糊控制表。以KP為例計算后的模糊控制見表3所列。

表3　KP模糊控制表

按照模糊控制規(guī)則和級化函數進行反模糊化計算后可得到實際的參數值。

2.3.3輸出反模糊化

反模糊化的實現取決于輸入量等級量化程序和模糊控制量查表程序的編制。

3模糊PID的程序實現

選擇S7-200 PLC作為排采控制系統(tǒng)的控制器。把查詢表元素存儲在PLC相應的變址寄存器中。調用模糊控制算法，進行PID運算，得到模糊輸出量控制輸出值。PLC控制系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5　PLC控制系統(tǒng)流程示意

4實驗結果

在該煤層氣選擇2口井驗證基于PID模糊控制的煤層氣自動排采系統(tǒng)，并且選擇不同的液面下降速度驗證整個排采控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性，在上位機站控系統(tǒng)軟件設定降液目標值和降液速率，同時記錄數據驗證。

1) 井位HG46-3，降液時間24 h，設定目標值為2.685 MPa，速率為0.02 MPa/d(2 m/d)，如圖6所示。

圖6　降液速度為2m/d時井底流壓變化值

2) 井位HG46-1，降液時間24h，設定目標值為2.623 MPa，速率為0(即保持當前液面)，如圖7所示。

圖7　降液速度為0時井底流壓變化值

從圖6，圖7看出： 設定降幅在預定時間內完成，且穩(wěn)定于設定壓力。下降速率穩(wěn)定，基本成線性。系統(tǒng)控制精度小于0.001 MPa，完全符合油田用戶排采工藝要求。

5結束語

為了適應現場實際工況和外部擾動，筆者設計的智能排采系統(tǒng)采用了基于模糊PID的智能控制算法，并且在控制系統(tǒng)核心控制器上將算法

進行編程實現。在上位機站控系統(tǒng)上記錄數據驗證，選取了2口試驗井，根據現場試驗結果可以得出以下結論：

1) 基于模糊PID的智能控制算法能夠減少外部擾動，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性。

2) 整個系統(tǒng)的控制精度小于0.001 MPa，完全滿足油田用戶的使用要求。

3) 煤層氣智能排采控制系統(tǒng)的成功研發(fā)，為煤層氣實現智能化和數字化油氣田管理、提高勞動生產率、節(jié)能降耗提供了有力的保障，并且為未來油氣田排采裝備的發(fā)展提供了新的發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]趙慶波.煤層氣地質與勘探技術[M].北京： 石油工業(yè)出版社，1999.

[2]石惠寧,馬成宇,梅永貴，等.樊莊高煤階煤層氣井智能排采技術研究及應用[J].石油鉆采工藝,2010,32(04) ： 107-108.

[3]來軍，程發(fā)興，范櫻花.抽油機變頻控制器的應用與技術發(fā)展[J].石油機械，2003，31(10)： 65-67.

[4]張建國，苗耀，李夢溪.沁水盆煤層氣水平井產能因素分析[J].中國石油勘探，2010，15(02)： 49-54.

[5]楊焦生，王一兵，王憲花.煤層氣井井底流壓分析及計算[J].天然氣工業(yè)，2010，30(02)： 66-69.

[6]童敏，齊明明，馬培新，等.高氣液比氣井井底流壓計算方法研究[J].石油鉆采工業(yè)，2006，28(04)： 71-73.

[7]婁劍青.影響煤層氣井產量的因素分析[J].天然氣工業(yè)，2004，24(04)： 62-64.

[8]倪小明，王延斌，接銘訓，等.煤層氣排采初期合理排采強度的確定方法[J].西南石油大學學報，2007，29(06)： 101-104.

[9]曾光奇.模糊控制理論與工程應用[M].武漢： 華中科技大學出版社，2006.

[10]汪小澄，方強.基于PLC的模糊控制研究[J].武漢大學學報，2002，35(03)： 79-80 .

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)01-0046-04

作者簡介：高肇凌(1981—)，2008年畢業(yè)于燕山大學模式識別與智能系統(tǒng)專業(yè)，獲碩士學位，現主要從事石油裝備自動化、控制產品的研制工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-09-24，修改稿收到日期： 2015-11-28。