基于懸點(diǎn)示功圖面積變化的抽油機(jī)沖次優(yōu)化調(diào)整方法

徐向前，周好斌，李茂

(1. 西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2. 長慶油田分公司機(jī)械制造總廠，陜西 西安 710201)

基于懸點(diǎn)示功圖面積變化的抽油機(jī)沖次優(yōu)化調(diào)整方法

徐向前1，周好斌1，李茂2

(1. 西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2. 長慶油田分公司機(jī)械制造總廠，陜西 西安 710201)

現(xiàn)有數(shù)字化抽油機(jī)主要依靠工控機(jī)的計算能力分析示功圖，然后進(jìn)行沖次的調(diào)整，缺乏智能調(diào)整沖次的功能。提出了基于示功圖面積變化的沖次優(yōu)化方法，在現(xiàn)有的數(shù)字化抽油機(jī)的遠(yuǎn)程終端單元(RTU)和變頻器之間增加沖次調(diào)整優(yōu)化模塊，模塊由單片機(jī)作為核心芯片，根據(jù)懸點(diǎn)示功圖面積的變化優(yōu)化調(diào)整沖次，同時完成與RTU和變頻器的通信控制。試驗結(jié)果證明： 基于示功圖面積變化的抽油機(jī)沖次優(yōu)化調(diào)整方法切實可行，沖次的調(diào)整優(yōu)化滿足了油井供液能力變化的趨勢。

游梁式抽油機(jī) 示功圖 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)中國油田低產(chǎn)油井?dāng)?shù)量多、泵效和系統(tǒng)效率較低、噸液耗電量居高不下等實際情況[1-3]，工程技術(shù)人員將變頻器應(yīng)用于采油工程中[4-5]，擬解決沖次與油井供液能力匹配問題，抽油機(jī)變頻控制技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了沖次在一定范圍內(nèi)的無級調(diào)節(jié)[6]。由于油井的供液能力隨著開采時間不斷發(fā)生變化，因而抽油機(jī)沖次的調(diào)整和優(yōu)化需要不間斷地進(jìn)行。

油田目前普遍采用的數(shù)字化抽油機(jī)智能調(diào)節(jié)沖次的具體過程： 通過載荷、位移傳感器，獲得載荷位移功圖，即地面功圖；利用地面功圖和油井參數(shù)，求解地面到油井下泵深處的抽油桿桿系迭代方程，得到抽油桿桿系的彈性變形量，從而獲得抽油桿下部連接處抽油泵的載荷和位移，則得到了抽油泵的泵功圖；由泵功圖得出泵的有效沖程，再由沖次即可獲得產(chǎn)液量。因此，數(shù)據(jù)需要從井口開始采集，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸，在工控機(jī)上進(jìn)行運(yùn)算，由工控機(jī)下達(dá)控制指令，如圖1所示。該過程在理論上形成了閉環(huán)控制，能夠合理解決沖次的優(yōu)化和調(diào)整問題，但是多臺抽油機(jī)與同1臺工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時專用的“功圖分析”軟件計算較為復(fù)雜，功圖的分析和計算都需要一定時間，因而數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸在間斷的情況下進(jìn)行，閉環(huán)控制實時性較差。

現(xiàn)有的數(shù)字化抽油機(jī)沖次調(diào)整方法計算量大，占用計算機(jī)內(nèi)存較多，主要原因是通過專用的“功圖分析”軟件由懸點(diǎn)示功圖導(dǎo)出泵的功圖，得到油井的產(chǎn)液量，該過程中通常要求解波動方程，過程較為復(fù)雜。因此，筆者提出了基于示功圖面積變化的沖次優(yōu)化調(diào)整方法，在不依賴工控機(jī)的運(yùn)算和控制基礎(chǔ)上，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、控制，保證了抽油機(jī)更加可靠的運(yùn)行。

圖1 現(xiàn)有數(shù)字化抽油機(jī)井智能控制系統(tǒng)流程示意[7]

1 基于示功圖面積變化的沖次優(yōu)化調(diào)整方法

在懸點(diǎn)示功圖和泵功圖之間有著很多必然的聯(lián)系，比如同1口油井在無故障時兩功圖的圖形相近，但是面積不同。因此，在現(xiàn)有數(shù)字化抽油機(jī)基礎(chǔ)上提出基于懸點(diǎn)示功圖面積變化的沖次調(diào)整方法，具體方案為在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，增加1臺沖次調(diào)整優(yōu)化模塊，如圖2所示。

圖2 最佳沖次判定方案示意

在現(xiàn)有的數(shù)字化抽油機(jī)井口遠(yuǎn)程終端單元(RTU)和沖次調(diào)節(jié)變頻器間增加沖次調(diào)整優(yōu)化模塊，主要功能有接收載荷位移信息形成懸點(diǎn)示功圖，計算示功圖面積及變化率，完成RTU對變頻器的控制和沖次的調(diào)整優(yōu)化。對單井信息的采集和接收控制命令通過RTU進(jìn)行，僅將RTU對變頻器的通信控制功能轉(zhuǎn)移到?jīng)_次調(diào)整優(yōu)化模塊中。接收載荷位移傳感器信息形成示功圖和對變頻器的通信控制，在此不進(jìn)行詳細(xì)描述，主要介紹如何根據(jù)示功圖面積變化調(diào)整沖次有關(guān)事項。

1) 示功圖面積計算根據(jù)示功圖的信息記錄過程逐步完成；懸點(diǎn)示功圖是由位移和載荷組成的數(shù)據(jù)點(diǎn)和點(diǎn)進(jìn)行直線連接構(gòu)成的圖形。在進(jìn)行載荷位移傳感器數(shù)據(jù)信息采集時，采用位移等步距進(jìn)行，即示功圖的橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)是等距的。因此，在計算示功圖面積時，首先按照位移信息采集的等距把示功圖分成橫坐標(biāo)等距的面積計算單元，并計算每個單元的面積，然后從抽油機(jī)“下死點(diǎn)”到“上死點(diǎn)”間各個等距面積相加，得到示功圖的面積。

2) 采用步驟1)方法分別記錄當(dāng)前示功圖的面積Sk，下一個時刻示功圖面積Sk+1和前一時刻面積Sk-1。分別計算當(dāng)前示功圖面積與下一時刻示功圖面積差ΔSk=Sk-Sk+1和前一時刻示功圖面積與當(dāng)前示功圖面積差ΔSk-1=Sk-1-Sk，若ΔSk在誤差允許范圍內(nèi)，則保持現(xiàn)有沖次不變，當(dāng)前沖次為最佳；否則比較2個差值ΔSk和ΔSk-1的大小，若ΔSk>ΔSk-1且ΔSk大于誤差允許范圍，則需要降低沖次；如ΔSk≤ΔSk-1且ΔSk大于誤差允許范圍，則需要提高沖次。無論是提高沖次還是降低沖次，最佳沖次的判定是ΔSk在誤差允許范圍內(nèi)。具體判斷過程如圖3所示。

圖3 沖次優(yōu)化調(diào)整過程流程示意

2 基于示功圖面積變化的沖次優(yōu)化調(diào)整實現(xiàn)

從以上分析可以得出： 沖次優(yōu)化調(diào)整模塊的輸入為RTU采集的載荷傳感器和位移傳感器信息，輸出為對變頻器的控制信息。其中，載荷傳感器設(shè)置于抽油機(jī)懸繩器位置；位移傳感器選用角位移傳感器設(shè)置于抽油機(jī)上游梁支承軸位置；變頻器設(shè)置于抽油機(jī)的智能控制柜內(nèi)，執(zhí)行沖次的調(diào)整。沖次調(diào)整模塊采用單片機(jī)完成相應(yīng)程序功能的實現(xiàn)。

2.1 載荷位移信息接收

單片機(jī)上可以實現(xiàn)Modbus通信[8]，而RTU采用了標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信協(xié)議，因而單片機(jī)與RTU之間可以進(jìn)行基于Modbus的數(shù)據(jù)通信。RTU具有RS-485接口，Modbus通信也是基于該總線實現(xiàn)，因而根據(jù)通信協(xié)議，用單片機(jī)讀取RTU上傳給工控機(jī)的數(shù)據(jù)。單片機(jī)有2個串口通信單元，其中1個串口通信的發(fā)送引腳(TXD)接SP485芯片的4腳，接收引腳(RXD)接SP485芯片的1腳，SP485引腳6和引腳7接RS-485總線，如圖4所示。對該串口進(jìn)行通信程序的編寫，在功能上實現(xiàn)讀取載荷和位移傳感器的信息。

圖4 單片機(jī)與SP485芯片搭建的 RS-485總線電路示意

2.2 示功圖面積變化及沖次調(diào)整

根據(jù)得到的載荷位移信息，在單片機(jī)的RAM區(qū)建立示功圖的面積計算。利用2.1節(jié)的方法，在單片機(jī)內(nèi)部建立坐標(biāo)系，累加各個信息點(diǎn)的面積，得到單個示功圖的面積。在此分別計算了3個時刻的示功圖面積，并計算它們的差值。考慮到油井不同，抽油機(jī)型號也會不同，因而在計算示功圖面積時，將數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理，這樣可以方便準(zhǔn)確地計算示功圖面積及其變化趨勢等，從而比較示功圖面積變化的趨勢，得出調(diào)整沖次的方向，增加或者降低沖次。

2.3 變頻器通信控制

將調(diào)整沖次的命令傳遞給變頻器，需要單片機(jī)

與變頻器之間建立通信聯(lián)系?，F(xiàn)已有的數(shù)字化抽油機(jī)RTU與變頻器之間采用的是Modbus通信的方式，因而保留其通信方式不變，僅在單片機(jī)上編寫相應(yīng)的通信程序。變頻器通信控制程序利用單片機(jī)的另1個串口通信單元進(jìn)行編程，硬件電路與RTU通信相似。

2.4 試驗驗證

為了驗證沖次調(diào)整方法的有效性，在某油井CYJW7-2.5-26HF抽油機(jī)上進(jìn)行了試驗。試驗中觀察到： 沖次較高時，示功圖面積變小，泵充滿度可能不高，即抽汲速度與油井供液能力不匹配；降低沖次后示功圖面積變大，泵充滿度可能提高。隨著采油的繼續(xù)，沖次的不斷調(diào)整優(yōu)化，示功圖面積的變化將會很小，最終在誤差允許范圍內(nèi)，沖次達(dá)到最佳狀態(tài)。

3 結(jié)束語

1) 采用基于示功圖面積變化的調(diào)整優(yōu)化沖次方便可行。在現(xiàn)有數(shù)字化抽油機(jī)基礎(chǔ)上增加沖次調(diào)整優(yōu)化模塊，增加了抽油機(jī)的智能性。

2) 用單片機(jī)完成了示功圖面積的計算以及與RTU、變頻器的通信功能。沖次與油井供液能力的匹配變化，通過示功圖面積的變化體現(xiàn)出來，通過單片機(jī)的計算以及與變頻器的通信，執(zhí)行了沖次的調(diào)整。

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Adjusting and Optimizing Methods About Pumping Speed Based on Area Variation of Suspension Point Indicator Diagram

Xu Xiangqian1, Zhou Haobin1, Li Mao2

(1. Xi’an Shiyou University, Xi’an, 710065, China；2. Machinery Manufacturing Plant, Changqing Oilfield Company, Xi’an, 710201, China)

The existing digital oil pump unit mainly relies on calculation capability of industrial personal computer (IPC) to analysis indicator diagram, then to adjust pumping speed. One method based on indicator diagram area change to adjust pumping speed is proposed. The digital adjustment optimization module is set up between remote terminal unit(RTU) and frequency converter of existing digital oil pump unit. The single chip microcomputer is used as core chip of module. According to diagram area change, pumping speed is optimized in the module. The module has the function to communicate with RTU control and frequency convector meanwhile. The experimental results show the method based on indicator diagram area change to optimize speed is feasible. The adjustment optimization of pumping speed meets the change trend of oil well supply capacity.

digital oil pump; indicator diagram; parameter optimization

陜西省教育廳項目(2013JK1024)。

徐向前，男，2007年畢業(yè)于西安石油大學(xué)材料加工工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，2013年畢業(yè)于長安大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事機(jī)械設(shè)備自動控制的研究和教學(xué)等工作，任講師。

TP273

B

1007-7324(2017)03-0044-03

稿件收到日期： 2017-02-01，修改稿收到日期： 2017-02-27。