基于仿人智能的油田地層注水系統(tǒng)控制策略探討

楊張利

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院， 重慶 401331)

注水驅(qū)油是維持油田長(zhǎng)期高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的有效方法。油田地面注水就是在采油活動(dòng)中借助注入一些驅(qū)替介質(zhì)使油層產(chǎn)生一定壓力，即補(bǔ)充地層能量保持油層壓力以利開(kāi)采。作為驅(qū)替介質(zhì)的水，易于獲得，且與石油不兼容，密度大于油的密度，能直接將底層的原油驅(qū)替到生產(chǎn)井內(nèi)，即利用水可使原油移動(dòng)到適合開(kāi)采的地方以提高開(kāi)采效率[1-4]。基于我國(guó)貧油田較多，目前國(guó)內(nèi)以水驅(qū)油方式開(kāi)采的原油產(chǎn)量保持在總產(chǎn)量的80%以上，因此在油田開(kāi)發(fā)全周期的不同階段都采用注水方式以水驅(qū)油，綜合注采率和經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較高。油田地面注水系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，注水井口與注水泵站均可與注水管網(wǎng)相聯(lián)結(jié)，形成“網(wǎng)狀”的結(jié)構(gòu)，基于注水管網(wǎng)與注水工藝的優(yōu)化，可對(duì)注水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造和優(yōu)化控制[5-7]。由于歷史和技術(shù)等原因，注水系統(tǒng)效率不高，常處于“大馬拉小車(chē)”狀態(tài)運(yùn)行，造成電能的極大浪費(fèi)。此外，控制手段落后，有的注水壓力甚至采用水泵出口閘門(mén)手動(dòng)控制，水泵與電機(jī)特性不匹配，很難在最佳工況點(diǎn)運(yùn)行[5-10]。為此，結(jié)合工程實(shí)踐，本文對(duì)油田注水節(jié)能控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行探討。

1 控制目標(biāo)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 控制目標(biāo)

油田地層注水系統(tǒng)要解決的問(wèn)題：一是盡可能最大限度地節(jié)能，二是維持注水壓力的恒壓控制。因此，系統(tǒng)控制的目標(biāo)可簡(jiǎn)單概括為：在滿足注水工藝要求的前提下，維持油田地層注水系統(tǒng)的注水壓力恒定并最大限度地節(jié)約電能。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

滿足注水系統(tǒng)控制目標(biāo)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 油田注水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中：r、y分別為控制系統(tǒng)的輸入和輸出；P為控制器輸出；e=y-r，表示系統(tǒng)誤差。傳動(dòng)裝置采用變頻器直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，以改變水流量并維持水壓恒定。變頻器用于調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以有效地降低系統(tǒng)的電能損耗。圖1注水系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：

① 電動(dòng)機(jī)可通過(guò)變頻器或軟起動(dòng)從0～50 Hz作緩慢的加速起動(dòng)，以減少電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)(避免起動(dòng)電流大導(dǎo)致對(duì)電網(wǎng)的沖擊和機(jī)泵因突然高速起動(dòng)帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng))，因此該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有利于電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟起動(dòng)和自由停車(chē)。

② 便于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)功率與實(shí)際負(fù)荷相匹配，改善電動(dòng)機(jī)的電源質(zhì)量，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，確保注水系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

③ 機(jī)泵的平穩(wěn)運(yùn)行可消除泵的喘振現(xiàn)象，確保機(jī)泵運(yùn)行始終處于期望的最佳工況狀態(tài)。

④ 便于實(shí)現(xiàn)注水系統(tǒng)壓力的自動(dòng)跟蹤控制，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保被調(diào)節(jié)量可實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的調(diào)節(jié)。

⑤ 控制器選擇靈活性大，有利于控制策略與系統(tǒng)控制論特性匹配的實(shí)現(xiàn)。

2 控制論特性、控制策略與控制算法

2.1 注水過(guò)程的控制論特性

被注水地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與之相應(yīng)的水路管網(wǎng)結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，涉及眾多不確定性因素，人們對(duì)其了解程度近似一個(gè)黑箱。但從控制論特性分析可知，注水過(guò)程表現(xiàn)出以下特性[11]：注水過(guò)程中受眾多不確定性因素影響，系統(tǒng)參數(shù)具有隨機(jī)性、未知性和時(shí)變性；注水系統(tǒng)具有時(shí)滯特性，時(shí)滯因不確定性因素所致，同樣具有未知性和時(shí)變性；注水系統(tǒng)是慣性系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)，變量眾多，其變量間存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性；野外油田環(huán)境存在干擾的不確定性、隨機(jī)性、多樣性和未知性。特別在后期開(kāi)發(fā)中，地質(zhì)情況變化較大，注水井增多，必然會(huì)發(fā)生水路管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和開(kāi)并井?dāng)?shù)的增減變化以及洗井與供水不足，造成注水量難以達(dá)到均勻和穩(wěn)定，導(dǎo)致經(jīng)常引起注水壓力波動(dòng)。上述特性表明，油田注水過(guò)程中充滿了不確定性和復(fù)雜性，采用傳統(tǒng)方法難于建立數(shù)學(xué)模型，基于范式控制的傳統(tǒng)控制策略與控制算法(如PID、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制算法等)是無(wú)濟(jì)于事與無(wú)能為力的，采用傳統(tǒng)控制策略難以對(duì)注水過(guò)程實(shí)施有效的優(yōu)化控制，因此有必要尋求與注水過(guò)程控制論特性相匹配的新控制策略與控制算法。

2.2 控制策略選取

地層注水系統(tǒng)的控制目標(biāo)是在滿足注水工藝的前提下最大限度地節(jié)約電能并維持對(duì)地層的恒壓注水。顯然，最大限度地節(jié)約電能屬于成本控制問(wèn)題，涉及直接驅(qū)動(dòng)級(jí)的執(zhí)行策略選??；維持對(duì)地層的恒壓注水屬于對(duì)注水過(guò)程的控制策略，該過(guò)程是一個(gè)信息處理過(guò)程，其信息處理過(guò)程本身幾乎不消耗能量，卻是實(shí)現(xiàn)節(jié)能恒壓注水的關(guān)鍵所在[12-13]。

2.2.1控制策略

綜上，基于數(shù)學(xué)描述的范式傳統(tǒng)控制策略是不可取的，因此只能選取智能控制策略?？晒┻x擇的控制策略有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等，無(wú)需建立數(shù)學(xué)模型就可實(shí)施控制，但均有其應(yīng)用范圍，須針對(duì)特定范圍和領(lǐng)域才能充分發(fā)揮其控制優(yōu)勢(shì)，并非萬(wàn)能。比如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制由于不確定性造成學(xué)習(xí)樣本難以提供，導(dǎo)致不可能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值訓(xùn)練，因此難以應(yīng)用。又如，由于不確定性，模糊控制及其變形策略因隸屬度函數(shù)無(wú)法確定造成控制規(guī)則無(wú)法確定，最終導(dǎo)致其不可能用于實(shí)施控制[14-15]。其中值得關(guān)注的是仿人智能控制HSIC(human simulated intelligent controller)策略[16],因其更貼近現(xiàn)實(shí)工程實(shí)踐顯得特別可取。該策略總結(jié)人的控制經(jīng)驗(yàn)，模仿人的控制行為，只要注水過(guò)程偏離期望注水狀態(tài)就可以產(chǎn)生式規(guī)則描述注水過(guò)程的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，借助直覺(jué)推理，模仿控制專(zhuān)家的控制行為，構(gòu)造出與注水過(guò)程控制匹配的控制算法，從而協(xié)調(diào)注水過(guò)程中快速性與平滑性、魯棒性與精確性等控制品質(zhì)指標(biāo)。鑒于該策略可方便地將現(xiàn)場(chǎng)操作者及控制專(zhuān)家的控制技巧、控制經(jīng)驗(yàn)與控制智慧巧妙地嵌入到控制算法中，因此本文在注水過(guò)程中采用基于仿人智能的融合控制策略。

2.2.2控制執(zhí)行策略

電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：

n=60·f·(1-s)/p

式中：p為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)；f為供電電源頻率；s是轉(zhuǎn)差率；n是電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。由電機(jī)轉(zhuǎn)速公式可見(jiàn)，n∝f，即改變f可平滑地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n。地層注水系統(tǒng)的水泵屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其電動(dòng)機(jī)軸功率P、地層注水流量Q、地層注水壓力H與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n之間具有如下關(guān)系：P∝n3，Q∝n,H∝n2,也就是說(shuō)電動(dòng)機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比，地層注水流量與轉(zhuǎn)速成正比，地層注水壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比。因此，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n就可實(shí)現(xiàn)恒壓供水對(duì)注水流量的控制。變頻調(diào)速不僅節(jié)能效果明顯而且調(diào)節(jié)方便，設(shè)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nN,額定功率為PN，若實(shí)際輸出功率為P時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為n，那么采用功率表示的節(jié)能效果可以表示為

(1)

式中：如取n/nN=2/3,則ΔP=0.67PN,也就是說(shuō)在理想情況下，其節(jié)能控制效果可達(dá)67%，可見(jiàn)節(jié)能效果相當(dāng)顯著。

2.3 控制算法

(2)

上述算法中，KP為比例系數(shù)，k為抑制系數(shù)，P為控制器輸出，em, j表示系統(tǒng)誤差最大值的第j次峰值。

基于上述HSIC基本控制算法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，將控制專(zhuān)家與操作者的控制知識(shí)、控制技巧、控制經(jīng)驗(yàn)與控制智慧巧妙地嵌入到控制算法中[17]，對(duì)不確定性注水過(guò)程采用基于仿人智能的融合控制策略，其控制規(guī)則概括于表1。該控制規(guī)則完整地描述了注水過(guò)程狀態(tài)在信息空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡，既反映了過(guò)程的所有動(dòng)態(tài)信息，又反映了控制作用對(duì)過(guò)程的影響。表1中，KP為比例增益；K1為增益放大系數(shù)，K1> 1；K2為抑制系數(shù)，0M2；em,n為e的第n個(gè)極值。

表1 控制規(guī)則

序號(hào)如果條件成立則輸出等于模式名稱(chēng)1︱en︱>M1FFH 或00H開(kāi)關(guān)2當(dāng)en·Δen>0或Δen=0, en≠0且︱en︱>M2︱en︱0, en=0P0(n)=P0(n-1保持14當(dāng)en·Δen<0Δen·Δen-1<0且︱en︱≥M2︱en︱

3 實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)仿真

針對(duì)注水過(guò)程的控制論特性(如過(guò)程參數(shù)的不確定性，過(guò)程變量間的關(guān)聯(lián)性、未知性以及時(shí)變性等)，由于其難以數(shù)學(xué)建模，因此實(shí)驗(yàn)仿真中只能采用等效的方法假定數(shù)學(xué)模型，以改變模型控制參數(shù)的方法模擬注水過(guò)程控制論特性的變化，從而考察控制策略的優(yōu)劣。其中，最好的方法就是考察控制算法的魯棒性，如果控制算法魯棒性很強(qiáng)，那么這種控制策略無(wú)疑是可取的，因?yàn)楫?dāng)注水過(guò)程參數(shù)發(fā)生變化時(shí)其控制效果并不受參數(shù)變化的影響，仍然可以獲得良好的控制品質(zhì)。針對(duì)注水過(guò)程兼具慣性、時(shí)滯等特性，可將其近似為一個(gè)1階慣性環(huán)節(jié)加純時(shí)滯的模型，為此，將注水過(guò)程數(shù)學(xué)模型假設(shè)為

W(S)=Ke-τs/ (Ts+1)

模型中：T為過(guò)程的時(shí)間常數(shù)；τ為純滯后時(shí)間；K為增益系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)仿真基于Matlab環(huán)境，利用Simulink工具箱搭建系統(tǒng)仿真模型，在單位階躍輸入信號(hào)作用下，分別采用PID和HSIC算法控制同一被控過(guò)程，然后考察注水過(guò)程的單位階躍響應(yīng),以此判定HSIC算法是否具有很強(qiáng)的魯棒性。為了方便實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果對(duì)比，本文給出了過(guò)程參數(shù)改變時(shí)不同算法控制的單位階躍響應(yīng)對(duì)比曲線。當(dāng)K=1，τ= 2和T=1.2時(shí)，實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比曲線如圖2所示；當(dāng)K=2，τ=2和T=1.2時(shí)，實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比曲線如圖3所示； 當(dāng)K=1，τ= 4和T=1.2時(shí)，實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比曲線如圖4所示；當(dāng)K=10，τ= 2和T=1.2時(shí)，實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比曲線如圖5所示；當(dāng)傳遞函數(shù)由W(S)=Ke-τs/(Ts+1)變成W(S)=Ke-τs/(Ts+1)( 2s+1)時(shí)，實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比曲線如圖6所示。

圖2 過(guò)程響應(yīng)比較

圖3 T改變的響應(yīng)比較

圖4 τ改變的響應(yīng)比較

圖5 K改變的響應(yīng)比較

圖6 二階過(guò)程的響應(yīng)比較

從圖2可以看出，在上升時(shí)間與調(diào)整時(shí)間方面， HSIC控制快于PID控制，HSIC控制策略有更好的控制品質(zhì)。圖3顯示，T改變時(shí)，HSIC控制響應(yīng)幾乎沒(méi)有變化，但PID控制產(chǎn)生較大的超調(diào)。從圖4可以看出，τ改變時(shí)，HSIC控制僅在響應(yīng)時(shí)間上向后推遲了2 s，其響應(yīng)幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，但PID控制產(chǎn)生了大幅度的超調(diào)。圖5顯示，HSIC控制仍保持無(wú)超調(diào)且控制響應(yīng)平穩(wěn)，幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，但PID控制不僅有嚴(yán)重的超調(diào)量產(chǎn)生，而且還產(chǎn)生震蕩。從圖6可以看出，在原傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上增加一個(gè)慣性環(huán)節(jié)1/(2s+1)，即由1階過(guò)程變?yōu)?階過(guò)程時(shí)，HSIC控制無(wú)超調(diào)量出現(xiàn)，控制效果平穩(wěn)，其響應(yīng)曲線幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，但PID控制產(chǎn)生了嚴(yán)重超調(diào)。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析

上述魯棒性實(shí)驗(yàn)表明：與PID控制相比，基于HSIC的控制具有很強(qiáng)的魯棒性，當(dāng)過(guò)程參數(shù)變化甚至由1階過(guò)程變?yōu)?階過(guò)程時(shí)，HSIC控制的響應(yīng)幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，都能獲得良好的控制品質(zhì)，取得了令人滿意的控制效果。因此，對(duì)注水過(guò)程控制而言，HSIC控制策略是合理、可行和可取的。

4 結(jié)束語(yǔ)

油田開(kāi)發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境復(fù)雜，而油田地層注水本身就是一個(gè)具有不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)。為了在滿足注水工藝要求的前提下，實(shí)現(xiàn)維持油田地層注水系統(tǒng)的注水壓力恒定并最大限度地節(jié)約電能的控制目標(biāo)，研究與地層注水過(guò)程控制論特性相匹配的控制策略十分重要。文中基于仿人智能的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，采用智能融合控制策略對(duì)注水過(guò)程實(shí)施控制是可行的。