抽油機(jī)智能控制技術(shù)研究應(yīng)用

楊東寶，潘國(guó)輝，姚新玲，王東偉，張曉娟

（1.江蘇油田分公司采油一廠，江蘇揚(yáng)州 225700；2.江蘇油田油服中心，江蘇揚(yáng)州 225700）

以有效延長(zhǎng)油井的檢泵周期、提高機(jī)采系統(tǒng)效率最大化為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)游梁抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程在井下運(yùn)行狀況的分析，根據(jù)實(shí)際工況調(diào)整抽油機(jī)的沖次。應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制方法，控制抽油機(jī)每個(gè)沖次的運(yùn)行速度，以減小柱塞的沖程損失、降低桿柱載荷、提高泵效與產(chǎn)量并延長(zhǎng)檢泵作業(yè)周期。研究抽油井智能變速系統(tǒng)，提高系統(tǒng)泵效，減少?zèng)_程損失，提高充滿度，解決供液不足、供排不匹配的問(wèn)題；降低系統(tǒng)能耗，實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率均勻輸出，系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，解決抽油機(jī)不平衡問(wèn)題；延長(zhǎng)檢泵周期，減少抽桿慣性載荷及其應(yīng)力幅度，改善應(yīng)變疲勞，減少管桿偏磨；實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)“按需而行”，提高系統(tǒng)效率[1-4]。

1 存在的主要問(wèn)題

有桿-抽油機(jī)系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、可靠性高、耐久性好、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，在采油機(jī)械中占有舉足輕重的地位。全國(guó)大約80%的油田均采用該類機(jī)采舉升系統(tǒng)進(jìn)行原油開(kāi)采，整體規(guī)模超過(guò)24 萬(wàn)套。但普遍存在兩方面的問(wèn)題。

1.1 作業(yè)成本高

由于抽油機(jī)的機(jī)構(gòu)原因，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)四連桿機(jī)構(gòu)傳輸至懸點(diǎn)后，會(huì)牽引抽油桿在一個(gè)沖程周期內(nèi)做變加速度運(yùn)動(dòng)。由此產(chǎn)生的慣性載荷，以及舉升過(guò)程中的其他負(fù)載，會(huì)交替作用在抽桿上使其振動(dòng)、形變。如果生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)不合理（如沖次過(guò)大），或者抽油機(jī)系統(tǒng)不平衡，將會(huì)使抽油桿過(guò)度拉伸、失穩(wěn)屈服，增加其與油管間的摩擦損耗，縮短抽油桿的使用壽命，使油管、抽桿、接箍損壞，導(dǎo)致油井躺井檢泵，增加成本投入，縮短檢泵周期。同時(shí)，也會(huì)使減速器的齒輪經(jīng)常受反向載荷，產(chǎn)生背向沖擊，降低抽油機(jī)的使用壽命。目前檢泵作業(yè)成本占全國(guó)各油田抽油機(jī)井總維護(hù)成本的60%。其中，因抽桿斷、脫、偏磨等原因躺井檢泵的油井占到了總開(kāi)井?dāng)?shù)的45%。江蘇油田采油一廠每年因此類原因而檢泵的油井在250～300 口，占總開(kāi)井?dāng)?shù)25%以上，檢泵費(fèi)用占全廠作業(yè)成本30%以上，每年平均報(bào)廢抽桿數(shù)量30 萬(wàn)米。

1.2 系統(tǒng)效率低

游梁式抽油機(jī)的系統(tǒng)效率在國(guó)內(nèi)大部分油田只有12%到23%，少部分地區(qū)至今不到30%。美國(guó)的常規(guī)抽油機(jī)系統(tǒng)效率較高，但也僅有46%。江蘇油田一廠機(jī)系統(tǒng)效率為30%，負(fù)載率36%以下，并且泵效小于60%的油井占到了45%，其中，泵效小于30%的占到了17%。抽油機(jī)工作制度不合理，是導(dǎo)致油層-采油系統(tǒng)供采不平衡，制約油井泵效，導(dǎo)致電能消耗較大，系統(tǒng)效率低下的主要原因。而大量研究及實(shí)際表明，在地層能量及下泵深度，泵徑一定的情況下，抽油機(jī)懸點(diǎn)速度以及一個(gè)沖程周期內(nèi)的懸點(diǎn)速度變幅是影響管桿損耗，產(chǎn)量及能耗的關(guān)鍵因素。

2 抽油機(jī)自適應(yīng)控制技術(shù)

2.1 抽油機(jī)自適應(yīng)控制技術(shù)總體設(shè)計(jì)方法

抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)主要由電流矢量變頻器、位置傳感器、變速控制模塊、控制電路、液晶顯示器和無(wú)線示功儀組成。抽油機(jī)拖動(dòng)裝置，位置傳感器外安裝在抽油機(jī)變速箱上，示功儀安裝在驢頭懸點(diǎn)位置，其余部分都安裝在控制柜內(nèi)。

2.2 基本控制模型研究

2.2.1 基于軟測(cè)量的動(dòng)液面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（empirical mode decomposition，EMD）方法對(duì)軟測(cè)量建模數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，將建模輸入數(shù)據(jù)分為趨勢(shì)值和波動(dòng)值兩部分，采用趨勢(shì)值預(yù)測(cè)動(dòng)液面，波動(dòng)值預(yù)測(cè)補(bǔ)償誤差。最后，將動(dòng)液面預(yù)測(cè)值與補(bǔ)償值相結(jié)合得到最終動(dòng)液面預(yù)測(cè)值。為提高模型的自適應(yīng)性，將預(yù)測(cè)值作為軟傳感器輸出，采用多元統(tǒng)計(jì)算法對(duì)其進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證，根據(jù)結(jié)果自適應(yīng)更新預(yù)測(cè)模型。

2.2.2 抽油機(jī)沖次優(yōu)化研究 用于確定抽油機(jī)的總體運(yùn)行速度。主要考慮供排關(guān)系及能耗。擬通過(guò)建立采油參數(shù)（油井參數(shù)、抽汲參數(shù)、電參數(shù)）與產(chǎn)液量/耗電量之間的潛在關(guān)系，同時(shí)建立產(chǎn)液量/耗電量預(yù)測(cè)模型，通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化獲得實(shí)時(shí)最佳沖次。整體框圖（見(jiàn)圖1）。生產(chǎn)參數(shù)與產(chǎn)耗的模型建立采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，示意圖（見(jiàn)圖2）。

圖1 沖次優(yōu)化示意圖

圖2 生產(chǎn)參數(shù)與產(chǎn)耗模型示意圖

而由機(jī)采裝備與油藏構(gòu)成的機(jī)采系統(tǒng)具有緩慢時(shí)變特性，其輸出除了與輸入變量（沖次等操作參數(shù)）有關(guān)外，還受環(huán)境噪聲（設(shè)備老化、人為誤差等）和油藏狀態(tài)變量（黏度、含水率、動(dòng)液面等）影響。傳統(tǒng)的靜態(tài)模型隨時(shí)間模型精度將逐漸變差。為了克服上述問(wèn)題，課題組提出了基于無(wú)極卡爾曼濾波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（UKFNN）的動(dòng)態(tài)演化建模方法。該方法采用非線性卡爾曼濾波算法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值、閾值作為濾波算法的狀態(tài)矢量，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出作為濾波算法的觀測(cè)矢量，通過(guò)濾波算法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，得到機(jī)采過(guò)程的動(dòng)態(tài)演化模型。該模型實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)模型到動(dòng)態(tài)模型的跨越，建立的模型能夠初步隨著時(shí)間、油藏狀況、設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)的變化而自適應(yīng)變化，示意圖（見(jiàn)圖3）。

圖3 UKFNN 動(dòng)態(tài)演化建模示意圖

2.2.3 周期內(nèi)的運(yùn)行速度控制 抽油機(jī)采油過(guò)程中，上沖程和下沖程需要的動(dòng)力大小和來(lái)源有所不同，若采用等速運(yùn)動(dòng)，將大大加大電機(jī)能量損耗和抽油設(shè)備的磨損。如果將沖次優(yōu)化理解為長(zhǎng)時(shí)趨勢(shì)預(yù)測(cè)優(yōu)化，那么周期內(nèi)運(yùn)行速度優(yōu)化則屬于短時(shí)趨勢(shì)預(yù)測(cè)優(yōu)化。通過(guò)對(duì)上、下沖程的懸點(diǎn)受力分析、上、下沖程的曲柄做功分析、運(yùn)行速度對(duì)沖程損失的影響分析，建立周期內(nèi)電機(jī)輸出扭矩預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)控制周期內(nèi)運(yùn)行速度優(yōu)化。根據(jù)油井的基本參數(shù)結(jié)合油井的特點(diǎn)以及調(diào)控的目的綜合設(shè)計(jì)，建立了抽油機(jī)周期內(nèi)的控制模型。設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)換算法，將控制模型轉(zhuǎn)換成控制模塊可執(zhí)行的控制數(shù)據(jù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

通過(guò)抽油機(jī)智能控制技術(shù)的研究應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了智能控制系統(tǒng)能夠接收井口的多種設(shè)備的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)分析后反饋控制抽油機(jī)的運(yùn)行。達(dá)到了智能控制系統(tǒng)控制抽油機(jī)的沖次自動(dòng)調(diào)整。通過(guò)智能控制系統(tǒng)能控制油井運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量最大化的設(shè)計(jì)，能耗最低化運(yùn)行。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了好的經(jīng)濟(jì)效果，投資回收期在2 到3 年，實(shí)現(xiàn)油井產(chǎn)量與油藏供液能力匹配最優(yōu)化，機(jī)采井工況最合理，大幅降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量，延長(zhǎng)油井免修期，節(jié)能降耗，有效提高油田開(kāi)發(fā)水平，具有較好的推廣應(yīng)用前景。