基于沖速能耗的有桿抽油機(jī)產(chǎn)液量最大化智能控制

張春波 張寶軍 張吉波（東營東日電氣有限公司）

目前國內(nèi)外油井主要采用有桿抽油機(jī)舉升采油。由于供排能力不協(xié)調(diào)、抽汲參數(shù)不合理、井上和井下設(shè)備效率低、平衡效果差、設(shè)備管理不到位等因素的存在，產(chǎn)液量低、效率低、能耗高是有桿抽油系統(tǒng)普遍存在的問題。

近年來，變頻調(diào)速技術(shù)和智能控制技術(shù)的運用，給抽油機(jī)的增產(chǎn)節(jié)能和智能化控制帶來了曙光。

1 變頻調(diào)速技術(shù)

變頻調(diào)速在抽油機(jī)上應(yīng)用，能方便地調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)抽油機(jī)井的抽油沖速。變頻調(diào)速的使用能將配電功率因數(shù)提高到0.9 以上，并實現(xiàn)電動機(jī)真正的軟啟動。

但由于抽油機(jī)倒發(fā)電現(xiàn)象的存在，在實際應(yīng)用中必須加裝回饋制動裝置或能耗制動組件才能保證變頻器正常運行，從而導(dǎo)致裝置成本偏高?；仞佒苿訉?dǎo)致對電網(wǎng)的諧波污染加劇，能耗制動導(dǎo)致節(jié)能效果差甚至比工頻更費電。

同時，通用變頻器無法識別油井的工況，無法實現(xiàn)智能控制，只能控制電動機(jī)在固定頻率下運行。實際應(yīng)用時往往為了追求節(jié)電率而將沖速調(diào)整過低，導(dǎo)致產(chǎn)液量下降。

所以，單純的變頻調(diào)速技術(shù)存在著致命傷，不僅成本高，而且不能滿足抽油機(jī)智能運行的要求，使抽油機(jī)井的增產(chǎn)節(jié)能潛力得不到充分挖掘。

2 IPR 曲線與增產(chǎn)節(jié)能

IPR 曲線即油井的流入動態(tài)曲線，是油井產(chǎn)液量與流壓的關(guān)系曲線。流壓是井底油層中部的壓力，是套管中液柱靜壓與套壓之和。IPR 曲線是油氣層工作特性的綜合反映，與油藏及流體的物性相關(guān)。國內(nèi)外大量的實踐和研究表明，當(dāng)流壓降低至飽和壓力以下時，氣體會從原油中分離出來，形成油氣相混合液或油氣水相混合液，使液相流動能力降低，地層滲透阻力增加。當(dāng)流壓低于飽和壓力并逐漸降低時，產(chǎn)液量從升高變緩到出現(xiàn)最大值拐點，然后逐漸降低。產(chǎn)液量最大點對應(yīng)的流壓是油井流壓的最小流壓界限。油井在最小流壓界限以下生產(chǎn)時，電耗增加，產(chǎn)液量下降，不利于增產(chǎn)節(jié)能。與最小流壓界限相關(guān)的因素很多，主要與油層平均壓力和含水率有關(guān)，最小流壓界限隨地層平均壓力降低而下降，隨含水率升高而下降。

在下泵深度合理的前提下，井底流壓和產(chǎn)液量可通過調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖速來控制。沖速越高，動液面越低，井底流壓也越低。由于動液面不會低于抽油泵的吸入口，井底流壓受下泵深度限制。在泵掛過小時，會導(dǎo)致流壓過高，泵的吸入壓力低，泵充滿度低，會影響產(chǎn)液量，也會導(dǎo)致泵效和系統(tǒng)效率偏低。

3 智能控制技術(shù)

抽油機(jī)智能控制是通過實時檢測抽油機(jī)的動態(tài)參數(shù)，建立沖速和產(chǎn)液量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，搜尋最大產(chǎn)液量對應(yīng)的工作沖速，通過變頻調(diào)速動態(tài)調(diào)整沖速，達(dá)到供排協(xié)調(diào)和產(chǎn)液量最大化的控制目標(biāo)。

在油泵泵徑、下泵深度和抽油機(jī)沖程不變的情況下，機(jī)井的排液能力僅和抽油機(jī)的沖速相關(guān)，沖速越高，排液能力也越高。調(diào)節(jié)沖速可調(diào)節(jié)井下的動液面、泵充滿度和井底流壓，合適的抽油沖速可使供液能力和排液能力相協(xié)調(diào)，井底流壓處于或趨近（泵掛過高時）最小流壓界限，產(chǎn)液量達(dá)到最大值，所對應(yīng)的沖速就是目前供液能力和抽汲參數(shù)下的最佳沖速。

傳統(tǒng)的抽油機(jī)智能控制技術(shù)是在變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上，加入智能控制系統(tǒng)，通過實時檢測或估算不同沖速下的產(chǎn)液量尋找最佳沖速。

由于油井產(chǎn)液存在超小流量和多雜質(zhì)的特性，采用流量計直接計量不僅檢測精度和穩(wěn)定性極差，而且成本昂貴，所以除非測量技術(shù)有突破，目前還不可行。目前普遍采用檢測抽油機(jī)示功圖或井下動液面的方法間接估算產(chǎn)液量。這兩種方法均存在估算誤差大、對井況適應(yīng)性不好的問題，檢測成本高、穩(wěn)定性差、控制效果不理想。產(chǎn)液量的實時檢測和估算是行業(yè)難題，嚴(yán)重制約了智能控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

所以，傳統(tǒng)的智能控制技術(shù)的應(yīng)用前景不明朗。只有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，性能穩(wěn)定，安裝調(diào)試方便，在各種油質(zhì)和井況下均能適用的智能控制系統(tǒng)，才有可能得以推廣應(yīng)用。

4 基于沖速能耗的智能控制裝置

抽油機(jī)智能控制的目標(biāo)是找出產(chǎn)液量最大值對應(yīng)的最佳沖速。既然產(chǎn)液量的實時檢測和估算極為困難，通過其他途徑找到最佳沖速。經(jīng)過多年的摸索和研究，我們研制出了一種全新的基于沖速能耗的產(chǎn)液量最大化智能控制裝置。

該裝置將通用矢量變頻調(diào)速器與抽油機(jī)智能控制技術(shù)、動態(tài)平衡控制技術(shù)、倒發(fā)電抑制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，硬件與通用矢量變頻器相同，不需要外接任何傳感器，也不需要能量回饋單元，通過軟件算法實現(xiàn)抽油機(jī)的智能運行。

4.1 井況自學(xué)習(xí)和智能控制

智能控制裝置內(nèi)置電動機(jī)瞬時功率檢測單元。由于抽油機(jī)電動機(jī)的負(fù)載是周期性變化的，一個完整的沖程時間即為負(fù)載變化的周期。在一個周期內(nèi)累積瞬時功率即能得到?jīng)_速能耗。

裝置通過改變抽油機(jī)電動機(jī)的運行頻率，就可以得到抽油機(jī)在不同運行頻率下對應(yīng)的沖速能耗。沖速能耗的大小不僅與運行頻率的高低及每個沖速的產(chǎn)液量有關(guān)，還與電動機(jī)損耗、抽油機(jī)效率、井口效率、井口壓力、抽油桿及液柱重量、抽油機(jī)平衡度、混合液黏度、泵閥的漏失、溫度、結(jié)碏等諸多因素相關(guān)。

圖1 是沖速能耗F(X) 隨沖速X 變化的典型曲線。曲線起始段主要受井下泵漏和油管漏失的影響而呈上升趨勢，末段主要因為黏度引起的摩擦損耗嚴(yán)重而呈上升趨勢，中段體現(xiàn)出油泵充滿度對沖速能耗的影響。

根據(jù)能量守恒定律，將沖速能耗F(X) 分解為產(chǎn)液能耗F1(X)和無用能耗F2(X)兩部分：

式中： X 為抽油機(jī)實際沖速，min-1， F1(X)和F2(X) 分別用符合各自能耗變化規(guī)律的函數(shù)來建模。 F1(X) 和F2(X) 隨X 的升高都不是單調(diào)變化的，所以直接通過沖速能耗來判斷產(chǎn)液量的變化并不可行，必須從理論上找到兩者之間存在的深層次的數(shù)學(xué)關(guān)系。

圖1 沖速能耗與沖速的關(guān)系曲線

電動機(jī)平均功率隨沖速的變化規(guī)律可用下式來表達(dá)：

式 中K ?X ?F1(X)＝P1(X)與產(chǎn)液流量成正比，P1(X)的值越大，說明產(chǎn)液量越大；當(dāng)其達(dá)到最大值時，說明此時的沖速值即為最佳沖速。

通過對F(X) 的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，得出最佳沖速對應(yīng)的運行頻率f0Hz 與沖速能耗間存在以下數(shù)學(xué)關(guān)系：

式中W50、W40、W30、W20為變頻器在50、40、30、20 Hz 運行時井下動液面達(dá)到穩(wěn)定后的沖速能耗，kWh。

控制抽油機(jī)在 f0運行使井下動液面達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，測得對應(yīng)的沖速能耗即為基準(zhǔn)沖速能耗給定值Wf0。以上過程即完成了抽油機(jī)井的自學(xué)習(xí)過程。其后測得實時沖速能耗值，與基準(zhǔn)給定能耗比較，若偏大則升高頻率，偏小則降低頻率，若相當(dāng)則對運行頻率不作調(diào)整，實現(xiàn)對井下供液能力的實時跟蹤控制。頻率調(diào)整時，Wf0也會跟隨自動調(diào)整，以適應(yīng)最小流壓界限的實時波動。

4.2 動態(tài)平衡控制

智能控制裝置在整個沖程的不同瞬間，根據(jù)負(fù)載變化情況自動調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電動機(jī)在負(fù)載小時加速，在負(fù)載大時減速，實現(xiàn)抽油機(jī)負(fù)載的動態(tài)平衡，電動機(jī)的電流由大幅度波動趨于平緩，可改善抽油機(jī)的功率平衡，減少由于配重或平衡方式不合理帶來的附加能耗。

這一控制實際上實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)差電動機(jī)的軟機(jī)械特性。通過動態(tài)平衡控制，大大降低了抽油機(jī)懸點動載荷的峰值和變化幅度，也使機(jī)械系統(tǒng)的沖擊、振動、磨損都大大降低，也降低了抽油桿斷桿的概率，延長井上和井下設(shè)備的使用壽命。

4.3 倒發(fā)電抑制

在抽油機(jī)平衡調(diào)整合適的情況下，應(yīng)用直流電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，使電動機(jī)負(fù)轉(zhuǎn)矩電流得到有效控制，電動機(jī)在整個運行過程中不會進(jìn)入倒發(fā)電狀態(tài)。這樣裝置直流側(cè)電壓就不會產(chǎn)生泵升現(xiàn)象，因此無需配置能耗制動組件或回饋制動裝置，從而大大降低控制設(shè)備的成本。同時，直流電壓的穩(wěn)定，較之能耗制動或回饋制動時的直流電壓大幅波動，可降低電動機(jī)的鐵損，提高節(jié)電效果。

4.4 智能控制軟件

智能控制軟件功能見圖2。

5 應(yīng)用實例

勝利油田孤東采油廠一礦一隊的G04-10-20 游梁式抽油機(jī)，抽油機(jī)沖速2.2 min-1，沖程3 m，泵徑44 mm，泵掛1247 m，吸入口深度1 267.36 m，油層中深1324 m。抽油機(jī)沖速已經(jīng)調(diào)整到最小值。工頻時動液面低，油泵充滿度低，井底流壓低，原油脫氣嚴(yán)重，流動性差。

抽油機(jī)智能控制裝置自動搜尋到目前最優(yōu)運行頻率為22.5 Hz，對應(yīng)的沖速為1 min-1，跟蹤井下供液能力變化自動調(diào)節(jié)沖速。測試結(jié)果見表1。

圖2 智能控制軟件功能框圖

表1 工頻和智能控制裝置測試數(shù)據(jù)

裝置對抽油機(jī)的動態(tài)平衡和倒發(fā)電抑制效果良好，抽油機(jī)電動機(jī)不會出現(xiàn)發(fā)電現(xiàn)象，變頻器在沒有配置能耗制動組件或回饋單元的情況下可靠運行。增產(chǎn)節(jié)電效果明顯，原油脫氣、泵充滿度、泵效得到有效改善。裝置已在4 個不同油田對20 多口不同油質(zhì)、不同井況、不同開采階段的機(jī)井進(jìn)行過效果測試，驗證了本控制方案的正確性和普遍適應(yīng)性。

6 結(jié)語

智能控制裝置將抽油機(jī)智能控制軟件、倒發(fā)電抑制控制軟件、動態(tài)平衡控制軟件集成于通用矢量控制變頻器中，以產(chǎn)液量最大化為控制目標(biāo)，不需加裝任何外部傳感器，也不需要能量回饋單元，系統(tǒng)硬件簡單、裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高，解決了抽油機(jī)產(chǎn)液量最大自學(xué)習(xí)智能控制、動態(tài)平衡和倒發(fā)電抑制的行業(yè)難題。

本裝置采用了自學(xué)習(xí)和參數(shù)自整定技術(shù)，不需要輸入油井和抽油機(jī)的原始數(shù)據(jù)，安裝和調(diào)試極為簡捷。

需要特別指出的是，本智能控制是在油井現(xiàn)有的狀況下進(jìn)行最優(yōu)控制，而合理匹配電動機(jī)功率、調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡、優(yōu)化泵徑、沖程和下泵深度依然是提高抽油機(jī)效率的重要手段，兩者并不矛盾，相輔相成。