油田產(chǎn)出(注入)井(層)節(jié)能增效多參數(shù)測(cè)控裝置

，，

(1. 西安榮森電子有限責(zé)任公司 陜西 西安 710065；2.陜西省電子信息產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)院 陜西 西安 710004)

0 引 言

眾所周知，抽提泵(螺桿泵)是油田廣泛使用的非均衡動(dòng)力系統(tǒng)。所采用的動(dòng)力源是三相異步電機(jī)或多級(jí)電泵，存在效率低，不便調(diào)速，上下沖程不可調(diào)，功率因數(shù)低等弊端。為提高效率，通常通過(guò)參照已確定的電機(jī)參數(shù)，采用改變頻率(電機(jī)轉(zhuǎn)速或傳動(dòng)比)、電抗穩(wěn)流、平衡電壓、諧波治理降壓等電機(jī)節(jié)能方法來(lái)對(duì)其調(diào)節(jié)。其中調(diào)頻變速為首選，該技術(shù)不但能節(jié)省電能，而且能使電機(jī)零電流起動(dòng)，能有效的保護(hù)動(dòng)力系統(tǒng)，節(jié)電率一般在10%～20%左右，油田已廣泛推薦應(yīng)用。若能進(jìn)一步綜合各種參數(shù)，優(yōu)化組合實(shí)施方案，油田進(jìn)一步節(jié)能增效的潛力仍然很大。

1 節(jié)能增效介紹

1.1 由電機(jī)調(diào)頻節(jié)電能向系統(tǒng)節(jié)電能轉(zhuǎn)變

對(duì)抽提井或電泵井來(lái)說(shuō)，他們屬于不同的負(fù)載類型，運(yùn)行于不同的“工況”，對(duì)抽油機(jī)來(lái)說(shuō)，它屬位(勢(shì))能負(fù)載，在整個(gè)沖次的某個(gè)階段，電機(jī)會(huì)處于再發(fā)電狀態(tài)而產(chǎn)生泵生電壓，這部分再生能量必須進(jìn)行處理，或回饋電網(wǎng)；而潛油電泵屬變負(fù)載類型負(fù)載，即電機(jī)在起動(dòng)時(shí)需較大轉(zhuǎn)矩，而停止時(shí)則負(fù)荷很重。這時(shí)的電機(jī)則處于電(磁)能泄放狀態(tài)，軟停止對(duì)防止油下沖有明顯的作用，油泵不會(huì)被打壞，對(duì)設(shè)備或電網(wǎng)也不會(huì)造成很大沖擊，這部分再生能量反而非常有效。采油是把產(chǎn)出(注入)井(層)作為特殊被控對(duì)象加以控制的，因此必須了解油田采注井(產(chǎn)出油井和注入井的統(tǒng)稱)開(kāi)采過(guò)程中表現(xiàn)出的特性。其中最主要的是時(shí)變性，由于油礦地質(zhì)情況的復(fù)雜多變，概括起來(lái)有以下一些特點(diǎn)：1)系統(tǒng)參數(shù)的未知性、時(shí)變性、隨機(jī)性和分散性；2)系統(tǒng)滯后的未知性和時(shí)變性；3)系統(tǒng)嚴(yán)重的非線性；4)系統(tǒng)各變量間的關(guān)聯(lián)性；5)環(huán)境干擾的未知性、多樣性和隨機(jī)性。這些特性統(tǒng)稱其為“工況”特性，它給機(jī)電控制帶來(lái)了許多問(wèn)題，造成其實(shí)際產(chǎn)能率普遍偏低，大部分采注井的效能在5%～15%之間?？梢?jiàn)如依據(jù)具體井的“工況”特性來(lái)調(diào)頻節(jié)約電能，會(huì)比傳統(tǒng)的單純電機(jī)調(diào)頻節(jié)約電能效果更好。

1.2 合理的“泵況”和“井況”狀態(tài)能有效地降低采油成本和提高采注效益

電泵或抽油機(jī)是一種大慣量變化負(fù)載，一般采用傳統(tǒng)的工作方式，即在采油工定期尋檢下工作，因而突發(fā)故障頻繁，運(yùn)行成本高。主要原因有：1)工頻啟動(dòng)電流大，電動(dòng)機(jī)電纜的壓降大，使電動(dòng)機(jī)電纜在啟動(dòng)過(guò)程中的反向電壓較高，電纜絕緣性能降低，每次開(kāi)機(jī)都會(huì)影響動(dòng)力系統(tǒng)的使用壽命。油井一般位于電網(wǎng)末端，油區(qū)面積大，配電線纜長(zhǎng)，輸電的線纜損失不可忽視，況且每一口油井的參數(shù)都不一樣，同一井內(nèi)的多井層也有水層、氣層和油層之分，故在選配電機(jī)或電泵時(shí)，都留有足夠的功率裕量。而在正常工作下，普遍存在著電動(dòng)機(jī)負(fù)載率較低的情況，“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象嚴(yán)重，造成電能的巨大浪費(fèi)。2)功率因數(shù)降低，耗電量大，工頻工作時(shí)，電潛泵始終工作在額定轉(zhuǎn)速下，如果井下液量供不應(yīng)求，容易造成“死井”，損失慘重。3)電動(dòng)機(jī)與泵長(zhǎng)期在高壓狀態(tài)下運(yùn)行，有時(shí)因油井出沙嚴(yán)重，使設(shè)備壽命縮短，特別是不能及時(shí)解決井下液量供不應(yīng)求而造成“死井”事故。4)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是靠更換油嘴來(lái)調(diào)節(jié)產(chǎn)量，這樣不能精確的控制會(huì)造成能量的浪費(fèi)。如能將正常運(yùn)行的“泵況”和“井況”狀態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)控，就能有效地降低采油成本和提高采注效益。

1.3 基于三次開(kāi)采的“工況”模態(tài)分析，提高采收率

在原油氣開(kāi)采過(guò)程中，初期采油氣一般依靠地底壓力讓原油自噴而出；此后由于地下壓力減小，不得不向地下注水將油驅(qū)出，稱二次采油。在二次采油工藝中，引入調(diào)頻節(jié)能技術(shù)，其基于建立頻率響應(yīng)函數(shù)的負(fù)荷測(cè)量模型，它要求對(duì)實(shí)際動(dòng)力結(jié)構(gòu)井及井層施加一組可控、可觀的注入壓力激勵(lì)，同時(shí)測(cè)取其產(chǎn)出響應(yīng)參量之一的負(fù)荷，通過(guò)輸入輸出數(shù)據(jù)辨識(shí)電泵動(dòng)力學(xué)特性，實(shí)施調(diào)頻節(jié)能。當(dāng)前，中國(guó)多數(shù)油田處于二次采油晚期，每百噸采出液體中，含水量高達(dá)95%，綜合原油采收率只有30%多，60%多的石油仍然留在地下無(wú)法采出。于是在實(shí)際開(kāi)采中多數(shù)已采用的是三次采油，即采用從地面注入各種驅(qū)油介質(zhì)-各種化學(xué)物質(zhì)、溶劑、熱載體、等物理化學(xué)方法等進(jìn)行生產(chǎn)，其采收率約為50%--70%。這種以開(kāi)采二次采油階段剩余為目標(biāo)所采取的各種增加原油產(chǎn)量的措施，包括各種物理及化學(xué)驅(qū)油措施。其意義更加廣泛，動(dòng)力結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如還包括單井吞吐、近井地帶處理以及水平井開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用等。該階段必須采用以實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)作為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)反問(wèn)題研究的主要手段，來(lái)控制開(kāi)采，如聚合物驅(qū)油氣技術(shù)是隸屬于三次采油階段的“提高采收率”技術(shù)中的一種強(qiáng)化采油工藝技術(shù)，通常是在水驅(qū)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)上的，改善水驅(qū)，是向地層注入高粘度的聚合物溶液來(lái)大大降低流度比、擴(kuò)大波及體積、提高驅(qū)油效率從而提高采收率的驅(qū)油工藝。然而，實(shí)施遇到的困難是，研究對(duì)象及井層或者無(wú)法施加人工激勵(lì);或者人工激勵(lì)代價(jià)昂貴或有破壞性；或者結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下自身承受的環(huán)境激勵(lì)不可測(cè)控。由此提出了只在響應(yīng)可測(cè)的條件下對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)的測(cè)控問(wèn)題，稱為“工況”模態(tài)分析。

1.4 采注井合理的“工況”動(dòng)態(tài)模型能有效地降低采油成本和提高采注效益

目前油田各采注井“工況”的參數(shù)的獲取是采用定時(shí)、定點(diǎn)采集，使用的儀器有電流表、扭矩測(cè)試儀、壓力表測(cè)試和液面探測(cè)儀等，得到的數(shù)據(jù)主要是人工進(jìn)行分析，分析的可靠性比較差。而實(shí)際上大部分井的一些故障單純憑一種參數(shù)很難準(zhǔn)確診斷，一些突發(fā)故障或事件就更難把握了，這就需要一種適時(shí)和智能的方法來(lái)診斷，一方面提高故障診斷的符合率，另一方面能及時(shí)采取措施，將損失降到最低。如果能將井層和井口的數(shù)據(jù)同步檢測(cè)，即將“泵況”和“井況”數(shù)據(jù)擬合出“工況”動(dòng)態(tài)模型，并進(jìn)行自適應(yīng)跟蹤調(diào)整，就更能有效地降低采油成本和提高采注效益。本公司研制的SDL-1井下智能多參數(shù)測(cè)控裝置就是針對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)節(jié)能技術(shù)的不足，將反映油井“工況”特征的油或水層溫度、壓力，流量、持水率等“井況”特性和井口的載荷、扭矩、產(chǎn)量以及變頻和回饋保護(hù)相關(guān)技術(shù)的“泵況”結(jié)合起來(lái)，而開(kāi)發(fā)出高科技環(huán)保節(jié)能型專用控制裝置。

1.5 測(cè)量與保護(hù)診斷結(jié)合，降低或減少了采注的運(yùn)營(yíng)成本

抽提泵(螺桿泵)是油田廣泛使用的采油設(shè)備，同其它大負(fù)載設(shè)備一樣，如果使用不當(dāng)或產(chǎn)品質(zhì)量有問(wèn)題，會(huì)出現(xiàn)一些故障。由于“井況”的特殊性，其各種故障的反映特征和診斷方法及處理措施與其它大負(fù)載設(shè)備不同。如常見(jiàn)的“工況”事故包括油桿斷脫、油管?chē)?yán)重漏失、泵嚴(yán)重漏失、蠟堵、轉(zhuǎn)子脫離定子、卡泵和各種自然災(zāi)害影響等，都會(huì)造成很大的生產(chǎn)損失，將付出高昂的維修成本。如故障電泵井的修理費(fèi)用，僅工程費(fèi)一項(xiàng)就達(dá)5萬(wàn)元之多；維修故障電泵必需提上放下，而價(jià)值10萬(wàn)元的電纜平均提上放下5次就須更換。而正常電泵井平均每10個(gè)月就維修1次，維修費(fèi)用需8萬(wàn)元。而這些成本完全是可以降低或控制的。如采用預(yù)估、濾波和內(nèi)插方法建立系統(tǒng)學(xué)習(xí)、自適應(yīng)以及參數(shù)跟蹤和調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)信息充分綜合利用，挖掘盡可能的節(jié)能潛力，讓系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠平穩(wěn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是完全可能的。

井下智能技術(shù)作為一種新型的完井技術(shù)，對(duì)油田開(kāi)采提供了一種更方便、更靈活的管理方式，受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，油氣界也日益認(rèn)識(shí)到智能完井技術(shù)在優(yōu)化生產(chǎn)效率和油氣采收率方面的巨大潛力，而智能井系統(tǒng)中的井下多傳感器系統(tǒng)[1]，智能井地面監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)(包括水力/電力調(diào)度)，以及本項(xiàng)目統(tǒng)稱的油田產(chǎn)出(注入)井(層)節(jié)能增效多參數(shù)測(cè)控裝置的系統(tǒng)智能化水平將代表著國(guó)內(nèi)本行業(yè)該領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢(shì)。

2 研究系統(tǒng)裝置

2.1 高效節(jié)能多參數(shù)測(cè)控裝置

高效節(jié)能多參數(shù)測(cè)控裝置(系統(tǒng))是在原有的技術(shù)儲(chǔ)備基礎(chǔ)上研制出低成本高可靠性的“井況”測(cè)量傳感器、節(jié)能增效井口測(cè)控裝置，并在介入了變頻、饋電節(jié)能措施后，能更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能和電能的合理配置。

該系統(tǒng)采用嵌入式機(jī)械結(jié)構(gòu)，自適應(yīng)的軟件測(cè)控原理、數(shù)據(jù)采集同步、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳通訊等實(shí)用技術(shù)，通過(guò)對(duì)在井下高溫度、高壓力下工作的電潛泵機(jī)組的環(huán)境參數(shù)和自身電參量的在線采集、處理、分析和判斷，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)測(cè)量和控制，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)各種故障下的全線速動(dòng)，快速切除各種故障模塊或單個(gè)電機(jī)，并能在瞬時(shí)性故障切除后自動(dòng)恢復(fù)工作，保證非故障機(jī)組長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

同時(shí)該系統(tǒng)采用了反映波形畸變程度的短數(shù)據(jù)窗波形識(shí)別算法、正交濾波算法、小矢量提取等算法；因泵況、工況或井況發(fā)生異?；蚬收系乃查g，其物理特性對(duì)應(yīng)的電流、電壓信號(hào)包含衰減的直流分量和諧波分量等暫態(tài)分量變化，其波形發(fā)生不同程度的畸變，嚴(yán)重影響快速測(cè)控的性能。由于快速測(cè)控采用基于短數(shù)據(jù)窗的算法，為克服波形畸變對(duì)測(cè)控性能的影響，采用反映波形畸變程度的短數(shù)據(jù)窗波形識(shí)別算法，計(jì)算出波形畸變程度，據(jù)此修正測(cè)控或保護(hù)的判據(jù)，從而提高其保護(hù)性能。

與此同時(shí)該系統(tǒng)建立一套強(qiáng)大的綜合性的利用地質(zhì)資料和測(cè)試資料反應(yīng)油藏開(kāi)發(fā)狀況的分析處理與遠(yuǎn)程信息分析發(fā)布軟件系統(tǒng)。本系統(tǒng)使得有關(guān)的地質(zhì)人員(油藏工程師)能在桌面上高效率地直接使用各種測(cè)試資料和地質(zhì)資料，并通過(guò)這些資料可靠地定量和定性地判斷儲(chǔ)層動(dòng)用狀況和注水受效評(píng)價(jià)，直觀地反映井間連通狀況、注采平衡和措施效果等信息。

2.2 裝置的關(guān)鍵技術(shù)

高效節(jié)能多參數(shù)測(cè)控裝置(系統(tǒng))由井下多傳感器，井口測(cè)控部分和同軸信號(hào)傳輸電纜構(gòu)成。井口測(cè)控裝置的核心部件采用TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器。利用其先進(jìn)的內(nèi)部和外設(shè)結(jié)構(gòu)使得該處理器特別適合各電器參量的測(cè)量、電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。井下多傳感器實(shí)現(xiàn)了單片控制器系統(tǒng)(SOC)與AD采集模塊的組合；軟件采用自適應(yīng)測(cè)控技術(shù)，將測(cè)量裝置的多傳感器(主要完成流量、壓力、溫度、含水、密度等信號(hào)的采集、處理和編碼)系統(tǒng)和井口測(cè)控裝置合二為一，融合測(cè)控電力調(diào)頻。各流水線參量變換時(shí)間最小60 ns，單位變換200 ns；井口裝置改進(jìn)的eCAN2.0B接口模塊可以完成系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊。該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)如下：

1)采用分布式井口就地低壓無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，在用電設(shè)備最近點(diǎn)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償和諧波濾除，有效降低上級(jí)電網(wǎng)的補(bǔ)償壓力，同時(shí)進(jìn)一步降低傳輸損耗。該方法通過(guò)提高功率因數(shù)、改善電壓質(zhì)量、降低線路輸送電流、降低線路損耗電量、消除電網(wǎng)諧波，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

2)針對(duì)泵況，變頻調(diào)速。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：n=60f(1-s)/p可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50 Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬，變頻調(diào)速就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。主要是采用變頻調(diào)速控制后，控制系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)“泵況”負(fù)荷變化及時(shí)改變輸入電機(jī)的電流和電壓，降低電機(jī)輸入功率，調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)處于經(jīng)濟(jì)負(fù)荷下運(yùn)行，達(dá)到節(jié)電目的。

3)基于實(shí)際開(kāi)采中已采用的三次采油措施，其節(jié)能增效意義更加廣泛，動(dòng)力結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如還包括單井吞吐、近井地帶處理以及水平井開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用等，采用以實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)作為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)反問(wèn)題研究的方法來(lái)控制開(kāi)采，由此提出了只在響應(yīng)可測(cè)的條件下對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)的測(cè)控問(wèn)題，以實(shí)際工作狀況實(shí)測(cè)響應(yīng)參數(shù)來(lái)真實(shí)地辨識(shí)反映采/注井結(jié)構(gòu)本身的固有特征、邊界條件及環(huán)境載荷特性，與主動(dòng)控制、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和設(shè)備保護(hù)診斷等調(diào)頻節(jié)能工程應(yīng)用直接相關(guān)，建立模型。

4)以循環(huán)注水流量所消耗電能和其變化率這兩個(gè)簡(jiǎn)單、直觀常用的參數(shù)為依據(jù)，及時(shí)采集、分析和調(diào)節(jié)，解決了原油(氣)產(chǎn)能在諸如注水流量低時(shí)影響產(chǎn)液量，注水流量高時(shí)又重復(fù)浪費(fèi)資源的矛盾，使產(chǎn)能，產(chǎn)液及電能消耗能合理配置，節(jié)約資源。

5)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)動(dòng)力模型數(shù)據(jù)來(lái)自于采注井井下的“井況”和井口的“泵況”信息，而“井況”和“泵況”的信息卻來(lái)自于井下多傳感器和井口測(cè)控裝置的數(shù)據(jù)技術(shù)融合，能夠?qū)崟r(shí)反應(yīng)“泵況”系統(tǒng)激勵(lì)與“井況”的產(chǎn)能關(guān)系，且有效確保“工況”特性配匹，共建一個(gè)手動(dòng)或自動(dòng)的智能井系統(tǒng)，根據(jù)專家指令完成測(cè)控工作，確保更大、更有效的產(chǎn)能精準(zhǔn)控制，是本項(xiàng)目節(jié)能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

3 研制系統(tǒng)裝置

3.1 系統(tǒng)井口裝置的實(shí)現(xiàn)方案及技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)井口裝置按工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，機(jī)箱采用標(biāo)準(zhǔn)6U型、后插拔、大面板、全封閉鋁合金結(jié)構(gòu)機(jī)箱，可以獨(dú)立或組合配柜安置在井口附近運(yùn)行，見(jiàn)圖1。采/注井節(jié)能增效系統(tǒng)的井口測(cè)控裝置(100)，它由四插件和前后兩面板構(gòu)成。其中有：檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)插件(140)，它主要完成井下信號(hào)的編解碼，并撥離出各傳感器的參數(shù)大小，同時(shí)也完成井口IGBT檢測(cè)與電力的驅(qū)動(dòng)輸出等；DSP插件(130)，它主要完成將輸出井和(或)注入井口及井層系的多參數(shù)“井況”信息和“泵況”測(cè)控信息融合在一起，使“泵況”和“井況”經(jīng)時(shí)空同步后顯現(xiàn)在同一平臺(tái)的液晶和(或)后臺(tái)集控站，特別是采用嵌入式軟件，利用多傳感器融合技術(shù)使“泵況”，“井況”與“工況”合并增產(chǎn)節(jié)能，自適應(yīng)跟蹤控制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)油氣單井和(或)局部采/注井的高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。電力插件(120)是系統(tǒng)的電源系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)井口和井下各功能模塊的電源供給；采集插件(110)，完成井口產(chǎn)出或注入介質(zhì)流量、壓力、溫度等多傳感器信號(hào)采集，同時(shí)也完成對(duì)電壓、電流、載荷、扭矩轉(zhuǎn)速等“泵況”信號(hào)采集。以上四插件對(duì)外有測(cè)控接口，根據(jù)DSP指令可以完成各種測(cè)控任務(wù)。其中，人機(jī)接口面板(MMI)可以和車(chē)載或中央處理機(jī)完成有(無(wú))線通訊、光釬或電纜接入，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接并協(xié)同油田網(wǎng)絡(luò)工作。

通過(guò)上述的工藝設(shè)計(jì)，使井口測(cè)控裝置(100)具有防振，防塵、防潮、防有害氣體、防電磁干擾等安全措施，各插件設(shè)計(jì)完全標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，生產(chǎn)、調(diào)試、維護(hù)十分方便；用戶可以根據(jù)配置不同，可續(xù)加配置1個(gè)或多個(gè)DSP插件；軟件編程采用模塊化，組態(tài)靈活方便，使用范圍廣泛，現(xiàn)成調(diào)用便捷；內(nèi)部端子采用德國(guó)HT接插件；對(duì)外交流電流端子采用帶短路環(huán)的插接端子，光纖接口采用FC連接方式，其它端子均采用菲尼克斯端子。

系統(tǒng)的硬件主要指標(biāo)：采用DSP技術(shù)構(gòu)建硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集和處理。模擬量：16路高速同步采樣400點(diǎn)/周波，數(shù)據(jù)采樣速率不低于320 kHz；采樣精度為16位，模擬量輸入范圍為±5V，采樣精度±4LSB；存儲(chǔ)器：在DSP中配置，外部RAM：256K×32b，外部FLASH：256K×16b；開(kāi)入量采集：由DSP經(jīng)三級(jí)電壓變換完成，以提高分辨率，帶有16路光電隔離，帶有瞬態(tài)干擾抑制保護(hù)輸入通道；各環(huán)節(jié)采用防高電壓、強(qiáng)電磁干擾的硬件措施如光電隔離的隔離電壓不小于2 500 V；驅(qū)動(dòng)口：16路，24 V輸出，帶光電隔離，隔離電壓不小于2 500 V，分辨率不大于1 ms，且出口控制采用硬件軟件相結(jié)合，做到硬件故障時(shí)能可靠閉鎖出口，如上電手動(dòng)復(fù)位，上電閉鎖所有出口等；為提高可靠性，在軟件看門(mén)狗充分利用地基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)硬件看門(mén)狗電路，其周期可調(diào)整(不大于10 ms)，在程序出錯(cuò)時(shí)，保證10 ms內(nèi)自動(dòng)復(fù)歸運(yùn)行。

系統(tǒng)的裝置硬件設(shè)計(jì)完全標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，生產(chǎn)、調(diào)試、維護(hù)一方便為準(zhǔn)。內(nèi)嵌軟件編程模塊化，組態(tài)靈活方便。特別采用新型的自適應(yīng)融合算法，快速地提取電力系統(tǒng)運(yùn)行的特征量，確保軟件能在20 ms內(nèi)響應(yīng)并驅(qū)動(dòng)。軟件設(shè)有自檢功能，在DSP硬件平臺(tái)上就可以完成節(jié)能效果評(píng)估和算法驗(yàn)證。

系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：

容量范圍：10～500 KVA;

電壓等級(jí)：200～1 000 V;

輸出頻率調(diào)節(jié)范圍:5～100 Hz;

輸入電流諧波含量:<4%;

輸出電壓諧波含量:<2%;

輸出電壓dV/dt:<600V/us;

輸出頻率準(zhǔn)確度:±0.05 Hz;

輸出頻率分辨率:0.01 Hz;

輸出電壓準(zhǔn)確度:±0.5%;

變頻器滿載效率:>98.5%;

整體滿載效率:>96.5%;

過(guò)載能力:額定電流的1.25倍，60 s;

單元溫升:<40 ℃;

變壓器溫升:<90 ℃;

輸入功率因素:>0.95;

環(huán)境溫度:-5～+45 ℃。

3.2 實(shí)現(xiàn)低成本高可靠多傳感器裝置及推廣應(yīng)用

以經(jīng)濟(jì)可靠為原則，從電器工藝結(jié)構(gòu)入手，將井下多傳感器與電子線路整合成一體。獨(dú)創(chuàng)嵌套結(jié)構(gòu)，將敏感元件與電子線路經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使敏感元件與介質(zhì)充分接觸，電子器件內(nèi)置夾層，對(duì)外部件呈“中空管件”，安裝配套完成后，與油管或套管自成一體。在SDL-1井下智能多參數(shù)測(cè)控裝置[2]基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的新裝置，將連續(xù)流量、壓力、溫度、密度、含水等參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)可集成度高成本低的適合井下工作的傳感器裝置。通過(guò)多傳感器系統(tǒng)能精確實(shí)時(shí)監(jiān)控泵工作中的各種工作參數(shù)，將泵況、井況及工況進(jìn)行有機(jī)地組合，以增加產(chǎn)量，降低成本；通過(guò)提高使用多傳感器系統(tǒng)的可靠性，也可以降低修井的次數(shù)和停產(chǎn)的時(shí)間，減少泵的更換次數(shù)，減小泵桿和油管的磨損和能量的消耗，以提高井的生產(chǎn)效率，降低運(yùn)營(yíng)維修成本。

隨著應(yīng)用范圍的推廣，檢測(cè)對(duì)象的復(fù)雜多樣性以及其它要素的影響，原產(chǎn)品的推廣應(yīng)用受到了很大的限制，特別是早期主要安裝在抽油機(jī)、電潛泵、注水泵等泵井上，現(xiàn)經(jīng)過(guò)對(duì)該項(xiàng)目的進(jìn)一步的研究開(kāi)發(fā)，應(yīng)用更加廣泛，主要用于智能井、地面或井下管線連續(xù)流量、壓力、溫度、密度、含水等參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，尤其在石油開(kāi)采環(huán)節(jié)中的優(yōu)化、井下監(jiān)測(cè)、油水分離，噴射泵/灌注泵的生產(chǎn)監(jiān)測(cè)、泥漿和砂的注入監(jiān)控、注CO2、甲烷的監(jiān)控。也可以為地質(zhì)工程師進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化、汽除水、砂控制、多井監(jiān)測(cè)、水平井、高油/氣比率井和小井距井的監(jiān)測(cè)提供時(shí)實(shí)決策數(shù)據(jù)。

3.3 系統(tǒng)軟件

在公司自主開(kāi)發(fā)的智能多參數(shù)標(biāo)檢軟件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的升級(jí)版本，該軟件具有以下特點(diǎn)：

精準(zhǔn)控制：本軟件容易實(shí)現(xiàn)綜合各種測(cè)試資料及有關(guān)地質(zhì)資料，通過(guò)取長(zhǎng)補(bǔ)短，互相補(bǔ)充，互相印證，最后熔合為一體，實(shí)現(xiàn)全面整體的油藏地質(zhì)動(dòng)態(tài)描述的目的。能大大地提高測(cè)試資料的信息利用率，使得油藏動(dòng)態(tài)分析人員準(zhǔn)確和及時(shí)地認(rèn)識(shí)油藏動(dòng)態(tài)。

動(dòng)態(tài)輸送：本軟件具有強(qiáng)大的遠(yuǎn)程圖表、數(shù)據(jù)、信息發(fā)布功能。采用高檔微機(jī)為人機(jī)交互前端，完成數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)組織管理、模型選擇、參數(shù)選擇、圖形方式及參數(shù)選擇、統(tǒng)計(jì)分析處理、結(jié)果顯示和輸出、結(jié)果發(fā)布，根據(jù)計(jì)算量的大小采取本機(jī)處理或由服務(wù)器或工作站進(jìn)行計(jì)算。有關(guān)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、分析結(jié)果的各種圖形及表格數(shù)據(jù)，以及原始測(cè)試曲線、解釋成果圖表，通過(guò)企業(yè)網(wǎng)以WWW或B/S方式進(jìn)行發(fā)布，使有關(guān)部門(mén)隨時(shí)可以查閱。利用JDBC數(shù)據(jù)庫(kù)接口技術(shù)，應(yīng)用Java在FrontPage中嵌入代碼編程設(shè)計(jì)發(fā)布信息的主頁(yè)，并能實(shí)現(xiàn)交互式、圖形式(而非圖象式)的用戶界面，同時(shí)保證大量數(shù)據(jù)在網(wǎng)上的高速傳送系統(tǒng)的高效。

本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為多層B/S結(jié)構(gòu)：即根據(jù)目前實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)和單機(jī)環(huán)境，在Windows NT Server4.0中文版以上版本的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)環(huán)境，微機(jī)操作系統(tǒng)為Windows2000中文版；為了兼顧現(xiàn)狀、考慮發(fā)展及推廣，本系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)格式的Oracle庫(kù)為基礎(chǔ)。采用高檔微機(jī)為人機(jī)交互前端，完成動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)組織管理、區(qū)塊動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算、圖形表現(xiàn)、統(tǒng)計(jì)分析處理、結(jié)果顯示和輸出、結(jié)果發(fā)布等功能。

廣播數(shù)據(jù)資料：發(fā)布油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的測(cè)試資料(試井資料、吸水剖面測(cè)試資料和出油剖面測(cè)試資料)的各種圖形及表格數(shù)據(jù)，以及原始測(cè)試曲線、解釋成果圖表，通過(guò)企業(yè)網(wǎng)以WWW或B/S方式進(jìn)行發(fā)布，使領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)部門(mén)隨時(shí)查閱生產(chǎn)數(shù)據(jù)、提高工作效率，保證資料的一致性和準(zhǔn)確性，迅速、準(zhǔn)確地掌握第一手材料，并能充分利用數(shù)據(jù)庫(kù)集成的優(yōu)勢(shì)，隨時(shí)根據(jù)需要找出諸如含水變化過(guò)大、產(chǎn)量降低的區(qū)塊、井組和單井，分析用的參考數(shù)據(jù)、圖形等配合使用，便于分析，減少在查找相應(yīng)資料所花的時(shí)間和精力。分析包括：1)區(qū)塊動(dòng)態(tài)分析；2)井組動(dòng)態(tài)分析；3)單井動(dòng)態(tài)分析；4)層位動(dòng)態(tài)分析。

4 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)及技術(shù)模型

本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1：采/注井節(jié)能增效系統(tǒng)框圖[3]。

圖1 油田輸出和(或)注入井循環(huán)能效系統(tǒng)

其組成包括：井口測(cè)控裝置(100)、單芯同軸電纜信道(200)和井下多傳感器測(cè)控(300)三部分。其中，井口測(cè)控部分(100)是本次立項(xiàng)的核心內(nèi)容，主要負(fù)責(zé)完成“泵況”及井口測(cè)控和系統(tǒng)組織管理節(jié)能增效工作。信道部分(200)和井下測(cè)控部分由智能井多參數(shù)測(cè)控傳感器系統(tǒng)(300)配套，這部分產(chǎn)品已由公司自主開(kāi)發(fā)完成，在油田已有成熟可靠地產(chǎn)品供應(yīng)。如已獲專利和科技進(jìn)步獎(jiǎng)的SDL-1型智能井多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置[4]，它負(fù)責(zé)準(zhǔn)確可靠地提供當(dāng)前井及井層系的“井況”信息，辯識(shí)測(cè)控參數(shù)大小，如流量、壓力、溫度、各相濃度及密度等，信號(hào)和供電由信道(200)同軸電纜完成。

4.1 將傳統(tǒng)的調(diào)頻節(jié)能技術(shù)和采注井降耗增效技術(shù)融合

依循我國(guó)大部分油田的二次開(kāi)采方案，依據(jù)黑油油藏的最優(yōu)化處理BOAST方法，將基本的壓力流動(dòng)方程的相關(guān)參數(shù)融合判斷，如壓力，微壓差，流量，持水[5](氣)率也稱濃度、密度等參量作為采注井節(jié)能增耗的判據(jù)之一與電力能效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能與電能耗的統(tǒng)一，既治標(biāo)又治本。

4.2 實(shí)現(xiàn)“泵況、井況、工況”三況合一，柔性控制

自適應(yīng)控制與常規(guī)反饋控制及最優(yōu)控制一樣,也是一種基于物理和數(shù)學(xué)模型約束的控制方法，所不同的是自適應(yīng)控制所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)參量比較少，需要在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐漸完善。本項(xiàng)目產(chǎn)品依據(jù)精準(zhǔn)控制的技術(shù)基礎(chǔ)，采用自適應(yīng)“井況”和“泵況”的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制技術(shù)來(lái)適應(yīng)“工況”系統(tǒng)的實(shí)時(shí)瞬變特性。具體地說(shuō)，裝置可以依據(jù)井口裝置獲得的“泵況”和“井況”的傳感輸入和執(zhí)行器輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識(shí)“工況”模型的參數(shù)。隨著采注過(guò)程的不斷進(jìn)行，裝置不停地在線辨識(shí)，結(jié)果“工況”模型會(huì)變得越來(lái)越準(zhǔn)確，越來(lái)越接近于實(shí)際獲得的專家指令。該控制技術(shù)根據(jù)單口井或?qū)拥臍v史產(chǎn)能(單位消耗的出油率或注水量)參數(shù)構(gòu)建出最大熵約上束條件下的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)和快速自適應(yīng)優(yōu)化算法，實(shí)時(shí)改變“工況”效能、特性或定值，使得采注系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)、更充分地發(fā)揮其調(diào)頻節(jié)電性能，用更多判據(jù)來(lái)提高采注系統(tǒng)的選擇性、速動(dòng)性、可靠性和靈敏性。

如圖2，各采油井的產(chǎn)能系統(tǒng)一般可以分成產(chǎn)出、用電、轉(zhuǎn)儲(chǔ)三個(gè)部分。產(chǎn)出部分一般由產(chǎn)出井及其多級(jí)采注層組成，各層特性是間歇脈動(dòng)的；轉(zhuǎn)儲(chǔ)部分由多個(gè)串并聯(lián)的油、氣、水儲(chǔ)罐組成，其中油、氣是產(chǎn)出部分，水是循環(huán)轉(zhuǎn)儲(chǔ)的介質(zhì)，特性穩(wěn)定均衡，它可以作為系統(tǒng)的緩沖調(diào)節(jié)，重復(fù)使用；用電部分是指產(chǎn)油、注水等動(dòng)力系統(tǒng)，主要消耗電能,假設(shè)設(shè)備用電特性是穩(wěn)定的；根據(jù)產(chǎn)能平衡原理，可以建立產(chǎn)能，消耗、轉(zhuǎn)儲(chǔ)三者關(guān)系的電能物理模型。其數(shù)學(xué)模型如下：

P(t)=η1Pe(t)+η2dPf(t)/dt

(1)

式(1)中，P(t)為某井單位日采噸油(立方氣)消耗總電量，kW/d；Pe(t)為某井單位日采噸油(立方氣)產(chǎn)量的電力消耗，kW/d；Pf(t)為某井采用節(jié)能后單位日采注水循環(huán)噸水而消耗的電能，kW/d；η1為每度電的單位日產(chǎn)能系數(shù)，其含義是每單位日噸油(立方氣)消耗所需的電能,或折算出能夠產(chǎn)出的原油(氣)的產(chǎn)量，單位t(m3)/d，主要與電力節(jié)能的“泵況”有關(guān)；η2為每度電的單位日采注水的耗能系數(shù)，其含義是每單位日噸轉(zhuǎn)注儲(chǔ)水罐里水所消耗的電能，或折算出轉(zhuǎn)注儲(chǔ)水罐水后節(jié)省的電能(指外援水所需的消耗電能)所能再產(chǎn)出的原油(氣)的產(chǎn)量，大小與流體的流量、流體成分持率(濃度)等“井況”和儲(chǔ)罐的容積有關(guān)。對(duì)式(1)積分后有：

(2)

其中，式(1)表示該系統(tǒng)的瞬時(shí)關(guān)系，式(2)表示該系統(tǒng)的節(jié)能累積效果關(guān)系。

圖2 產(chǎn)能系統(tǒng)示意圖

本數(shù)學(xué)模型的主要用途就是依據(jù)工藝要求，合理地控制泵況和井況，結(jié)合水轉(zhuǎn)儲(chǔ)消耗電能的變化趨勢(shì)預(yù)報(bào)產(chǎn)油(氣)的供應(yīng)“工況”是處于過(guò)剩狀態(tài)還是不足狀態(tài)，為產(chǎn)出平衡系統(tǒng)的調(diào)度指揮提供參考，讓采注系統(tǒng)“三況合一”，滿足間歇脈動(dòng)的瞬變特性，既可以減少多產(chǎn)出水造成的資源浪費(fèi)，又可以避免因?yàn)楫a(chǎn)液量過(guò)低給生產(chǎn)帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)實(shí)實(shí)在在的節(jié)能。

4.3 實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可靠的硬件平臺(tái)

對(duì)井下多傳感器檢測(cè)而言，本系統(tǒng)必需經(jīng)濟(jì)可靠，才能在生產(chǎn)中得到廣泛使用。從電器工藝結(jié)構(gòu)入手，將井下多傳感器與電子線路及軟件整合成一體。獨(dú)創(chuàng)嵌套結(jié)構(gòu)，將敏感元件與電子線路經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使敏感元件與介質(zhì)充分接觸。電子器件內(nèi)置夾層，對(duì)外部件呈“中空管件”，系統(tǒng)安裝完成后，與油管或套管自成一體，流體介質(zhì)從中間流動(dòng)，既降低對(duì)流態(tài)的影響，又能提高其檢測(cè)的可靠性。

井口地面裝置采用6U后插拔、大面板結(jié)構(gòu)，裝置內(nèi)由交流低通濾波、數(shù)字處理芯片DSP(含編解碼器)、執(zhí)行器(繼電器)、光電隔離出入口信號(hào)接口、液晶及鍵盤(pán)、電源、通訊光纖接口等組件構(gòu)成。該創(chuàng)新結(jié)構(gòu)把井下和井口不同的信號(hào)參數(shù)和異類環(huán)境變量綜合在同一平臺(tái)，使系統(tǒng)更具協(xié)調(diào)性和交叉滲透特性，滿足了復(fù)雜動(dòng)力工程節(jié)電增產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)需求，并從其內(nèi)在關(guān)聯(lián)參量中挖掘節(jié)能潛力，保障設(shè)備經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)可靠運(yùn)行，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 本項(xiàng)目產(chǎn)品與現(xiàn)有相關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)對(duì)比

4.4 采用測(cè)量保護(hù)診斷結(jié)合，控制系統(tǒng)可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

基于自適應(yīng)測(cè)控保護(hù)原理和故障類型的故障量提取算法，采用模糊信息的預(yù)測(cè)跟蹤技術(shù)，軟件依據(jù)電流法、扭矩法和憋壓法的基本原理，以日常業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)的或智能的方法，對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合、分析，確定“工況”現(xiàn)狀，為現(xiàn)場(chǎng)工程師或管理人員提供決策幫助或送給集控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與管理，以此控制系統(tǒng)可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

5.1 裝置關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，將解決以下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：

1)變基準(zhǔn)疊加技術(shù)的五電平無(wú)諧波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娐罚?/p>

2)矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)壓的綜合方法；

3)采用特殊的開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路及矢量控制與轉(zhuǎn)矩控制綜合優(yōu)化的控制方法，解決了傳統(tǒng)大電機(jī)軟啟動(dòng)所存在的問(wèn)題；

4)基于IGBT開(kāi)關(guān)控制以調(diào)整無(wú)功功率分布進(jìn)而調(diào)整功率因數(shù)。

項(xiàng)目完成樣機(jī)時(shí)，通過(guò)國(guó)家計(jì)量認(rèn)可的檢測(cè)中心的型式試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)，其主要技術(shù)指標(biāo)擬達(dá)到：效能指標(biāo)：20%～35%。

5.2 主要技術(shù)指標(biāo)

5.2.1 泵況

電流測(cè)量范圍：0～60 A，精度：2.5級(jí)；電壓測(cè)量范圍：0～500 V，精度：2.5級(jí)；功率：10～500 kW；效率：95%。

5.2.2 井況

扭矩測(cè)量范圍：10～1 000 N.m，精度：1%；載荷測(cè)量范圍：10 N～100 K，測(cè)量精度：1.5%；轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍：0～5 000/min 轉(zhuǎn)速測(cè)量精度：1%；流量測(cè)量：10～300 m3/d，瞬時(shí)流量1.0級(jí)，累積流量1級(jí)；壓力測(cè)量：0～60 MPa，精度：0.5級(jí)(溫補(bǔ)可達(dá)0.2級(jí))；溫度測(cè)量：-50～125 ℃，精度：±2 ℃；含 水 率：5%～95%，精度：2.0級(jí)。

6 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)采用系統(tǒng)智能調(diào)頻技術(shù)，優(yōu)化了油田采油泵和注水泵的工作效率與油井工作狀況的關(guān)系，達(dá)到節(jié)能增效的目的，通過(guò)采集輸出井(或注入井)井口及井層的多參數(shù)“井況”信息和采油泵等多參數(shù)動(dòng)力“泵況”信息，用裝置的專用軟件，分析和判斷這些采集到的信息，進(jìn)行智能綜合判斷，確定出該井(站)的“工況”模型， 將傳統(tǒng)的調(diào)頻節(jié)能技術(shù)和采注井降耗增效技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)“泵況、井況、工況”三況合一柔性控制，并利用經(jīng)濟(jì)可靠的硬件平臺(tái)，采用測(cè)量保護(hù)診斷結(jié)合，控制系統(tǒng)可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，這樣既提高了節(jié)能率，節(jié)能率可達(dá)25%以上，也增加了原油的產(chǎn)能，使油田單位產(chǎn)能在原來(lái)的基礎(chǔ)上得以提高。