抽油機(jī)自適應(yīng)柔性控制技術(shù)的研究與應(yīng)用

段志剛，葉 紅，司志梅，王 志

（中國(guó)石化江蘇油田分公司工程技術(shù)研究院，江蘇，揚(yáng)州225009）

游梁式抽油機(jī)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［1］等優(yōu)點(diǎn)，在采油機(jī)械中占有舉足輕重的地位，但現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中存在以下幾方面的問題：

（1）常規(guī)的調(diào)參范圍有限，實(shí)施強(qiáng)度大，調(diào)整周期間隔長(zhǎng)，難以及時(shí)適應(yīng)井下工況的變化，從而導(dǎo)致生產(chǎn)參數(shù)偏大，泵筒充滿度低，噸液能耗高；

（2）電機(jī)的勻速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致抽油桿的變速運(yùn)行，使得抽油桿承受較大的慣性載荷和振動(dòng)載荷，影響了泵效和檢泵周期；

（3）抽油機(jī)啟動(dòng)的扭矩大，正常運(yùn)行的扭矩小，在配備電機(jī)時(shí)，一般都會(huì)以滿足啟動(dòng)扭矩為基本條件，因此，生產(chǎn)中存在“大馬拉小車”［2］，導(dǎo)致電能浪費(fèi)，影響系統(tǒng)效率。

針對(duì)以上存在的生產(chǎn)問題，從抽油機(jī)自動(dòng)跟蹤地層產(chǎn)能并智能調(diào)整沖數(shù)、開發(fā)變速拖動(dòng)控制曲線和優(yōu)化控制柜結(jié)構(gòu)等三個(gè)方面進(jìn)行了技術(shù)研究，形成了抽油機(jī)自適應(yīng)柔性控制技術(shù)， 并在江蘇油田、西北局等推廣應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果。

1 抽油機(jī)智能調(diào)整沖數(shù)技術(shù)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析，研制了流量趨勢(shì)監(jiān)測(cè)儀（見圖1）。該儀器包括監(jiān)測(cè)模塊和信號(hào)處理器。監(jiān)測(cè)模塊由精密電源、發(fā)熱元件、溫度傳感器和溫度變送器組成， 精密電源為發(fā)熱元件提供穩(wěn)定的電壓，發(fā)熱元件單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的熱量恒定，并將熱量從流程管線外壁傳遞給管道壁及其內(nèi)部的流體。 溫度傳感器用于實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)熱元件的溫度，溫度變送器用于將溫度傳感器的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。 信號(hào)處理器根據(jù)電流信號(hào)的變化，判定流程管線的流量變化趨勢(shì)。

圖1 流量趨勢(shì)監(jiān)測(cè)儀

根據(jù)流量趨勢(shì)監(jiān)測(cè)儀判斷產(chǎn)量的變化趨勢(shì)，并編制了智能調(diào)整沖數(shù)的程序（見圖2），通過(guò)PLC和變頻器控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)整沖數(shù)的目的。

圖2 智能調(diào)整沖數(shù)的程序框圖

為驗(yàn)證該調(diào)沖技術(shù)的準(zhǔn)確性，特優(yōu)選了S10井、X29、M45井、Y28等4口井為試驗(yàn)井，該4口井都是單井產(chǎn)液直接進(jìn)井場(chǎng)的計(jì)量單罐，通過(guò)刻度直接讀數(shù)計(jì)量。 調(diào)沖前后分別統(tǒng)計(jì)了10天的平均油井產(chǎn)量，結(jié)果表明，智能優(yōu)化沖數(shù)后，油井的產(chǎn)量基本無(wú)變化（微小差異是由于計(jì)量時(shí)的讀數(shù)誤差引起的），數(shù)據(jù)見表1。

表1 智能調(diào)沖前后產(chǎn)量對(duì)比

2 抽油機(jī)柔性運(yùn)行控制技術(shù)

抽油機(jī)柔性控制技術(shù)［3］主要是通過(guò)對(duì)變頻器加載不同的拖動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制。通過(guò)電機(jī)的變速運(yùn)轉(zhuǎn)，改變抽油機(jī)曲柄角速度及角加速度、懸點(diǎn)速度、光桿載荷等系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)，進(jìn)而改變抽油桿的振動(dòng)載荷、慣性載荷以及柱塞在泵筒中的運(yùn)動(dòng)速度分布等參數(shù)，對(duì)抽油桿的應(yīng)力變化實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”，降低抽油桿的應(yīng)力變化，從而延長(zhǎng)抽油桿的使用壽命，延長(zhǎng)油井的檢泵周期［4］。

研究分析大量的運(yùn)轉(zhuǎn)控制曲線，優(yōu)化了一種M控制曲線，與圓拖動(dòng)方式進(jìn)行對(duì)比，分析兩種拖動(dòng)方式下抽油桿的運(yùn)行速度和所受應(yīng)力。

2.1 速度特征對(duì)比分析

從兩種方式的速度曲線看，M曲線拖動(dòng)下的抽油桿的最大速度是圓拖動(dòng)下的最大速度的77.9%，抽油桿的運(yùn)行相對(duì)更加平穩(wěn)（見圖3）。

圖3 兩種特征下的Y方向速度曲線

2.2 中和點(diǎn)對(duì)比分析

抽油桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，在桿柱系統(tǒng)所受的各種力的綜合作用下，抽油桿上部受到的是拉力，下部受到的是壓力，在這個(gè)壓力的作用下，抽油桿在井內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形。 隨著上下沖程往復(fù)，使抽油桿與油管相互摩擦，造成管桿偏磨［5］。以現(xiàn)場(chǎng)的一口油井為例，選取上時(shí)刻點(diǎn)位置、下時(shí)刻點(diǎn)位置、最大加速度時(shí)刻位置以及最大速度時(shí)刻位置的數(shù)據(jù)，計(jì)算兩種不同拖動(dòng)方式下的抽油桿柱中和點(diǎn)（見表2），可以看出，在下沖程中，M曲線拖動(dòng)方式的中和點(diǎn)位置有一定程度的下移，這對(duì)油井的防偏磨將起到積極的作用。

表2 下沖程中各時(shí)刻對(duì)應(yīng)的抽油桿中和點(diǎn)位置

2.3 桿柱應(yīng)力對(duì)比分析

根據(jù)邊界條件，利用ANSYS仿真軟件，分析光桿在上死點(diǎn)、下死點(diǎn)、下行程加速度最大、上行程加速度最大、 下行程速度最大和上行程速度最大等6個(gè)主要位置的受力（見圖4），并對(duì)比分析了光桿在兩種不同的拖動(dòng)情況下受力特征（見表3），總體來(lái)說(shuō)，M曲線拖動(dòng)的最大應(yīng)力， 比圓拖動(dòng)的最大應(yīng)力小，光桿的受力更加均衡。

圖4 光桿受力仿真

表3 不同拖動(dòng)方式下的光桿最大應(yīng)力對(duì)比

表4 抽油桿疲勞壽命對(duì)比

2.4 桿柱壽命對(duì)比分析

抽油桿的使用壽命主要與應(yīng)力疲勞有關(guān)，可以用應(yīng)力壽命曲線來(lái)表示載荷與偏勞失效的關(guān)系，應(yīng)力壽命曲線圖表示出承受循環(huán)載荷后的循環(huán)次數(shù)，循環(huán)次數(shù)高的，則壽命越長(zhǎng)。 因?yàn)橹饕抡鎲屋S疲勞， 所以利用Fatigue tool中的疲勞敏感性曲線來(lái)仿真抽油桿的疲勞壽命， 根據(jù)實(shí)際部件存在一定缺陷，所以將損傷因子設(shè)為0.8，并利用Goodman理論對(duì)材料進(jìn)行修正，載荷類型指定為ratio，得到抽油桿的疲勞壽命對(duì)比數(shù)據(jù)（見表4）。 從對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)看，除了上死點(diǎn)外，M曲線拖動(dòng)的循環(huán)次數(shù)均優(yōu)于圓拖動(dòng)，且在上行程加速度最大時(shí)（即應(yīng)力最大點(diǎn)），M曲線拖動(dòng)比圓拖動(dòng)的循環(huán)次數(shù)多了845 600次，說(shuō)明在抽油桿壽命最短的時(shí)刻點(diǎn)，M曲線拖動(dòng)方式的壽命更長(zhǎng)。因此，M曲線拖動(dòng)方式下的抽油桿使用壽命將更長(zhǎng)。

通過(guò)以上對(duì)比分析，顯示出M曲線拖動(dòng)的優(yōu)勢(shì)?？梢姡琈曲線控制的柔性運(yùn)行技術(shù)能延長(zhǎng)抽油桿的使用壽命，延長(zhǎng)油井的檢泵周期。

3 抽油機(jī)智能控制柜的優(yōu)化

智能控制柜主要應(yīng)用了變頻控制技術(shù)［6］，實(shí)時(shí)調(diào)整沖數(shù)和柔性控制抽油機(jī)的運(yùn)行。

針對(duì)目前通用型變頻器的控制電路和信號(hào)電路大多采用軟件控制、抗電磁干擾能力弱、故障率高的問題，研發(fā)了全部硬件化的控制電路和信號(hào)電路，提高了抗電磁干擾能力，延長(zhǎng)了變頻器壽命。

抽油機(jī)在下沖程中存在反拖發(fā)電的情況，利用制動(dòng)電阻消耗反拖發(fā)電，保護(hù)了變頻器設(shè)備。 同時(shí)，優(yōu)化了控制線路，抑制了電源諧波，控制了變頻器產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的干擾，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，諧波低于5%。

表5 抽油機(jī)自適應(yīng)柔性控制技術(shù)應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)表

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

抽油機(jī)自適應(yīng)柔性控制技術(shù)，在江蘇油田應(yīng)用30井次，在西北局應(yīng)用2井次，應(yīng)用后，平均單井沖數(shù)下降了49%，節(jié)能40.5%，抽油機(jī)示功圖變得飽滿，提高了泵效。 同時(shí)，該柔性控制技術(shù)，能延長(zhǎng)抽油桿的使用壽命，延長(zhǎng)油井的檢泵周期。 表5統(tǒng)計(jì)了部分油井的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

（1）流量趨勢(shì)監(jiān)測(cè)儀能有效地分析井口產(chǎn)量的變化趨勢(shì)，為抽油機(jī)自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整沖數(shù)提供了技術(shù)支持。

（2）M曲線控制的拖動(dòng)方式，相比常規(guī)的圓形拖動(dòng)，在抽油桿的應(yīng)力分布、疲勞壽命等方面，都具有優(yōu)勢(shì)。

（3）抽油機(jī)自適應(yīng)柔性控制技術(shù)，對(duì)于低產(chǎn)油井具有很好的適應(yīng)性， 能大幅提高低產(chǎn)油井的泵效，綜合節(jié)能率高。