電動(dòng)潛油泵智能控制方法研究*

董 振 剛

(大慶油田力神泵業(yè)有限公司)

0 引 言

電動(dòng)潛油泵智能控制的實(shí)現(xiàn)是油田數(shù)字化發(fā)展的重要延伸?；陔妱?dòng)潛油泵井下多參數(shù)傳感器應(yīng)用可靠性的不斷提高以及變頻控制系統(tǒng)的成熟應(yīng)用[1-3]，為電動(dòng)潛油泵實(shí)現(xiàn)智能控制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過井下多參數(shù)傳感器狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析油井的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，通過地面控制系統(tǒng)的變頻調(diào)控，可達(dá)到供液與產(chǎn)出新的動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)優(yōu)化與閉環(huán)控制。

基于油井生產(chǎn)狀態(tài)的非線性變化以及井下環(huán)境條件的復(fù)雜性，電動(dòng)潛油泵智能控制必須具有較強(qiáng)的適用性，合理建立控制模型顯得極其重要，一旦控制失當(dāng)，其結(jié)果極其嚴(yán)重。為此，如何采取更為有效而完備的控制方法是目前普遍探求的核心。在以往研究中所采用的模糊控制、PID控制、變頻和油嘴的組合調(diào)節(jié)等都是在做這方面的有益嘗試[4-11]，只是在適用性和可靠性上，距離智能控制的廣泛實(shí)現(xiàn)還存在一定的差距。鑒于此，本文根據(jù)電動(dòng)潛油泵的基本特性，提出以油井動(dòng)液面壓力為控制目標(biāo)的梯度變頻算法。

1 控制模型的建立

利用油井動(dòng)液面高度判定油井是否處于理想的生產(chǎn)狀態(tài)，是目前油田普遍采用的方法。因此電動(dòng)潛油泵的智能控制也應(yīng)以理想動(dòng)液面高度為控制目標(biāo)，建立相應(yīng)的智能控制系統(tǒng)。電動(dòng)潛油泵閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電動(dòng)潛油泵閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of ESP’s closed-loop control system

閉環(huán)控制系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)和中心控制器。其中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的參數(shù)主要包括泵入口壓力(p0)和泵出口壓力(p1)。泵入口壓力是泵掛位置的流動(dòng)壓力，可直接表征動(dòng)液面高度，存在如下關(guān)系：

p0≈ph+pa

(1)

式中：ph為動(dòng)液面距離泵入口的液柱壓力，Pa；pa為套管環(huán)空壓力，Pa。

顯然p0是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制的關(guān)鍵。設(shè)動(dòng)液面壓力控制目標(biāo)為ps，當(dāng)p0>ps時(shí)，說明油井的供液能力大于泵的實(shí)際產(chǎn)出能力；當(dāng)p0

泵出口壓力是實(shí)現(xiàn)量化調(diào)參的重要參數(shù)。泵出口壓力與入口壓力直接反映出泵的實(shí)際揚(yáng)程(H)，存在如下關(guān)系：

H=(p1-p0)/(ρg)

(2)

式中：ρ為井液密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

根據(jù)離心泵的固有特性，在一定的運(yùn)行頻率下，泵的揚(yáng)程和排量存在非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系?？山⑷缦玛P(guān)系式：

H=f(Q)

(3)

式中：Q為泵的排量，m3/d。

同時(shí)泵的排量、揚(yáng)程和泵的運(yùn)行頻率存在如下關(guān)系[12]：

Q1/Q2=f1/f2

(4)

H1/H2=(f1/f2)2

(5)

式中：f1、f2為頻率，Hz。

只要知道某一頻率下泵的揚(yáng)程和排量關(guān)系，就可以依據(jù)式(4)和式(5)折算出其他頻率下泵的揚(yáng)程和排量關(guān)系。

中心控制器的任務(wù)就是根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、控制目標(biāo)以及泵的固有特性，分析和計(jì)算出目標(biāo)頻率值，對(duì)變頻系統(tǒng)實(shí)施調(diào)頻控制，以實(shí)現(xiàn)井下供液與產(chǎn)出的合理平衡。

2 控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)式(1)～式(5)，可解決中心控制器的基本調(diào)頻問題，但是目標(biāo)路徑的實(shí)現(xiàn)還需要通過一定的方法來實(shí)現(xiàn)。

2.1 通過梯度變頻達(dá)到控制目標(biāo)

只有泵入口壓力監(jiān)測(cè)值，在不掌握油井實(shí)際IPR曲線和泵的揚(yáng)程與排量關(guān)系的情況下，并不能實(shí)現(xiàn)一次調(diào)控到位。根據(jù)離心泵的變頻特性曲線(見圖2)，ps值只決定了泵的目標(biāo)揚(yáng)程Hs，調(diào)控到多大的排量(Qs)才能實(shí)現(xiàn)供液與產(chǎn)出新的動(dòng)態(tài)平衡還是個(gè)未知數(shù)。

圖2 基于目標(biāo)揚(yáng)程的電動(dòng)潛油泵變頻特性曲線Fig.2 Frequency conversion characteristic curve of ESP under target head

采取連續(xù)變頻與反饋的方式是目前調(diào)控普遍采用的簡單易行的辦法，通過小步長的逐步變頻與反饋達(dá)到控制目標(biāo)[11]。由于每次變頻的幅值不能過大，以防過調(diào)，所以調(diào)頻次數(shù)多。同時(shí)為了保證反饋回的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，每個(gè)節(jié)拍又要保證一定的延時(shí)，當(dāng)目標(biāo)頻率與實(shí)際運(yùn)行頻率距離較大時(shí)，可能會(huì)經(jīng)歷很漫長的時(shí)間才能達(dá)到控制目標(biāo)。而且在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性上也存在缺陷，對(duì)目標(biāo)值的反復(fù)求真勢(shì)必進(jìn)一步增加變頻頻次，也不利于設(shè)備自身的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。為此本文提出梯度變頻的思想，即通過中心控制器的自行算法，以一定的頻率變化梯度靠近Qs值，以較少的變頻次數(shù)快速靠近以ps值為目標(biāo)的目標(biāo)域。

2.2 基于IPR曲線輔助分析達(dá)到控制目標(biāo)

根據(jù)節(jié)點(diǎn)分析法，可以將泵掛位置作為解節(jié)點(diǎn)，建立產(chǎn)能與流壓的IPR曲線。根據(jù)IPR曲線，可以直接得到調(diào)控目標(biāo)排量(Qs)。但是隨著生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的變化，仍需要進(jìn)一步變頻與反饋的過程，除非可持續(xù)建立有效的IPR曲線及泵的揚(yáng)程與排量關(guān)系曲線，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)排量的直接調(diào)控。

3 梯度變頻算法

流經(jīng)泵的流體密度、黏度、含氣量、含砂以及腐蝕與結(jié)垢等因素都會(huì)影響泵的運(yùn)行特性，特別是流體黏度較大和含氣量較高時(shí)，泵的特性會(huì)發(fā)生較大改變，因此泵在出廠時(shí)以清水為介質(zhì)測(cè)試出的特性曲線，并不能完全作為中心控制器分析和計(jì)算的依據(jù)，除非井下介質(zhì)性質(zhì)與清水比較接近。

在井下直接安裝流量計(jì)可重新擬合泵的實(shí)際特性，但是受井下復(fù)雜介質(zhì)與環(huán)境的影響，目前在井下安裝流量計(jì)可靠性較差。通過地面監(jiān)測(cè)流量，在井液含氣和油管泄漏等情況下，其數(shù)據(jù)并不能真實(shí)地反映井下實(shí)際情況。因此對(duì)于井況較復(fù)雜的油井，僅依據(jù)壓力監(jiān)測(cè)參數(shù)并不能真正回歸出泵的揚(yáng)程與排量關(guān)系，即使有IPR曲線，也只是知道了調(diào)控排量目標(biāo)，仍然不能預(yù)知目標(biāo)頻率值。

既然泵的排量難以把控，那么可以不把泵的排量作為輸入或輸出參量。根據(jù)式(5)可以建立如下關(guān)系式：

(6)

式中：fs為調(diào)控目標(biāo)頻率，Hz。

按照fs變頻調(diào)控后，井下反饋的p0值若與ps值仍有差距，說明調(diào)控結(jié)果并沒有達(dá)到調(diào)控目標(biāo)，需要以新反饋的p0值重新作為輸入，再次進(jìn)行變頻調(diào)控，如此反復(fù)，直到達(dá)到ps值的目標(biāo)域要求。電動(dòng)潛油泵智能控制梯度變頻算法如圖3所示。

圖3 電動(dòng)潛油泵智能控制梯度變頻算法Fig.3 Gradient frequency conversion algorithm for the intelligent control of ESP

梯度變頻算法的優(yōu)勢(shì)是僅僅依托泵入口壓力和泵出口壓力兩個(gè)參數(shù)就可達(dá)到目標(biāo)，方法簡單，收斂速度快。實(shí)際操作驗(yàn)證了該算法基本在3次調(diào)頻內(nèi)就能達(dá)到控制目標(biāo)域。

4 條件設(shè)定

有了基本控制方法后，還要有必要的約束條件，以實(shí)現(xiàn)合理控制，并保證設(shè)備可靠運(yùn)行。

4.1 控制策略

由于生產(chǎn)過程是動(dòng)態(tài)過程，保證控制結(jié)果與控制目標(biāo)始終保持一致并不現(xiàn)實(shí)，勢(shì)必造成頻繁調(diào)控，所以從調(diào)控起始到調(diào)控終止，都要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定升頻與降頻的起始界限值和目標(biāo)域。在泵舉升揚(yáng)程大于1 000 m的情況下，升頻的起始界限值應(yīng)比ps至少大0.5 MPa；降頻的起始界限值應(yīng)保證ph值大于2.0 MPa；目標(biāo)域應(yīng)至少設(shè)定在[ps，ps+0.5 MPa]范圍。油井的產(chǎn)液量越大，控制策略應(yīng)越趨保守，除非油井產(chǎn)能穩(wěn)定，井況掌握準(zhǔn)確。

4.2 控制節(jié)拍

按照梯度變頻算法，仍需要幾次變頻才能夠達(dá)到控制目標(biāo)。每一次變頻后會(huì)產(chǎn)生新的動(dòng)態(tài)平衡，該平衡需要一定的時(shí)間域才能穩(wěn)定，因此控制節(jié)拍時(shí)間要保證反饋的p0值真實(shí)穩(wěn)定，防止調(diào)控過速造成調(diào)控過度。節(jié)拍延時(shí)時(shí)間要根據(jù)具體的地層滲透條件確定，在不確定的情況下可以初設(shè)延時(shí)24 h以上。

4.3 頻率變化區(qū)間

選擇的泵型必須保證在有效的頻率變化區(qū)間內(nèi)能合理覆蓋以目標(biāo)壓力為解節(jié)點(diǎn)的油井產(chǎn)能需要，也就是合理選井選泵，這也是機(jī)組配套所要考慮的重要內(nèi)容。泵的型號(hào)和選配的電機(jī)功率確定后，就決定了泵所能達(dá)到的排量范圍和頻率變化區(qū)間。一旦選泵過小會(huì)造成泵的排量區(qū)間達(dá)不到供液能力，導(dǎo)致控制系統(tǒng)無節(jié)制升頻控制。如動(dòng)液面接近井口的油井，說明油井的供液能力已超出所選配泵型的生產(chǎn)能力；同時(shí)，電機(jī)功率的匹配已決定了機(jī)組的最大工作能力，升頻后負(fù)載的增加若超出電機(jī)功率輸出能力，泵轉(zhuǎn)速與頻率不能同步變化[13-14]，同樣達(dá)不到控制目標(biāo)要求。

5 故障診斷與保護(hù)

電動(dòng)潛油泵智能控制的實(shí)現(xiàn)必須建立在系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上。由于信號(hào)傳輸錯(cuò)誤或其他故障造成誤控，則易導(dǎo)致系統(tǒng)的過早損壞。

5.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其本身故障造成傳輸信號(hào)異常，易導(dǎo)致誤控。目前針對(duì)井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自身的故障診斷，研究與應(yīng)用較少[15]。而且從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，目前井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平均運(yùn)行壽命還遠(yuǎn)低于電動(dòng)潛油泵平均運(yùn)行壽命，因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性成為保障智能控制系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行的重要影響因素。

5.2 設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)

電動(dòng)潛油泵本身就有一套故障保障系統(tǒng)，可對(duì)智能控制起到前端保護(hù)作用。但是由于一些機(jī)械故障導(dǎo)致的運(yùn)行異常，如流道異物堵塞、局部斷軸、氣鎖以及油管結(jié)蠟嚴(yán)重等，并不一定實(shí)施停機(jī)保護(hù)，這就需要智能控制系統(tǒng)本身能夠?qū)嵤┰\斷與自我保護(hù)。因此，類似故障的辨識(shí)與診斷也是保障智能控制可靠應(yīng)用的重要組成部分。

6 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

利用梯度變頻算法編制的中心控制器在大慶油田進(jìn)行了多井次驗(yàn)證試驗(yàn)。表1表示在G105-50井分別兩次設(shè)定ps調(diào)控值得到的自動(dòng)控制結(jié)果。該井選用泵的排量為150 m3/d，揚(yáng)程為1 000 m，電機(jī)功率為37 kW，油井套壓為0.96 MPa。泵入口壓力值較高，說明油井的供液能力大于泵的實(shí)際產(chǎn)出能力，因此設(shè)定的ps值不能超出電機(jī)輸出功率范圍。從驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果來看，設(shè)定的ps值和實(shí)際達(dá)到的p0值符合度較為理想，證明了算法的有效性。

表1 在大慶油田G105-50井的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Verification test result in Well G105-50 of Daqing Oilfield

7 結(jié) 論

(1)針對(duì)井下復(fù)雜條件及可提取參數(shù)，提出了以油井動(dòng)液面壓力為控制目標(biāo)，通過快速收斂達(dá)到控制目標(biāo)的梯度變頻算法，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的快速性與有效性。

(2)油井生產(chǎn)過程是動(dòng)態(tài)過程，需設(shè)定升頻與降頻的起始界限值和目標(biāo)域，并控制好變頻節(jié)拍延時(shí)時(shí)間，以保證調(diào)控穩(wěn)定準(zhǔn)確。

(3)選泵時(shí)，應(yīng)保證泵在有效的頻率變化區(qū)間滿足以目標(biāo)壓力為解節(jié)點(diǎn)的油井產(chǎn)能需要，防止泵的產(chǎn)出能力與油井產(chǎn)能不匹配而造成的誤控。

(4)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)的故障診斷與保護(hù)是保障電動(dòng)潛油泵智能控制的重要前提。