射流泵智能采油控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

梁新玉，張乃祿，姚景超，王文濤，孟智彬

1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院（陜西 西安 710065）2.陜西省油氣井測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（陜西 西安 710065）3.西安海聯(lián)石化科技有限公司（陜西 西安 710065）

0 引言

油井動(dòng)液面高度會(huì)影響到油井底部的流動(dòng)壓力及沉沒(méi)度，進(jìn)而影響到采油效率[1]。由于稠油、凝油和疏松砂巖油井低滲透、含砂量大及供液能力不強(qiáng)，采用傳統(tǒng)的防砂開采方式會(huì)導(dǎo)致油井產(chǎn)量降低、也會(huì)頻繁出現(xiàn)油井桿、管、泵磨蝕嚴(yán)重等情況，進(jìn)而增加原油開采成本，嚴(yán)重影響油井的產(chǎn)量[2]。目前射流泵排砂采油井多為開環(huán)控制，隨著嵌入式技術(shù)的不斷進(jìn)步和自動(dòng)化水平的不斷提高，油田發(fā)展進(jìn)入到數(shù)字化、智慧化發(fā)展階段，建立智能化生產(chǎn)方式也是石油企業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

基于動(dòng)液面與套管壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)，提出對(duì)同心雙管射流泵井建立雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。利用動(dòng)液面及套管壓力監(jiān)測(cè)儀，實(shí)時(shí)測(cè)量油井的動(dòng)液面和套管壓力，結(jié)合實(shí)際情況分析和研究，針對(duì)動(dòng)液面采用模糊控制策略，針對(duì)套管壓力采用位控制策略?？刂破鞲鶕?jù)動(dòng)液面高度調(diào)節(jié)變頻器的同時(shí)根據(jù)套管壓力調(diào)解電磁閥，采用同心雙管射流泵采油工藝，為稠油開采提供一種新的開采方法，有效解決了油井出砂比較嚴(yán)重的問(wèn)題，同時(shí)能夠確保射流泵始終處于最佳的采油狀態(tài)，對(duì)提高射流泵排砂采油效率具有重要意義。

1 射流泵智能采油控制原理

在原油開采過(guò)程前，通過(guò)分析井況及地層滲透能力等綜合因素可以確定油井的最佳沉沒(méi)度范圍，只需控制油井動(dòng)液面的高度，保證油井的沉沒(méi)度始終在合理范圍內(nèi)，即可確保在采油過(guò)程中射流泵始終在最佳效率下工作，最大程度地提高采油效率[3]。油井產(chǎn)液量計(jì)算公式為：

式中:Q為產(chǎn)液量，m3/d；K為產(chǎn)液指數(shù)；Hs為靜液面高度，m；Hf為動(dòng)液面高度，m。

由式（1）可知，油井動(dòng)液面高度的變化會(huì)影響到產(chǎn)液量，過(guò)低會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)液量減少，但動(dòng)液面過(guò)高又會(huì)影響到底層的滲透能力。射流泵智能采油控制系統(tǒng)主要通過(guò)控制柱塞泵的變頻器來(lái)間接調(diào)節(jié)射流泵的動(dòng)力液注入量。當(dāng)動(dòng)液面值減小時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器來(lái)減小柱塞泵的工作頻率，即可維持油井動(dòng)液面在合理的原油開采沉沒(méi)度范圍內(nèi)，確保射流泵處于最佳的采油狀態(tài)。

在正常油井生產(chǎn)過(guò)程中，井內(nèi)的伴生氣會(huì)在油井套管內(nèi)形成高套管壓力，當(dāng)沉沒(méi)度超過(guò)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，造成滲透率和地層壓力的下降，在薄差及滲透能力低的油層中會(huì)出現(xiàn)不出液的情況，同時(shí)會(huì)改變合理沉沒(méi)度，間接影響了產(chǎn)液量[4-5]。套管壓力關(guān)系式：

式中:Pc為油井套管壓力，MPa；Pwf為油井底層流動(dòng)壓力，MPa；Pog為泵入口壓力，MPa，Pog=ρgh；Pogw為泵入口至油層中部的液柱壓力，MPa。

通常情況，Pogw不會(huì)因套管壓力的變化而變化，設(shè)Pwf不變，從式（2）可看出，套管壓力的增大會(huì)使得動(dòng)液面的值減小。因此，當(dāng)套管壓力達(dá)到一定值時(shí)，及時(shí)進(jìn)行放氣降低套管壓力，有利于油井動(dòng)液面的穩(wěn)定，最大可能減少高套管壓力對(duì)采油效率的影響。

綜上分析，采用閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)動(dòng)液面與套管壓力的雙回路閉環(huán)控制，盡可能地確保最佳的采油效率。控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理

2 射流泵智能采油控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 射流泵智能采油控制系統(tǒng)硬件組成

基于動(dòng)液面與套管壓力的射流泵智能采油控制系統(tǒng)硬件部分主要有測(cè)量單元、控制單元、執(zhí)行單元構(gòu)成。測(cè)量單元為動(dòng)液面及套管壓力監(jiān)測(cè)儀，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的測(cè)量油井的動(dòng)液面和套管壓力，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485實(shí)時(shí)傳送到控制器。該系統(tǒng)的控制單元為智能控制器，以STM32作為控制系統(tǒng)的主控芯片，并設(shè)計(jì)有相關(guān)的接口電路。執(zhí)行單元為柱塞泵的變頻器和電磁調(diào)節(jié)閥。根據(jù)控制指令，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁閥的開閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)射流泵動(dòng)力液及油井套管壓力的調(diào)節(jié)。控制模型及系統(tǒng)組成如圖2、圖3所示。

圖2 射流泵智能采油控制模型

圖3 動(dòng)液面與套管壓力的采油控制系統(tǒng)組成

2.2 射流泵智能采油控制系統(tǒng)軟件組成

射流泵智能采油控制系統(tǒng)的軟件部分主要在keil平臺(tái)上完成設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、套管壓力及動(dòng)液面控制模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)通訊模塊主要功能是對(duì)油井動(dòng)液面和套管壓力值的獲取和傳輸，數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)油井動(dòng)液面值及套管壓力值的設(shè)定和實(shí)時(shí)顯示。射流泵智能采油控制系統(tǒng)軟件組成如圖4所示。

圖4 射流泵智能采油控制系統(tǒng)軟件組成

3 射流泵智能采油控制策略

油井開采前，首先對(duì)井況和地層滲透能力等影響動(dòng)液面高度的因素進(jìn)行分析，確定油井沉沒(méi)度的合理開采范圍。在開采過(guò)程中，通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而維持動(dòng)液面和套管壓力處在最佳的狀態(tài)，可確保原油開采的最佳產(chǎn)液量[6-7]。

3.1 油井動(dòng)液面控制策略

油井動(dòng)液面主要和射流泵的工作狀態(tài)、油井的套管壓力及地層的供液能力等密切相關(guān)，由于對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制是一個(gè)非線性、大滯后、比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，通常很難構(gòu)造精確的PID線性控制模型，但通過(guò)對(duì)其控制系統(tǒng)特點(diǎn)的分析和研究，在實(shí)際的控制過(guò)程中，可以采用模糊控制策略對(duì)油井的動(dòng)液面高度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[8]。將油井動(dòng)液面高度的實(shí)際測(cè)量值和設(shè)定值之間的偏差e和油井動(dòng)液面的偏差變化率ec設(shè)定為輸入量，輸出量設(shè)定為柱塞泵電機(jī)頻率F的變頻指令。結(jié)合原油開采的實(shí)際情況，確定動(dòng)液面偏差、偏差率和輸出頻率及分別對(duì)應(yīng)的基本論域、量化因子（K1，K2，K3）和模糊子集。根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化處理，創(chuàng)建其對(duì)應(yīng)的模糊規(guī)則，再根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，采用重心法進(jìn)行模糊判決處理后，即可得到柱塞泵變頻器調(diào)節(jié)頻率F的輸出值。達(dá)到調(diào)節(jié)柱塞泵變頻器頻率間接調(diào)整射流泵的動(dòng)力液注入量的目的，確保射流泵始終維持在最佳的運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)液面模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 動(dòng)液面模糊控制器結(jié)構(gòu)

3.2 動(dòng)液面模糊控制流程

油井動(dòng)液面模糊控制策略采用離線查表方式進(jìn)行。使用MATLAB 仿真軟件中的模糊控制工具箱先對(duì)動(dòng)液面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并根據(jù)輸入不同的動(dòng)液面相關(guān)數(shù)據(jù)組合，計(jì)算出行管的控制量，再將其進(jìn)行處理后生成輸出結(jié)果表[8-9]。采用二維數(shù)組的形式將輸出結(jié)果表編寫到動(dòng)液面控制程序中。當(dāng)控制系統(tǒng)正常工作時(shí)，程序啟動(dòng)，動(dòng)液面監(jiān)測(cè)儀測(cè)量當(dāng)前的動(dòng)液面值，計(jì)算出實(shí)際測(cè)量動(dòng)液面與給定動(dòng)液面的差值e及差值變化率ec，并對(duì)其進(jìn)行模糊化處理，再根據(jù)e和ec模糊化的結(jié)果去比對(duì)模糊控制規(guī)則表，得到對(duì)應(yīng)的輸出頻率，并將輸出變頻器信號(hào)發(fā)送到變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井動(dòng)液面的實(shí)時(shí)控制。

動(dòng)液面模糊控制規(guī)則表設(shè)計(jì)：根據(jù)油井動(dòng)液面變化情況，選擇動(dòng)液面偏差e的基本論域?yàn)閇-100，100]，動(dòng)液面偏差變化率ec基本論域?yàn)閇-10，10]，變頻器頻率基本論域?yàn)閇10，50]。選偏差、偏差變化率和輸出頻率的變化范圍映射為13 個(gè)整數(shù)量化級(jí)別[-6，6]，則偏差的量化因子K1=0.06，偏差變化率的量化因子K2=0.6，輸出變頻率的放大因子K3=0.2。對(duì)于偏差e和ec的語(yǔ)言變量A和B均為：NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。根據(jù)原油開采過(guò)程中油井動(dòng)液面大致變化規(guī)律，可以設(shè)計(jì)模糊狀態(tài)控制狀態(tài)表，見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)液面模糊控制規(guī)則狀態(tài)

根據(jù)模糊控制規(guī)則狀態(tài)表，采用最大隸屬度法進(jìn)行模糊判決，可以將控制量由模糊量變?yōu)榫_量并得到模糊控制表，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井動(dòng)液面的控制。動(dòng)液面模糊控制流程如圖6所示。

圖6 動(dòng)液面模糊控制流程

3.3 油井套管壓力控制策略

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況的進(jìn)行分析和研究，確定可確保最佳采油效率的油井套管壓力值，并采用位控制方法對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制。在正常采油工作過(guò)程中，實(shí)時(shí)將動(dòng)液面監(jiān)測(cè)儀測(cè)量的套管壓力值和系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)實(shí)時(shí)測(cè)量的套管壓力值高于預(yù)先設(shè)定值時(shí)，控制器發(fā)送打開井口電磁閥的控制指令進(jìn)行放氣；當(dāng)?shù)陀陬A(yù)先設(shè)定值時(shí)，發(fā)送關(guān)閉井口電磁閥的控制指令，進(jìn)而維持油井的套管壓力穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)，確保射流泵工作過(guò)程中的最佳采油效率。

3.4 套管壓力位控制流程

套管壓力位控制流程主要根據(jù)油井套管壓力的實(shí)時(shí)測(cè)量值和設(shè)定值實(shí)現(xiàn)控制。在實(shí)際控制過(guò)程中，當(dāng)實(shí)時(shí)測(cè)量的套管壓力值大于設(shè)定值的上限時(shí)，打開電磁閥進(jìn)行套管氣的排放；當(dāng)實(shí)時(shí)測(cè)量的套管壓力值小于設(shè)定值的下限時(shí)，及時(shí)關(guān)閉電磁閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井套管壓力的實(shí)時(shí)控制。套管壓力位控制程序如圖7所示。

圖7 套管壓力位控制流程

4 控制系統(tǒng)應(yīng)用分析

該系統(tǒng)在河南油田一生產(chǎn)井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在投入使用時(shí)套壓值下限設(shè)定為0.2 MPa，上限設(shè)定為0.25 MPa，油井動(dòng)液面深度設(shè)定為1500 m。連續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后，每隔一天對(duì)動(dòng)液面、套壓及電機(jī)頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，油井動(dòng)液面深度和套壓值變化見(jiàn)表2。

表2 油井動(dòng)液面、套壓與變頻器測(cè)量值

通過(guò)分析相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)油井動(dòng)液面控制在1500 m 左右，套壓維持在0.2～0.25 MPa，對(duì)油井動(dòng)液面和套管壓力起到了良好的控制效果，實(shí)現(xiàn)了智能采油控制系統(tǒng)的研發(fā)需求。同時(shí)實(shí)驗(yàn)井的原油產(chǎn)液提高了9%，電耗降低了13%，取得了良好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

1）通過(guò)分析和研究油井動(dòng)液面和套管壓力對(duì)采油效率的影響，設(shè)計(jì)了基于油井動(dòng)液面與套管壓力的射流泵智能采油控制系統(tǒng)。

2）在系統(tǒng)中油井動(dòng)液面和井口套管壓力分別采用模糊控制和位控制策略，最終實(shí)現(xiàn)了采油過(guò)程中自動(dòng)調(diào)節(jié)柱塞泵變頻器和套管排氣電磁閥，以實(shí)現(xiàn)對(duì)最佳采油狀態(tài)控制的目的；同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)油井井況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為疏松砂巖油藏優(yōu)化開采探索出新思路，提高了此類油田的原油開采效率。