基于动液面与套压的抽油控制系统

张乃禄，李伟强，刘 峰，黄 伟，王 伟，皇甫王欢

(1.西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065；2.陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西 西安 710065；3.长庆油田分公司 技术监测中心，陕西 西安 710018； 4.西安海联石化科技有限公司，陕西 西安 710065)

引 言

油井动液面深度确定井底流压和抽油泵的沉没度，其变化对油井产液量和抽油效率造成影响。随着动液面加深，抽油泵上段的液柱压力降低，从而导致有更多的气体进入抽油泵中，降低了抽油泵的泵效，抽油机仍以原有的冲次运行会使油井处于低产量的工作状态[1-2]。此外，油井内部形成的高套压会加深动液面的变化，同样降低了抽油泵的效率，使抽油机处于低产高耗的工作状态。目前，国内有报道通过示功图间接计算油井动液面变化，再控制抽油机变频器实现抽油冲次调节[3-4]，另外，采油过程中油井环空套压对动液面和产液量的影响与控制的研究报道较少[5]。针对实际采油生产过程中，油井动液面和环空套压的变化影响，提出油井动液面与套压双回路控制，设计了一套基于动液面与套压的抽油控制系统。该系统采用动液面和套压检测仪实时测量油井动液面与套压，动液面控制采用模糊控制策略，环空套压采用位控制。该控制系统能够解决抽油机运行时因地层供液能力变化导致动液面不稳定和套压持续升高继而造成抽油泵效低下的问题，确保抽油机处于最优的抽油状态。

1 基于动液面与套压的抽油控制原理

1.1 动液面与套压双回路抽油控制机理分析

在油田开采前期，油田地质研究人员根据地层渗透能力和油井的状况等因素确定合理的沉没度，只要控制油井动液面确保沉没度维持在合理的状态，即可实现采油达到最佳产液量。 油井产液量计算式为

QL=KL(Hs-Hf)。

(1)

式中：QL为油井产液量，m3/d；Hs为静液面高度，m；Hf为动液面的高度，m；KL为产液指数。

由式(1)可以看出，动液面下降会减少油井的产液量。动液面控制是通过控制抽油机变频器来间接调节抽油机的冲次[6]。变频器频率F与抽油机冲次N的关系为

(2)

式中：P为电动机极对数；Ir为抽油机减速箱的总传动比；D1为电机皮带轮直径；D2为减速箱大皮带轮直径；F为变频器频率，Hz；N为抽油机的冲次，mi-1。在出现动液面下降时，降低变频器频率减小抽油机冲次即可稳定动液面，动液面保持抽油泵合理沉没度，使抽油机处于理想的抽油状态。

另一方面，在油井生产时套管排气阀门处于关闭状态，井内气体在环形空间聚集形成高套压，套压越高动液面变化越大，改变抽油泵合理沉没度，间接影响了产液量。套压关系式

pc=pwf-pog-pogw，

(3)

式中：pc为套压，MPa；pwf为井底流压，MPa；pog为泵吸入口至动液面压力，MPa，pog=ρgh；pogw为泵吸入口至油层中部的液柱压力，MPa。通常情况下，pogw不随套压值变化，考虑pwf不变，从式(3)中可知，套压增高会导致动液面的下降。因此，在套压升高时，及时对套气进行排放，控制套压，能够有助于稳定动液面，消除高套压对抽油泵的影响[7]，可使抽油机处于最佳抽油状态。

综上所述，通过油井动液面与套压双回路控制，可使抽油机处于最佳抽油状态，其双回路抽油控制系统原理如图1所示。

图1 双回路抽油控制系统原理Fig.1 Principle diagram of double loop control system for oil pumping unit

1.2 基于动液面和套压的抽油控制策略

1.2.1 动液面控制 动液面与地层供液、抽油泵挂、抽油机工作状态等因素有关，其控制是一个典型的非线性系统，无法通过建立数学模型采用PID控制，因此提出采用模糊控制策略实现动液面的控制。模糊控制的2个输入量分别为动液面的偏差e与动液面的偏差的变化率eh，模糊控制的输出为抽油机变频器的频率F。3个量的隶属函数均选为三角形隶属函数，动液面偏差e的基本论域为{-50,100}，模糊子集为{-2,4}，量化因子Ge为0.04，7个语言变量值为：NB、NS、ZO、PS、PM、PB、PVB；动液面偏差的变化率eh的基本论域为{-10,10}，模糊子集为{-2,2}，量化因子Geh为0.2，5个语言变量值为：NB、NS、ZO、PS、PB；频率F的输出论域为{0,65}，5个语言变化值为：slow3、slow2、slow1、no change、fast。依据抽油机抽油过程动液面变化的实际经验建立35条模糊规则，见表1。首先根据量化因子对输入的动液面偏差和偏差变化率进行模糊化处理，其次模糊化之后的输入量根据模糊控制规则进行模糊推理，模糊推理结果为模糊量，采用重心法进行反模糊化即可得到变频器频率F的输出值。通过调节变频器频率F调整抽油机的冲次，以达到其最佳值。

表1 动液面控制模糊规则Tab.1 Fuzzy rule Table for control of moving liquid level

1.2.2 套压控制 通过多元线性回归分析法，选择最佳油井套压值。套压控制采用位控制，即将实测套压值与设定套压值进行对比，当套压值高于设定套压上限值时打开电磁阀排放套气，低于设定下限值时关闭电磁阀，从而控制套压稳定在合适的范围[8]，使抽油机运行在最佳的抽油状态。

2 动液面与套压的抽油控制系统构成

动液面与套压的抽油控制系统由检测、控制、执行单元构成，如图2所示。

(1)检测单元为油井动液面监测仪和套压测量传感器。该监测仪能够实时动态测量油井动液面和套压，通过RS485接口将测量数据传送至智能控制器。

(2)控制单元为双回路智能控制器。智能控制器以STM32为主控芯片，带有两路RS485接口和控制输出端口[9]。

(3)执行单元为变频器和电磁调节阀。变频器依据智能控制器频率控制指令，调节电动机的转速实现对抽油机的冲次控制；调节电磁阀依据智能控制器控制指令，调节井口排放气装置。

图2 动液面与套压的抽油控制系统构成Fig.2 Composition of oil pumping unit control system based on dynamic liquid level and casing pressure

3 动液面与套压的抽油控制软件设计

3.1 动液面与套压抽油控制软件的组成

抽油控制系统软件在keilC51上进行编程，主要包括显示设定、数据通讯、动液面控制和套压控制等程序。其中数据通信程序实现智能控制器接收动液面和套压数据的功能，并对接收到的十六位数据进行十进制转换；显示设定程序完成动液面及套压显示，并进行动液面与套压设定值的设定。动液面与套压抽油控制软件组成如图3所示。

图3 动液面与套压抽油控制软件的组成Fig.3 Composition of oil pumping unit control software based on dynamic liquid level and casing pressure

3.2 动液面模糊控制程序设计

动液面模糊控制程序采用离线查表方式。首先利用MATLAB的模糊控制工具箱进行模糊计算，用系统测试工具进行动液面变化测试，具体测试范围根据油井动液面变化范围设定，并选定好合适的步长；待测试完成后，将测试结果生成输出结果表。在控制程序设计中，将MATLAB测试结果的模糊控制表以二维数组的形式写入到程序中。程序开始时，智能控制器首先测量当前的动液面，再计算测量动液面与给定动液面的差值e及差值变化率eh，之后将偏差e及变化率eh进行模糊化，并对二者模糊化结果查询模糊控制表得到对应的输出频率。最后将输出频率信号输出变频器。动液面模糊控制程序如图4所示。

图4 动液面模糊控制程序流程Fig.4 Progress diagram of moving liquid level fuzzy control

3.3 套压位控制程序设计

套压位控制算法依据实测套压值和设定套压值进行计算与控制。当实测套压值超过设定套压上限，智能控制器发出指令打开电磁阀进行套气的排放，实测套压值低于套压设定下限时关闭电磁阀。套压位控制程序如图5所示。

图5 套压控制程序流程Fig.5 Progress diagram of casing pressure control

4 控制系统实验分析

在实验室进行抽油系统动液面与套压模拟控制验证实验，动液面设置目标深度为1 400 m，套压控制目标为0.5 MPa。动液面监测仪连续输出6组动液面调节值，同时利用电动气泵对PVC连接管柱内进行增压，抽油控制系统进行实时调节控制，实验显示当动液面调节值出现变化时，智能控制器依据动液面实时变化调节变频器频率，改变抽油机冲次，依据PVC管柱套压上限0.52 MPa、下限0.48 MPa控制电磁阀，进行气体压力调节，套压始终被控制在0.5 MPa左右。实验过程动液面与变频器调节频率及套压控制结果见表2。

表2 套压、动液面与变频器频率调节值Tab.2 Casing pressure,moving liquid level and frequency converter adjustment value

注：动液面目标值1 400 m；套压目标值0.5 MPa。

该抽油控制系统在长庆油田某采油厂油井生产现场实验，生产油井套压0.68 MPa，动液面深度1 315 m，该井处于套压过高、液面供液不足的状态。该抽油控制系统投入运行，动液面与套压控制目标分别为1 200 m和0.2 MPa，系统运行48 h后，油井动液面深度为1 214 m，套压0.204 MPa，该油井原油产液提高9%，抽油机的电耗降低13%。

5 结束语

(1)油井动液面和套压对抽油效率与能耗有重要影响，设计了基于油井动液面与套压的双回路抽油控制系统。

(2)抽油控制系统动液面与套压采用模糊控制和位控制策略，STM32智能控制器调节抽油机变频器和井口电磁阀，实现最佳抽油冲次与最优抽油状态控制，提高了抽油生产效率，降低了能耗，在油田开发与生产中有典型应用价值。

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