抽油機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

馬馳騁，樊軍

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047)

國內(nèi)采油作業(yè)區(qū)部分油井隨著地層能力下降，油井供液能力不足的現(xiàn)象十分普遍。間歇作業(yè)方式成為一種極有效的方式，克服了供液不足不能滿足抽油設(shè)備工作需要的問題。目前國內(nèi)的此類產(chǎn)品主要可分為兩類:一類是簡單的定時(shí)裝置，定期間歇性抽停;另一類是檢測在一定功效下進(jìn)行停抽。但由于每口井工況不同，隨著時(shí)間變化，油井的載荷情況也隨之變化，即每口井實(shí)際上均處于一種“病態(tài)”的工作情況中，同時(shí)在不同的時(shí)間自身工作狀況也在變化。每口井的停抽標(biāo)準(zhǔn)及時(shí)長沒有固定標(biāo)準(zhǔn)，因此需要一種普遍適用的控制系統(tǒng)達(dá)到自適應(yīng)、自跟蹤、自學(xué)習(xí)、自控制的能力。

通過對示功圖的分析，利用面積法和非線性曲線特征點(diǎn)法確定其停抽標(biāo)準(zhǔn)，并通過面積率法優(yōu)化確定停抽時(shí)長。通過對常見故障示功圖形態(tài)學(xué)的分析，得到故障特征示功圖，并對得到的示功圖進(jìn)行對比，判斷并處理出現(xiàn)的常見故障。

1 抽油機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種普遍適用的控制系統(tǒng)，使之能在不同抽油機(jī)不同工況下普遍應(yīng)用。該控制系統(tǒng)可降低生產(chǎn)成本和增加產(chǎn)量，提高節(jié)能效率，解決目前存在的產(chǎn)、效、能問題。

油井示功圖指標(biāo)作為一個(gè)成熟的理論，在工作和科研上均得到國際性的認(rèn)可。根據(jù)示功圖的特征進(jìn)行泵抽產(chǎn)量判斷，在理論上成熟，因?yàn)楸眯Ш捅贸楫a(chǎn)量具有完全相同的變化趨勢，示功圖的平均面積可以直接反映出泵抽產(chǎn)量的變化情況［1－2］。

抽油機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)是應(yīng)用數(shù)字技術(shù)和軟件技術(shù)開發(fā)研制的新產(chǎn)品，該系統(tǒng)使用示功圖的平均面積進(jìn)行“高產(chǎn)”、“高效”和節(jié)能的研究，專用于抽油機(jī)在供液不足工況下的自動間歇控制?？山鉀Q目前油田邊探井、低產(chǎn)井、挖潛增效井等存在間抽現(xiàn)象明顯的問題，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目的。

2 抽油機(jī)自適應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)通過外接傳感器，監(jiān)測油井的示功圖狀態(tài)，實(shí)時(shí)獲取抽油機(jī)示功圖參數(shù)。通過對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，發(fā)出各種控制命令，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的自動啟停、故障報(bào)警及處理、間抽等控制，從而實(shí)現(xiàn)對各單井狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，大大降低了生產(chǎn)成本和增加了產(chǎn)量，縮短了故障發(fā)現(xiàn)和排除周期，提高節(jié)能效率。系統(tǒng)流程簡圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)正常工作流程簡圖

2.1 停抽標(biāo)準(zhǔn)及停抽制度的確定

利用特征點(diǎn)法，對獲得的示功圖面積值數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，如圖2所示。

圖2 示功圖面積S擬合曲線

求出其擬合曲線公式如式 (1)所示［3］:

利用面積率平均法 (式 (2))，可求得抽油機(jī)工作效率P，當(dāng)P達(dá)到最大值時(shí)，即為所求抽油機(jī)停抽點(diǎn)

利用 Newton 法 (式 (3))［4］:

對其進(jìn)行優(yōu)化檢測，確定抽油機(jī)停抽點(diǎn)，并求得工作時(shí)間t=8 h;停抽時(shí)長t=12 h;停抽時(shí)抽油機(jī)產(chǎn)液量S=35.25 cm2。此時(shí)能保證抽油機(jī)高效節(jié)能運(yùn)行。

以求得的停抽標(biāo)準(zhǔn)作為起始依據(jù)及初始評判標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行初步設(shè)定，當(dāng)抽油機(jī)正常工作時(shí)根據(jù)式(2)對抽油機(jī)工作效率進(jìn)行檢測，并與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，當(dāng)滿足式Pi＞Pi+1(i＞0)，將此值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，若Pi～P標(biāo)且ti～t標(biāo)，進(jìn)一步檢測實(shí)時(shí)抽油數(shù)據(jù)，根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)，適當(dāng)調(diào)整停抽點(diǎn)的設(shè)定及停抽制度，以確保抽油機(jī)在高效情況下工作。

2.2 常見的故障診斷

對于抽油機(jī)常見的故障如:傳感器故障、游動凡爾泄漏、固定凡爾泄漏、雙凡爾泄漏、桿斷脫、氣鎖、傳感器故障等，能夠?qū)崿F(xiàn)故障的判斷處理。通過對常見故障示功圖進(jìn)行圖像形態(tài)學(xué)分析，確定故障特征示功圖。

首先，對原有故障示功圖 (如圖3(a))進(jìn)行圖像形態(tài)學(xué)分析，對其進(jìn)行擴(kuò)張運(yùn)算 (式 (4))和腐蝕運(yùn)算 (式 (5)):

填平圖形中的不光滑凹凸部分 (如圖3(b))［5］;最后，去除因滯后和變形等原因造成的圖形畸形，確定形成故障特征示功圖樣板 (如圖3(c))［6］。

圖3 故障示功圖原理

針對測量的示功圖 (圖4(a))，與形成的故障示功圖 (圖4(b))進(jìn)行比較，得到實(shí)際示功圖故障變形圖如圖4(c)所示;根據(jù)得到的故障變形圖，推出抽油機(jī)運(yùn)行中的故障點(diǎn)及故障類型，結(jié)合生產(chǎn)參數(shù)，確定此時(shí)工作制度，并提供故障分析，為后續(xù)故障處理提供依據(jù)，待故障解除轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)繼續(xù)工作［7－9］。

圖4 故障診斷原理

3 系統(tǒng)實(shí)例測試

將系統(tǒng)應(yīng)用于抽油機(jī)上進(jìn)行測試，通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、人工正常調(diào)開與調(diào)停、機(jī)器檢修等設(shè)計(jì)計(jì)劃進(jìn)行驗(yàn)證，證明了系統(tǒng)的功能和性能。同時(shí)，根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化升級。

通過計(jì)算機(jī)的客戶端程序可直接與系統(tǒng)終端相連，讀取歷史及當(dāng)前抽油機(jī)工作的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。圖5為該系統(tǒng)應(yīng)用于井號SQ4215進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讀取出的歷史實(shí)測數(shù)據(jù)。

圖5 系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)

根據(jù)圖5所示，該系統(tǒng)能夠完成自適應(yīng)控制，得出抽油機(jī)工作時(shí)長、停抽時(shí)間、停抽標(biāo)準(zhǔn)，并制定相應(yīng)工作制度，并對發(fā)生的故障進(jìn)行自診斷并進(jìn)行報(bào)警及預(yù)處理，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)石油行業(yè)每口油井均處于單位產(chǎn)量3～5 t/天的情況下，說明目前國內(nèi)大約有30%的抽油井均處于低產(chǎn)低效的狀態(tài)。通過智能間抽控制技術(shù)控制油井的運(yùn)行研究項(xiàng)目的實(shí)施，不但能一定幅度上增加油井的采收率，還可以很大程度上降低油井運(yùn)行電單耗;通過就地?zé)o功補(bǔ)償技術(shù)可以降低電網(wǎng)的無功損耗，提高電網(wǎng)的容量和延長電氣設(shè)備的使用壽命。如果區(qū)域范圍實(shí)施措施將很大程度上降低油田的運(yùn)行電耗，提高油田的整體開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益。

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