基于抽吸效率—流压曲线的抽油机工况周期性模糊控制方法

摘要

基于抽吸效率—流压曲线的抽油机工况周期性模糊控制方法，属于石油采集技术，其特征在于通过分析采集到的生产数据自动调节变频器频率，从而达到智能控制采油冲次的目的。调节频率的程度通过绘制的抽油机井动态控制图来进行判断。动态控制图将油井的情况分为5种，分别为参数偏大区、断脱漏失区、合理区、待落实区、参数偏小区。在油井的实际泵效和流压位于参数偏大区范围时，考虑实际泵效与理论泵效的差别，如果实际泵效高于理论泵效，就要提高冲次，如果实际泵效低于理论泵效，则降低冲次，整个过程采用模糊控制算法进行计算。系统根据实时采集到的数据合理地调节冲次，使采油效率达到最大化，并且在发生空抽现象时停止抽油机工作，提高设备的安全性。

主权项

基于抽吸效率—流压曲线的抽油机工况周期性模糊控制方法，其特征在于是在采油系统的游梁式抽油机冲次闭环调节子系统中依次按以下步骤实现的：步骤1：构造一个采油系统的游梁式抽油机冲次闭环调节子系统，包括：计算机、传感器、变频器、抽油机、无线收发系统和上位机，其中传感器包括：油杆位移传感器、油杆载荷传感器、井口温度传感器、油井动液面传感器、套压传感器和油压传感器，所述各种传感器的输出端信号经A/D转接器分别输入到所述计算机的对应数据的输入端；变频器：变频器信号输入端与所述计算机的RS‑485串行接口输出端相连，抽油机：频率信号输入端与所述变频器的可变频率信号输出端相连，无线收发系统：由通过通用无线分组业务GPRS机无线连接的无线接收装置和无线发送装置构成，所述无线接收装置输入端与所述计算机的串行接口RS‑232相连，接收包括油杆的冲次数据在内的测量数据经无线发送器GPRS系统，所述无线发送装置接收来自所述GPRS系统传输的测量数据后输入所述上位机中，步骤2：计算机初始化，设置以下抽吸参数及计算公式：a)：抽油泵的抽吸理论效率η的计算公式：η＝η₁·η₂·η₃·η₄·η₅，其中η₁：游离气影响时的抽吸效率，估计值，下同，η₂：余隙中气体膨胀减少活塞有效行程时的抽吸效率，η₃：油管及抽油杆弹性伸缩产生冲程损失时的抽吸效率，η₄：溶解气影响时的抽吸效率，η₅：泵筒、凡尔漏失影响时的抽吸效率，设定值，在沉没压力P_h稳定时，P_h＝P₁‑0.00965·(h₁‑L)，P₁，h₁定义见后面，η₁＝1/[1+(1‑f_w)(R‑R_g)·B_g]，其中B_g味沉没压力下的气体体积系数，B_g＝0.000386(ZT/p_h)，Z：气体压缩系数，Pa^‑1，取0.94，T：吸入口温度，K，P_h：沉没压力，MPa，已知值，R：原始油气比，米³/吨，取33，R_g：吸入口压力下溶解油气比，m³/t，R_g＝2.71·(P₁‑(0.00965·(h₁‑L)))，f_w：含水率，η₂＝[S‑S₁(1‑f_w)(R‑R_g)·B_g]/S，其中：S：光杆冲程长度，m，S₁：余隙长度，m，取0.5，η₃＝(S‑λ)/S，其中：λ：为冲程损失长度，$\lambda =\frac{(\mathrm{\rho gL}\times {10}^{-6}-p_h)·L·f_p}{E}{(\frac{1}{f_r}+\frac{1}{f_t})}_m$ρ：液体密度，kg/m³，取980，g：重力加速度，cm/S²，L：下泵深度，m，E：钢材弹性模量，N/cm³，取206000，f_p：抽油泵活塞截面积，cm²,D为泵柱塞直径，已知值，f_r：抽油杆柱按长度加权的平均截面积，cm²，f_t：油管柱金属部分按长度的加权平均截面积，cm²，$\frac{1}{f_r}+\frac{1}{f_t}=0.22,$η₄＝f_w+(1‑f_w)/B₀，其中：B₀：沉没压力下原油体积系数，小数，取值0.998，η₅取0.96，b)：实际抽吸效率η′计算公式：${\eta }^{\prime }=\frac{C·4·{10}^6}{3.14·d^2·S·\gamma ·\mathrm{\Delta W}·60·100}$其中：C：日产液量，吨/日，d:泵径，即抽油泵泵筒的内径，mm，γ：冲次，即每分钟抽油杆往返次数，n/min，ΔW：生产周期内的采样间隔，单位是天数，c)：流压P₁的计算公式：P₁＝P₂+(h₁‑h₂)·980·9.8·10^‑6，P₁：流压，MPa，P₂：套管压力MPa，h₁：油层中深，即油层顶界与底界的中深，m，h₂：动液面高度，m，在所述计算机中还设定上一个生产周期中的下述抽吸参数的极限值最大流压P_1max，最低流压P_wmin，最低含水率f_wmin，最高含水率f_wmax，最低井口温度即最低吸入口温度T_min，最高井口温度即最高吸入口温度T_max，最小下泵深度L_min，最大下泵深度L_max，步骤3：计算机按所述上述生产周期的各抽吸参数实际值绘制本生产周期的抽油机井抽吸参数的初始动态控制图：抽吸参数动态控制图按不同的抽吸效率‑流压曲线把抽油机井动态地制定为处于合理、偏大、偏小、断脱漏失和待落实五种状态，按初始设定的动态控制图中五个对应的包括合理区、偏大区、偏小区、断脱漏失区和待落实区在内的状态区域进行判别和调整，其中：合理区：抽油机井动态控制图中，抽油机供油采油关系协调，抽吸参数匹配合理，符合开采要求的抽油井所处的状态，参数偏大区：所述抽油机井处于供液不足或气体影响，处于流压低、抽吸低的状态，应予以油层改造，参数偏小区：所述抽油机井处于正常或连抽带喷的状态，有调整挖潜的余地，断脱漏失区：所述抽油机井中流压高，抽吸低，处于断脱、漏油状态应克服井下存在的问题后，使其恢复工作，待落实区：所述抽油机井抽吸效率高但流压低，处于非正常运行状态，应查清问题后，进入合理状态，计算机依次按以下步骤绘制本生产周期初始的抽吸参数动态控制图：步骤3.1：给定流压P₁＝0、最大含水率f_wmax，最高井口温度T_max，光杆冲程长度S，泵径d，最大下泵深度L_max和油层中深h₁，同时给定：原石油气比R，沉没压力P_h下气体体积系数B₀，余隙长度S₁，液体ρ，钢材弹性模量E，抽油油泵活塞截面积f_p和计算抽吸参数合理区的抽吸效率下限值，此合理区的抽吸效率下限值，以最小含水率f_wmin，最低井口温度T_min，最小下泵深度L_min以及上述其他参数为条件，获得一个流压值P_n，当流压P₁从最小值到值P_n之间抽吸效率不变，形成条合理区抽吸效率下限曲线A，作为参数偏大区与合理区的分割线，步骤3.2：伴随着流压P₁的上升按最大含水率f_wmax，最高井口温度T_max，光杆冲程长度S，泵径d，最大下泵深度L_max和油层中深h₁以及步骤3.1中同时给定的其他参数值，计算合理值的流压‑抽吸效率上限曲线B，作为参数待落实区与合理区的分割线，越过此线抽油机井状态待落实，步骤3.3：按所述最小含水率f_wmin，最低井口温度T_min，光杆冲程长度S，泵径d，最小下泵深度L_min和油层中深h₁以及步骤3.1中同时给定的其他参数值，再按套管压力P₂和动液面高度h₂计算合理值的流压‑抽吸效率下限曲线C，作为断脱漏失区与合理区的分割线，流压高于此限，抽油机井处于断脱漏失状态，步骤3.4：实际抽吸效率随着闭环控制效果的逐步增加，按所述最大流压P_1max，最小含水率f_wmin，最低井口温度T_min，泵径d，最小下泵深度L_min以及油层中深h₁，计算最低自喷流压界限线D，同时，得到所述最低自喷流压界限线与所述合理区流压‑抽吸效率上限曲线的交点，是一个反映合理区最高抽吸效率的交点，同时得到了所述最低自喷流压界限线与所述合理区流压‑抽吸效率下限曲线的交点，反映了所述最大流压P_1max下的最低抽吸效率，即使流压P₁再增加，抽吸效率不变，形成一条断脱漏失线E，作为断脱漏失区与参数偏小区的分割线，步骤3.5：所述合理区流压‑抽吸效率下限曲线A与所述抽吸效率的下限曲线C的交点形成了一条反映供液能力界限的等流压线F，作为参数偏大区与断脱漏失区的分割线，反映抽吸参数偏大时抽吸效率不超过合理区的抽吸效率下限值，步骤4：系统在本生产周期中依次按一下步骤对游梁式抽油机的冲次进行调节：步骤4.1：计算机采集当前的动液面值，当前冲次值N，光杆冲程长度S，泵径d和当前生产周期W，计算出当前实际的抽吸效率η′，同时按当前套压P₂，油井中深h₁和动液面高度h₂，计算当前流压P₁，同时还要计算抽吸效率的估计值，步骤4.2：判断抽油机井的当前状态：若：位于合理区，则保持现状，若：位于参数偏小区，或断脱漏失区，或待落实区，则报警，若：位于参数偏大区，则按步骤4.3调节抽油机冲次，步骤4.3：按以下步骤使用模糊控制算法求出需要调节抽油机频率的增量，步骤4.3.1：设定论域的模糊子集：负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB，论域范围{‑6,6}，调整步长B，单位为抽油机频率，模糊控制规则表，输入量是估计的抽吸效率与实际抽吸效率的误差e和相隔两个采样间隔Δ‑的变化率ec，模糊规则表的列为误差NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，从左到右排列，模糊规则表的元素增量式V₁，第一行用{6,5,4,3,2,1,0}从上到下，逐行递减1，步骤4.3.2：在按输入的e和ec得到一个递增量值V₁后，计算机向变频器输出一个实际的抽油机频率的增量V₁·B，步骤4.3.3：返回步骤4.3.1直到实际抽吸效率η′和实际流压P₁，回到合理区为止。