叢式井液壓排采系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制建模及控制算法研究

徐 盛，翁惠輝 （長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州434023）

習(xí)近路 （北京迪威爾石油天然氣技術(shù)開發(fā)有限公司，北京100085）

叢式井液壓排采系統(tǒng)是把水基動(dòng)力無桿抽油裝置用于叢式井抽油作業(yè)中。目前水基動(dòng)力無桿抽油裝置在實(shí)際應(yīng)用中是基于 “一站一井”來實(shí)現(xiàn)的。由于其特殊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的電機(jī)和泵是持續(xù)工作的，但電機(jī)只在井下抽油泵上沖程時(shí)做有用功，在井下抽油泵下沖程 （靠自身重力向下運(yùn)行）做無用功，這樣還是會(huì)浪費(fèi)部分能效［1］。所以希望能實(shí)現(xiàn) “一站多井”液壓排采系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，從而最大限度地提高能效。

1 叢式井液壓排采系統(tǒng)工藝原理

“一站多井”液壓排采系統(tǒng)主要由地面液壓站系統(tǒng)、井下泵系統(tǒng)2大部分構(gòu)成，地面動(dòng)力由一臺(tái)地面動(dòng)力站提供，可帶動(dòng)5口井 （以5口井為例）工作，各井均有自己的井下泵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成采水及排水 （見圖1）。

地面液壓站系統(tǒng)作用是驅(qū)動(dòng)井下液力抽油泵液動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抽油過程，主要由增壓泵、換向閥、電磁閥、水箱、齒輪泵、液壓油箱、減壓閥等部分組成。當(dāng)電磁閥開時(shí)，換向閥在液壓油的推動(dòng)作用下處于開狀態(tài)，水箱中的水就經(jīng)過增壓泵進(jìn)入到井下泵中的動(dòng)力管線，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力缸上行，帶動(dòng)抽油泵柱塞上行，抽油泵排出產(chǎn)液；電磁閥斷時(shí)，換向閥也隨之關(guān)閉，在配重桿的作用下，動(dòng)力缸下行，動(dòng)力液經(jīng)動(dòng)力管線回流至地面系統(tǒng)，同時(shí)，帶動(dòng)抽油泵柱塞下行［1-2］。

圖1 叢式井液壓排采系統(tǒng)工藝原理圖

2 系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制原理

系統(tǒng)采用的協(xié)調(diào)控制原理是：錯(cuò)開各井的運(yùn)行狀態(tài)，在一段時(shí)間內(nèi)部分井工作于上沖程，另一部分井工作于下沖程，這樣可以選擇功率較小的電機(jī)，提高系統(tǒng)的效率。以 “一站五井”系統(tǒng)為例，如果能保證在同一時(shí)刻3口井是上沖程，2口井是下沖程，那么只需選擇能夠滿足3口井功率的電機(jī)，就能滿足系統(tǒng)的正常運(yùn)行。但是在實(shí)際生產(chǎn)中5口井的沖次不同，可能會(huì)出現(xiàn)3口以上的井同時(shí)是上沖程的情況，因此系統(tǒng)需要控制各井的運(yùn)行狀態(tài)，避免以上的情況出現(xiàn)。

3 液壓排采系統(tǒng)模型的構(gòu)建

液壓排采系統(tǒng)控制模型如圖2所示。該模型主要依據(jù)單井配產(chǎn)、泵排量、單井實(shí)際產(chǎn)量等工藝參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算配產(chǎn)所需沖次、沖次誤差，然后仿真試驗(yàn)平臺(tái)以此為依據(jù)來確定每口井的驅(qū)動(dòng)控制優(yōu)先級(jí)，結(jié)合每口井實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)確定地面驅(qū)動(dòng)控制換向閥的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)液量的最優(yōu)控制。

圖2 液壓排采系統(tǒng)控制模型

在上面的液壓排采系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制模型中配產(chǎn)Qir（i=1～5）為生產(chǎn)需求的設(shè)定值，泵排量Qio（i=1～5）為井下泵結(jié)構(gòu)確定的設(shè)定值。在運(yùn)行過程中，由給定的配產(chǎn)和泵排量，可以得出配產(chǎn)沖次。在實(shí)際過程中，實(shí)際產(chǎn)量可以通過流量計(jì)來檢測(cè)，但在仿真過程中，可以根據(jù)泵的實(shí)際運(yùn)行情況來進(jìn)行虛擬檢測(cè)其實(shí)際產(chǎn)量，進(jìn)而得到實(shí)際沖次。然后根據(jù)配產(chǎn)沖次和實(shí)際沖次，計(jì)算出沖次誤差Li（i=1～5），由沖次誤差得出優(yōu)先級(jí)Ii（i=1～5），根據(jù)優(yōu)先級(jí)和井下泵的運(yùn)行狀態(tài)，控制換向閥的開關(guān)狀態(tài)Ki（i=1～5）。

4 控制性能評(píng)價(jià)

在 “一站五井”的具體驅(qū)動(dòng)控制方式下，要求同處于上沖程的井口數(shù)N不大于3。因此，N恒等于3為理論上的最優(yōu)控制結(jié)果。為了實(shí)際評(píng)價(jià)控制效果，引入系統(tǒng)總控制效率系數(shù)J作為控制性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，其定義如下：

式中，Qio為第i口井的泵排量；Ji為第i口井的控制效率；J=1為最優(yōu)控制。

5 控制算法

5．1 優(yōu)先級(jí)推理

控制優(yōu)先級(jí)推理依據(jù)是沖次誤差，沖次誤差大者驅(qū)動(dòng)優(yōu)先級(jí)高。而沖次誤差主要依據(jù)沖程剩余運(yùn)行時(shí)間及等待時(shí)間來計(jì)算：

式中，Li為第i口井的沖次誤差；Ti1為第i口井井底等待時(shí)間；ηi1為第i口井等待時(shí)間的權(quán)重系數(shù)；Ti2為第i口井沖程剩余運(yùn)行時(shí)間；ηi2為第i口井剩余運(yùn)行時(shí)間的權(quán)重系數(shù)。

當(dāng)?shù)趇口井停止運(yùn)行時(shí)，Li=0。井口的沖次誤差Li越大，優(yōu)先級(jí)Ii越高（最高為5，最低為1）。如果2口井的沖次誤差Li相等，則默認(rèn)井口號(hào)小的優(yōu)先級(jí)較低。這樣，隨著液壓排采系統(tǒng)的運(yùn)行，5口井的優(yōu)先級(jí)也不斷變化，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)可變。

5．2 換向閥控制

換向閥控制邏輯主要由驅(qū)動(dòng)優(yōu)先級(jí)及井下泵工作狀態(tài)所決定，第i口井工作狀態(tài)Si有以下幾種：Siup為上沖程狀態(tài)，Sidown為下沖程狀態(tài)，Sistop為向上運(yùn)行到頂，Sibottom為向下運(yùn)行到底，Siwait等待狀態(tài)；Ki=1表示第i口井對(duì)應(yīng)的換向閥打開；Ki=0表示第i口井對(duì)應(yīng)的換向閥關(guān)閉；N表示向上運(yùn)行的井口數(shù)；flag＿uptime=1表示上沖程時(shí)間到標(biāo)志位，flag＿downtime=1表示下沖程時(shí)間到標(biāo)志位。換向閥控制算法具體運(yùn)行情況如表1所示，具體換向閥控制流程如圖3所示。

表1 換向閥控制算法運(yùn)行情況

圖3 換向閥控制流程圖

6 仿真控制試驗(yàn)

為驗(yàn)證控制模型的正確性及控制算法的有效性，開發(fā)了仿真試驗(yàn)平臺(tái) （見圖4）。仿真試驗(yàn)平臺(tái)是基于VB6．0而開發(fā)的［3］。試驗(yàn)平臺(tái)可同時(shí)模擬5口叢式井液壓排采系統(tǒng)的工藝流程，井下泵的運(yùn)行過程及驅(qū)動(dòng)控制過程與控制效果。仿真控制試驗(yàn)過程中能實(shí)時(shí)顯示井下泵的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)際泵沖次、上下沖程時(shí)間、等待時(shí)間、模擬產(chǎn)量、控制優(yōu)先級(jí)狀態(tài)、控制閥狀態(tài)、控制效率等主要工藝參數(shù)與控制參數(shù)。

仿真平臺(tái)根據(jù)泵的不同配產(chǎn)和排量，得出了不同的控制總效率，如表2所示。

圖4 仿真試驗(yàn)平臺(tái)界面圖

表2 仿真試驗(yàn)結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)配產(chǎn)與泵排量都相同時(shí)，平均效率可以達(dá)到98%以上；當(dāng)泵排量相同，配產(chǎn)不同時(shí)，平均效率可以達(dá)到95．62%。當(dāng)配產(chǎn)相同，泵排量不同時(shí)，平均效率可以達(dá)到94．96%；仿真控制試驗(yàn)結(jié)果表明，基于沖次誤差的可變優(yōu)先級(jí)控制算法具有良好的控制效果，實(shí)現(xiàn)了在最小地面驅(qū)動(dòng)動(dòng)力配置下，確保每口井的產(chǎn)能要求。

［1］智玉杰，萬仲，孫曉輝 ．水基無桿抽油裝置 ［P］．中國(guó)：CN201225263，2009-04-22．

［2］張琪 ．采油工程原理與設(shè)計(jì) ［M］．東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006：182-202．

［3］沈煒，楊世錫．Visual Basic編程 ［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2006：327-332．