油田產出(注入)井(層)節能增效多參數測控裝置

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(1. 西安榮森電子有限責任公司 陜西 西安 710065；2.陜西省電子信息產品監督檢驗院 陜西 西安 710004)

0 引 言

眾所周知，抽提泵(螺桿泵)是油田廣泛使用的非均衡動力系統。所采用的動力源是三相異步電機或多級電泵，存在效率低，不便調速，上下沖程不可調，功率因數低等弊端。為提高效率，通常通過參照已確定的電機參數，采用改變頻率(電機轉速或傳動比)、電抗穩流、平衡電壓、諧波治理降壓等電機節能方法來對其調節。其中調頻變速為首選，該技術不但能節省電能，而且能使電機零電流起動，能有效的保護動力系統，節電率一般在10%～20%左右，油田已廣泛推薦應用。若能進一步綜合各種參數，優化組合實施方案，油田進一步節能增效的潛力仍然很大。

1 節能增效介紹

1.1 由電機調頻節電能向系統節電能轉變

對抽提井或電泵井來說，他們屬于不同的負載類型，運行于不同的“工況”，對抽油機來說，它屬位(勢)能負載，在整個沖次的某個階段，電機會處于再發電狀態而產生泵生電壓，這部分再生能量必須進行處理，或回饋電網；而潛油電泵屬變負載類型負載，即電機在起動時需較大轉矩，而停止時則負荷很重。這時的電機則處于電(磁)能泄放狀態，軟停止對防止油下沖有明顯的作用，油泵不會被打壞，對設備或電網也不會造成很大沖擊，這部分再生能量反而非常有效。采油是把產出(注入)井(層)作為特殊被控對象加以控制的，因此必須了解油田采注井(產出油井和注入井的統稱)開采過程中表現出的特性。其中最主要的是時變性，由于油礦地質情況的復雜多變，概括起來有以下一些特點：1)系統參數的未知性、時變性、隨機性和分散性；2)系統滯后的未知性和時變性；3)系統嚴重的非線性；4)系統各變量間的關聯性；5)環境干擾的未知性、多樣性和隨機性。這些特性統稱其為“工況”特性，它給機電控制帶來了許多問題，造成其實際產能率普遍偏低，大部分采注井的效能在5%～15%之間。可見如依據具體井的“工況”特性來調頻節約電能，會比傳統的單純電機調頻節約電能效果更好。

1.2 合理的“泵況”和“井況”狀態能有效地降低采油成本和提高采注效益

電泵或抽油機是一種大慣量變化負載，一般采用傳統的工作方式，即在采油工定期尋檢下工作，因而突發故障頻繁，運行成本高。主要原因有：1)工頻啟動電流大，電動機電纜的壓降大，使電動機電纜在啟動過程中的反向電壓較高，電纜絕緣性能降低，每次開機都會影響動力系統的使用壽命。油井一般位于電網末端，油區面積大，配電線纜長，輸電的線纜損失不可忽視，況且每一口油井的參數都不一樣，同一井內的多井層也有水層、氣層和油層之分，故在選配電機或電泵時，都留有足夠的功率裕量。而在正常工作下，普遍存在著電動機負載率較低的情況，“大馬拉小車”現象嚴重，造成電能的巨大浪費。2)功率因數降低，耗電量大，工頻工作時，電潛泵始終工作在額定轉速下，如果井下液量供不應求，容易造成“死井”，損失慘重。3)電動機與泵長期在高壓狀態下運行，有時因油井出沙嚴重，使設備壽命縮短，特別是不能及時解決井下液量供不應求而造成“死井”事故。4)傳統的調節方式是靠更換油嘴來調節產量，這樣不能精確的控制會造成能量的浪費。如能將正常運行的“泵況”和“井況”狀態實時測控，就能有效地降低采油成本和提高采注效益。

1.3 基于三次開采的“工況”模態分析，提高采收率

在原油氣開采過程中，初期采油氣一般依靠地底壓力讓原油自噴而出；此后由于地下壓力減小，不得不向地下注水將油驅出，稱二次采油。在二次采油工藝中，引入調頻節能技術，其基于建立頻率響應函數的負荷測量模型，它要求對實際動力結構井及井層施加一組可控、可觀的注入壓力激勵，同時測取其產出響應參量之一的負荷，通過輸入輸出數據辨識電泵動力學特性，實施調頻節能。當前，中國多數油田處于二次采油晚期，每百噸采出液體中，含水量高達95%，綜合原油采收率只有30%多，60%多的石油仍然留在地下無法采出。于是在實際開采中多數已采用的是三次采油，即采用從地面注入各種驅油介質-各種化學物質、溶劑、熱載體、等物理化學方法等進行生產，其采收率約為50%--70%。這種以開采二次采油階段剩余為目標所采取的各種增加原油產量的措施，包括各種物理及化學驅油措施。其意義更加廣泛，動力結構更加復雜，如還包括單井吞吐、近井地帶處理以及水平井開采技術應用等。該階段必須采用以實驗模態分析技術作為結構動力學反問題研究的主要手段，來控制開采，如聚合物驅油氣技術是隸屬于三次采油階段的“提高采收率”技術中的一種強化采油工藝技術，通常是在水驅開發基礎上的，改善水驅，是向地層注入高粘度的聚合物溶液來大大降低流度比、擴大波及體積、提高驅油效率從而提高采收率的驅油工藝。然而，實施遇到的困難是，研究對象及井層或者無法施加人工激勵;或者人工激勵代價昂貴或有破壞性；或者結構在工作狀態下自身承受的環境激勵不可測控。由此提出了只在響應可測的條件下對結構動力學參數辨識的測控問題，稱為“工況”模態分析。

1.4 采注井合理的“工況”動態模型能有效地降低采油成本和提高采注效益

目前油田各采注井“工況”的參數的獲取是采用定時、定點采集，使用的儀器有電流表、扭矩測試儀、壓力表測試和液面探測儀等，得到的數據主要是人工進行分析，分析的可靠性比較差。而實際上大部分井的一些故障單純憑一種參數很難準確診斷，一些突發故障或事件就更難把握了，這就需要一種適時和智能的方法來診斷，一方面提高故障診斷的符合率，另一方面能及時采取措施，將損失降到最低。如果能將井層和井口的數據同步檢測，即將“泵況”和“井況”數據擬合出“工況”動態模型，并進行自適應跟蹤調整，就更能有效地降低采油成本和提高采注效益。本公司研制的SDL-1井下智能多參數測控裝置就是針對國內外相關節能技術的不足，將反映油井“工況”特征的油或水層溫度、壓力，流量、持水率等“井況”特性和井口的載荷、扭矩、產量以及變頻和回饋保護相關技術的“泵況”結合起來，而開發出高科技環保節能型專用控制裝置。

1.5 測量與保護診斷結合，降低或減少了采注的運營成本

抽提泵(螺桿泵)是油田廣泛使用的采油設備，同其它大負載設備一樣，如果使用不當或產品質量有問題，會出現一些故障。由于“井況”的特殊性，其各種故障的反映特征和診斷方法及處理措施與其它大負載設備不同。如常見的“工況”事故包括油桿斷脫、油管嚴重漏失、泵嚴重漏失、蠟堵、轉子脫離定子、卡泵和各種自然災害影響等，都會造成很大的生產損失，將付出高昂的維修成本。如故障電泵井的修理費用，僅工程費一項就達5萬元之多；維修故障電泵必需提上放下，而價值10萬元的電纜平均提上放下5次就須更換。而正常電泵井平均每10個月就維修1次，維修費用需8萬元。而這些成本完全是可以降低或控制的。如采用預估、濾波和內插方法建立系統學習、自適應以及參數跟蹤和調節功能，實現信息充分綜合利用，挖掘盡可能的節能潛力，讓系統長期可靠平穩經濟運行是完全可能的。

井下智能技術作為一種新型的完井技術，對油田開采提供了一種更方便、更靈活的管理方式，受到人們越來越多的關注，油氣界也日益認識到智能完井技術在優化生產效率和油氣采收率方面的巨大潛力，而智能井系統中的井下多傳感器系統[1]，智能井地面監測和控制系統(包括水力/電力調度)，以及本項目統稱的油田產出(注入)井(層)節能增效多參數測控裝置的系統智能化水平將代表著國內本行業該領域的最新發展趨勢。

2 研究系統裝置

2.1 高效節能多參數測控裝置

高效節能多參數測控裝置(系統)是在原有的技術儲備基礎上研制出低成本高可靠性的“井況”測量傳感器、節能增效井口測控裝置，并在介入了變頻、饋電節能措施后，能更好地實現產能和電能的合理配置。

該系統采用嵌入式機械結構，自適應的軟件測控原理、數據采集同步、網絡遠傳通訊等實用技術，通過對在井下高溫度、高壓力下工作的電潛泵機組的環境參數和自身電參量的在線采集、處理、分析和判斷，實現自適應測量和控制，同時也能實現各種故障下的全線速動，快速切除各種故障模塊或單個電機，并能在瞬時性故障切除后自動恢復工作，保證非故障機組長期安全、穩定、經濟地運行。

同時該系統采用了反映波形畸變程度的短數據窗波形識別算法、正交濾波算法、小矢量提取等算法；因泵況、工況或井況發生異常或故障的瞬間，其物理特性對應的電流、電壓信號包含衰減的直流分量和諧波分量等暫態分量變化，其波形發生不同程度的畸變，嚴重影響快速測控的性能。由于快速測控采用基于短數據窗的算法，為克服波形畸變對測控性能的影響，采用反映波形畸變程度的短數據窗波形識別算法，計算出波形畸變程度，據此修正測控或保護的判據，從而提高其保護性能。

與此同時該系統建立一套強大的綜合性的利用地質資料和測試資料反應油藏開發狀況的分析處理與遠程信息分析發布軟件系統。本系統使得有關的地質人員(油藏工程師)能在桌面上高效率地直接使用各種測試資料和地質資料，并通過這些資料可靠地定量和定性地判斷儲層動用狀況和注水受效評價，直觀地反映井間連通狀況、注采平衡和措施效果等信息。

2.2 裝置的關鍵技術

高效節能多參數測控裝置(系統)由井下多傳感器，井口測控部分和同軸信號傳輸電纜構成。井口測控裝置的核心部件采用TMS320F2812數字信號處理器。利用其先進的內部和外設結構使得該處理器特別適合各電器參量的測量、電機及其運動狀態的控制。井下多傳感器實現了單片控制器系統(SOC)與AD采集模塊的組合；軟件采用自適應測控技術，將測量裝置的多傳感器(主要完成流量、壓力、溫度、含水、密度等信號的采集、處理和編碼)系統和井口測控裝置合二為一，融合測控電力調頻。各流水線參量變換時間最小60 ns，單位變換200 ns；井口裝置改進的eCAN2.0B接口模塊可以完成系統的遠程通訊。該系統的關鍵技術特點如下：

1)采用分布式井口就地低壓無功補償技術，在用電設備最近點進行無功功率補償和諧波濾除，有效降低上級電網的補償壓力，同時進一步降低傳輸損耗。該方法通過提高功率因數、改善電壓質量、降低線路輸送電流、降低線路損耗電量、消除電網諧波，從而實現節能降耗。

2)針對泵況，變頻調速。根據電機轉速公式：n=60f(1-s)/p可知，電機轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0～50 Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬，變頻調速就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的。主要是采用變頻調速控制后，控制系統可根據系統“泵況”負荷變化及時改變輸入電機的電流和電壓，降低電機輸入功率，調整電機的轉速，使電機處于經濟負荷下運行，達到節電目的。

3)基于實際開采中已采用的三次采油措施，其節能增效意義更加廣泛，動力結構更加復雜，如還包括單井吞吐、近井地帶處理以及水平井開采技術應用等，采用以實驗模態分析技術作為結構動力學反問題研究的方法來控制開采，由此提出了只在響應可測的條件下對結構動力學參數辨識的測控問題，以實際工作狀況實測響應參數來真實地辨識反映采/注井結構本身的固有特征、邊界條件及環境載荷特性，與主動控制、系統監測和設備保護診斷等調頻節能工程應用直接相關，建立模型。

4)以循環注水流量所消耗電能和其變化率這兩個簡單、直觀常用的參數為依據，及時采集、分析和調節，解決了原油(氣)產能在諸如注水流量低時影響產液量，注水流量高時又重復浪費資源的矛盾，使產能，產液及電能消耗能合理配置，節約資源。

5)產品的動態動力模型數據來自于采注井井下的“井況”和井口的“泵況”信息，而“井況”和“泵況”的信息卻來自于井下多傳感器和井口測控裝置的數據技術融合，能夠實時反應“泵況”系統激勵與“井況”的產能關系，且有效確保“工況”特性配匹，共建一個手動或自動的智能井系統，根據專家指令完成測控工作，確保更大、更有效的產能精準控制，是本項目節能變為現實的技術基礎。

3 研制系統裝置

3.1 系統井口裝置的實現方案及技術指標

系統井口裝置按工業級標準設計，機箱采用標準6U型、后插拔、大面板、全封閉鋁合金結構機箱，可以獨立或組合配柜安置在井口附近運行，見圖1。采/注井節能增效系統的井口測控裝置(100)，它由四插件和前后兩面板構成。其中有：檢測與驅動插件(140)，它主要完成井下信號的編解碼，并撥離出各傳感器的參數大小，同時也完成井口IGBT檢測與電力的驅動輸出等；DSP插件(130)，它主要完成將輸出井和(或)注入井口及井層系的多參數“井況”信息和“泵況”測控信息融合在一起，使“泵況”和“井況”經時空同步后顯現在同一平臺的液晶和(或)后臺集控站，特別是采用嵌入式軟件，利用多傳感器融合技術使“泵況”，“井況”與“工況”合并增產節能，自適應跟蹤控制動力，實現油氣單井和(或)局部采/注井的高效節能、經濟運行。電力插件(120)是系統的電源系統，它負責井口和井下各功能模塊的電源供給；采集插件(110)，完成井口產出或注入介質流量、壓力、溫度等多傳感器信號采集，同時也完成對電壓、電流、載荷、扭矩轉速等“泵況”信號采集。以上四插件對外有測控接口，根據DSP指令可以完成各種測控任務。其中，人機接口面板(MMI)可以和車載或中央處理機完成有(無)線通訊、光釬或電纜接入，實現遠程連接并協同油田網絡工作。

通過上述的工藝設計，使井口測控裝置(100)具有防振，防塵、防潮、防有害氣體、防電磁干擾等安全措施，各插件設計完全標準化、模塊化，生產、調試、維護十分方便；用戶可以根據配置不同，可續加配置1個或多個DSP插件；軟件編程采用模塊化，組態靈活方便，使用范圍廣泛，現成調用便捷；內部端子采用德國HT接插件；對外交流電流端子采用帶短路環的插接端子，光纖接口采用FC連接方式，其它端子均采用菲尼克斯端子。

系統的硬件主要指標：采用DSP技術構建硬件平臺，實現數據的快速采集和處理。模擬量：16路高速同步采樣400點/周波，數據采樣速率不低于320 kHz；采樣精度為16位，模擬量輸入范圍為±5V，采樣精度±4LSB；存儲器：在DSP中配置，外部RAM：256K×32b，外部FLASH：256K×16b；開入量采集：由DSP經三級電壓變換完成，以提高分辨率，帶有16路光電隔離，帶有瞬態干擾抑制保護輸入通道；各環節采用防高電壓、強電磁干擾的硬件措施如光電隔離的隔離電壓不小于2 500 V；驅動口：16路，24 V輸出，帶光電隔離，隔離電壓不小于2 500 V，分辨率不大于1 ms，且出口控制采用硬件軟件相結合，做到硬件故障時能可靠閉鎖出口，如上電手動復位，上電閉鎖所有出口等；為提高可靠性，在軟件看門狗充分利用地基礎上設計硬件看門狗電路，其周期可調整(不大于10 ms)，在程序出錯時，保證10 ms內自動復歸運行。

系統的裝置硬件設計完全標準化、模塊化，生產、調試、維護一方便為準。內嵌軟件編程模塊化，組態靈活方便。特別采用新型的自適應融合算法，快速地提取電力系統運行的特征量，確保軟件能在20 ms內響應并驅動。軟件設有自檢功能，在DSP硬件平臺上就可以完成節能效果評估和算法驗證。

系統的技術指標：

容量范圍：10～500 KVA;

電壓等級：200～1 000 V;

輸出頻率調節范圍:5～100 Hz;

輸入電流諧波含量:<4%;

輸出電壓諧波含量:<2%;

輸出電壓dV/dt:<600V/us;

輸出頻率準確度:±0.05 Hz;

輸出頻率分辨率:0.01 Hz;

輸出電壓準確度:±0.5%;

變頻器滿載效率:>98.5%;

整體滿載效率:>96.5%;

過載能力:額定電流的1.25倍，60 s;

單元溫升:<40 ℃;

變壓器溫升:<90 ℃;

輸入功率因素:>0.95;

環境溫度:-5～+45 ℃。

3.2 實現低成本高可靠多傳感器裝置及推廣應用

以經濟可靠為原則，從電器工藝結構入手，將井下多傳感器與電子線路整合成一體。獨創嵌套結構，將敏感元件與電子線路經過優化設計，使敏感元件與介質充分接觸，電子器件內置夾層，對外部件呈“中空管件”，安裝配套完成后，與油管或套管自成一體。在SDL-1井下智能多參數測控裝置[2]基礎上實現節能增效的新裝置，將連續流量、壓力、溫度、密度、含水等參數的在線監測傳感器進行集成，實現可集成度高成本低的適合井下工作的傳感器裝置。通過多傳感器系統能精確實時監控泵工作中的各種工作參數，將泵況、井況及工況進行有機地組合，以增加產量，降低成本；通過提高使用多傳感器系統的可靠性，也可以降低修井的次數和停產的時間，減少泵的更換次數，減小泵桿和油管的磨損和能量的消耗，以提高井的生產效率，降低運營維修成本。

隨著應用范圍的推廣，檢測對象的復雜多樣性以及其它要素的影響，原產品的推廣應用受到了很大的限制，特別是早期主要安裝在抽油機、電潛泵、注水泵等泵井上，現經過對該項目的進一步的研究開發，應用更加廣泛，主要用于智能井、地面或井下管線連續流量、壓力、溫度、密度、含水等參數的在線監測，尤其在石油開采環節中的優化、井下監測、油水分離，噴射泵/灌注泵的生產監測、泥漿和砂的注入監控、注CO2、甲烷的監控。也可以為地質工程師進行生產優化、汽除水、砂控制、多井監測、水平井、高油/氣比率井和小井距井的監測提供時實決策數據。

3.3 系統軟件

在公司自主開發的智能多參數標檢軟件基礎上實現節能增效的升級版本，該軟件具有以下特點：

精準控制：本軟件容易實現綜合各種測試資料及有關地質資料，通過取長補短，互相補充，互相印證，最后熔合為一體，實現全面整體的油藏地質動態描述的目的。能大大地提高測試資料的信息利用率，使得油藏動態分析人員準確和及時地認識油藏動態。

動態輸送：本軟件具有強大的遠程圖表、數據、信息發布功能。采用高檔微機為人機交互前端，完成數據獲取、數據組織管理、模型選擇、參數選擇、圖形方式及參數選擇、統計分析處理、結果顯示和輸出、結果發布，根據計算量的大小采取本機處理或由服務器或工作站進行計算。有關計算、統計、分析結果的各種圖形及表格數據，以及原始測試曲線、解釋成果圖表，通過企業網以WWW或B/S方式進行發布，使有關部門隨時可以查閱。利用JDBC數據庫接口技術，應用Java在FrontPage中嵌入代碼編程設計發布信息的主頁，并能實現交互式、圖形式(而非圖象式)的用戶界面，同時保證大量數據在網上的高速傳送系統的高效。

本系統總體結構設計為多層B/S結構：即根據目前實際的網絡和單機環境，在Windows NT Server4.0中文版以上版本的網絡操作系統環境，微機操作系統為Windows2000中文版；為了兼顧現狀、考慮發展及推廣，本系統以標準格式的Oracle庫為基礎。采用高檔微機為人機交互前端，完成動、靜態數據獲取、數據組織管理、區塊動態參數計算、圖形表現、統計分析處理、結果顯示和輸出、結果發布等功能。

廣播數據資料：發布油田開發過程中的測試資料(試井資料、吸水剖面測試資料和出油剖面測試資料)的各種圖形及表格數據，以及原始測試曲線、解釋成果圖表，通過企業網以WWW或B/S方式進行發布，使領導和有關部門隨時查閱生產數據、提高工作效率，保證資料的一致性和準確性，迅速、準確地掌握第一手材料，并能充分利用數據庫集成的優勢，隨時根據需要找出諸如含水變化過大、產量降低的區塊、井組和單井，分析用的參考數據、圖形等配合使用，便于分析，減少在查找相應資料所花的時間和精力。分析包括：1)區塊動態分析；2)井組動態分析；3)單井動態分析；4)層位動態分析。

4 產品實現及技術模型

本產品的結構框圖見圖1：采/注井節能增效系統框圖[3]。

圖1 油田輸出和(或)注入井循環能效系統

其組成包括：井口測控裝置(100)、單芯同軸電纜信道(200)和井下多傳感器測控(300)三部分。其中，井口測控部分(100)是本次立項的核心內容，主要負責完成“泵況”及井口測控和系統組織管理節能增效工作。信道部分(200)和井下測控部分由智能井多參數測控傳感器系統(300)配套，這部分產品已由公司自主開發完成，在油田已有成熟可靠地產品供應。如已獲專利和科技進步獎的SDL-1型智能井多參數監測裝置[4]，它負責準確可靠地提供當前井及井層系的“井況”信息，辯識測控參數大小，如流量、壓力、溫度、各相濃度及密度等，信號和供電由信道(200)同軸電纜完成。

4.1 將傳統的調頻節能技術和采注井降耗增效技術融合

依循我國大部分油田的二次開采方案，依據黑油油藏的最優化處理BOAST方法，將基本的壓力流動方程的相關參數融合判斷，如壓力，微壓差，流量，持水[5](氣)率也稱濃度、密度等參量作為采注井節能增耗的判據之一與電力能效結合，實現產能與電能耗的統一，既治標又治本。

4.2 實現“泵況、井況、工況”三況合一，柔性控制

自適應控制與常規反饋控制及最優控制一樣,也是一種基于物理和數學模型約束的控制方法，所不同的是自適應控制所依據的關于模型和擾動的經驗參量比較少，需要在系統的運行過程中去不斷提取有關模型的信息，使模型逐漸完善。本項目產品依據精準控制的技術基礎，采用自適應“井況”和“泵況”的動態優化控制技術來適應“工況”系統的實時瞬變特性。具體地說，裝置可以依據井口裝置獲得的“泵況”和“井況”的傳感輸入和執行器輸出數據，不斷地辨識“工況”模型的參數。隨著采注過程的不斷進行，裝置不停地在線辨識，結果“工況”模型會變得越來越準確，越來越接近于實際獲得的專家指令。該控制技術根據單口井或層的歷史產能(單位消耗的出油率或注水量)參數構建出最大熵約上束條件下的動態優化控制結構和快速自適應優化算法，實時改變“工況”效能、特性或定值，使得采注系統處于最佳運行狀態、更充分地發揮其調頻節電性能，用更多判據來提高采注系統的選擇性、速動性、可靠性和靈敏性。

如圖2，各采油井的產能系統一般可以分成產出、用電、轉儲三個部分。產出部分一般由產出井及其多級采注層組成，各層特性是間歇脈動的；轉儲部分由多個串并聯的油、氣、水儲罐組成，其中油、氣是產出部分，水是循環轉儲的介質，特性穩定均衡，它可以作為系統的緩沖調節，重復使用；用電部分是指產油、注水等動力系統，主要消耗電能,假設設備用電特性是穩定的；根據產能平衡原理，可以建立產能，消耗、轉儲三者關系的電能物理模型。其數學模型如下：

P(t)=η1Pe(t)+η2dPf(t)/dt

(1)

式(1)中，P(t)為某井單位日采噸油(立方氣)消耗總電量，kW/d；Pe(t)為某井單位日采噸油(立方氣)產量的電力消耗，kW/d；Pf(t)為某井采用節能后單位日采注水循環噸水而消耗的電能，kW/d；η1為每度電的單位日產能系數，其含義是每單位日噸油(立方氣)消耗所需的電能,或折算出能夠產出的原油(氣)的產量，單位t(m3)/d，主要與電力節能的“泵況”有關；η2為每度電的單位日采注水的耗能系數，其含義是每單位日噸轉注儲水罐里水所消耗的電能，或折算出轉注儲水罐水后節省的電能(指外援水所需的消耗電能)所能再產出的原油(氣)的產量，大小與流體的流量、流體成分持率(濃度)等“井況”和儲罐的容積有關。對式(1)積分后有：

(2)

其中，式(1)表示該系統的瞬時關系，式(2)表示該系統的節能累積效果關系。

圖2 產能系統示意圖

本數學模型的主要用途就是依據工藝要求，合理地控制泵況和井況，結合水轉儲消耗電能的變化趨勢預報產油(氣)的供應“工況”是處于過剩狀態還是不足狀態，為產出平衡系統的調度指揮提供參考，讓采注系統“三況合一”，滿足間歇脈動的瞬變特性，既可以減少多產出水造成的資源浪費，又可以避免因為產液量過低給生產帶來的影響，實現實實在在的節能。

4.3 實現經濟可靠的硬件平臺

對井下多傳感器檢測而言，本系統必需經濟可靠，才能在生產中得到廣泛使用。從電器工藝結構入手，將井下多傳感器與電子線路及軟件整合成一體。獨創嵌套結構，將敏感元件與電子線路經過優化設計，使敏感元件與介質充分接觸。電子器件內置夾層，對外部件呈“中空管件”，系統安裝完成后，與油管或套管自成一體，流體介質從中間流動，既降低對流態的影響，又能提高其檢測的可靠性。

井口地面裝置采用6U后插拔、大面板結構，裝置內由交流低通濾波、數字處理芯片DSP(含編解碼器)、執行器(繼電器)、光電隔離出入口信號接口、液晶及鍵盤、電源、通訊光纖接口等組件構成。該創新結構把井下和井口不同的信號參數和異類環境變量綜合在同一平臺，使系統更具協調性和交叉滲透特性，滿足了復雜動力工程節電增產的現實需求，并從其內在關聯參量中挖掘節能潛力，保障設備經濟平穩可靠運行，產品結構對比見表1。

表1 本項目產品與現有相關產品的結構對比

4.4 采用測量保護診斷結合，控制系統可靠經濟運行

基于自適應測控保護原理和故障類型的故障量提取算法，采用模糊信息的預測跟蹤技術，軟件依據電流法、扭矩法和憋壓法的基本原理，以日常業務處理系統的數據為基礎，利用數學的或智能的方法，對業務數據進行綜合、分析，確定“工況”現狀，為現場工程師或管理人員提供決策幫助或送給集控中心進行數據分析與管理，以此控制系統可靠經濟運行。

5 關鍵技術指標

5.1 裝置關鍵技術及技術指標

通過本項目的實施，將解決以下關鍵技術問題：

1)變基準疊加技術的五電平無諧波開關網絡拓撲電路；

2)矢量控制與直接轉矩控制相結合感應電動機變頻調壓的綜合方法；

3)采用特殊的開關拓撲結構電路及矢量控制與轉矩控制綜合優化的控制方法，解決了傳統大電機軟啟動所存在的問題；

4)基于IGBT開關控制以調整無功功率分布進而調整功率因數。

項目完成樣機時，通過國家計量認可的檢測中心的型式試驗、環境試驗，其主要技術指標擬達到：效能指標：20%～35%。

5.2 主要技術指標

5.2.1 泵況

電流測量范圍：0～60 A，精度：2.5級；電壓測量范圍：0～500 V，精度：2.5級；功率：10～500 kW；效率：95%。

5.2.2 井況

扭矩測量范圍：10～1 000 N.m，精度：1%；載荷測量范圍：10 N～100 K，測量精度：1.5%；轉速測量范圍：0～5 000/min 轉速測量精度：1%；流量測量：10～300 m3/d，瞬時流量1.0級，累積流量1級；壓力測量：0～60 MPa，精度：0.5級(溫補可達0.2級)；溫度測量：-50～125 ℃，精度：±2 ℃；含 水 率：5%～95%，精度：2.0級。

6 結 語

本系統通過采用系統智能調頻技術，優化了油田采油泵和注水泵的工作效率與油井工作狀況的關系，達到節能增效的目的，通過采集輸出井(或注入井)井口及井層的多參數“井況”信息和采油泵等多參數動力“泵況”信息，用裝置的專用軟件，分析和判斷這些采集到的信息，進行智能綜合判斷，確定出該井(站)的“工況”模型， 將傳統的調頻節能技術和采注井降耗增效技術融合，實現“泵況、井況、工況”三況合一柔性控制，并利用經濟可靠的硬件平臺，采用測量保護診斷結合，控制系統可靠經濟運行，這樣既提高了節能率，節能率可達25%以上，也增加了原油的產能，使油田單位產能在原來的基礎上得以提高。