基于仿人智能的油田地層注水系統控制策略探討

楊張利

(重慶電子工程職業學院， 重慶 401331)

注水驅油是維持油田長期高產、穩產的有效方法。油田地面注水就是在采油活動中借助注入一些驅替介質使油層產生一定壓力，即補充地層能量保持油層壓力以利開采。作為驅替介質的水，易于獲得，且與石油不兼容，密度大于油的密度，能直接將底層的原油驅替到生產井內，即利用水可使原油移動到適合開采的地方以提高開采效率[1-4]。基于我國貧油田較多，目前國內以水驅油方式開采的原油產量保持在總產量的80%以上，因此在油田開發全周期的不同階段都采用注水方式以水驅油，綜合注采率和經濟效益相對較高。油田地面注水系統是一個復雜的系統工程，注水井口與注水泵站均可與注水管網相聯結，形成“網狀”的結構，基于注水管網與注水工藝的優化，可對注水系統進行節能改造和優化控制[5-7]。由于歷史和技術等原因，注水系統效率不高，常處于“大馬拉小車”狀態運行，造成電能的極大浪費。此外，控制手段落后，有的注水壓力甚至采用水泵出口閘門手動控制，水泵與電機特性不匹配，很難在最佳工況點運行[5-10]。為此，結合工程實踐，本文對油田注水節能控制系統的控制策略進行探討。

1 控制目標與系統結構

1.1 控制目標

油田地層注水系統要解決的問題：一是盡可能最大限度地節能，二是維持注水壓力的恒壓控制。因此，系統控制的目標可簡單概括為：在滿足注水工藝要求的前提下，維持油田地層注水系統的注水壓力恒定并最大限度地節約電能。

1.2 系統結構

滿足注水系統控制目標的控制系統結構框如圖1所示。

圖1 油田注水控制系統結構

圖1中：r、y分別為控制系統的輸入和輸出；P為控制器輸出；e=y-r，表示系統誤差。傳動裝置采用變頻器直接驅動電動機運行，以改變水流量并維持水壓恒定。變頻器用于調節電動機轉速以有效地降低系統的電能損耗。圖1注水系統的控制結構有如下特點：

① 電動機可通過變頻器或軟起動從0～50 Hz作緩慢的加速起動，以減少電動機直接起動(避免起動電流大導致對電網的沖擊和機泵因突然高速起動帶來的負面效應)，因此該系統結構有利于電動機實現系統的軟起動和自由停車。

② 便于實現電動機功率與實際負荷相匹配，改善電動機的電源質量，提高系統的功率因數，確保注水系統的節能運行。

③ 機泵的平穩運行可消除泵的喘振現象，確保機泵運行始終處于期望的最佳工況狀態。

④ 便于實現注水系統壓力的自動跟蹤控制，增強系統的穩定性和可靠性，確保被調節量可實現更平穩的調節。

⑤ 控制器選擇靈活性大，有利于控制策略與系統控制論特性匹配的實現。

2 控制論特性、控制策略與控制算法

2.1 注水過程的控制論特性

被注水地層的地質結構復雜，與之相應的水路管網結構也較為復雜，涉及眾多不確定性因素，人們對其了解程度近似一個黑箱。但從控制論特性分析可知，注水過程表現出以下特性[11]：注水過程中受眾多不確定性因素影響，系統參數具有隨機性、未知性和時變性；注水系統具有時滯特性，時滯因不確定性因素所致，同樣具有未知性和時變性；注水系統是慣性系統和復雜系統，變量眾多，其變量間存在著復雜的關聯性；野外油田環境存在干擾的不確定性、隨機性、多樣性和未知性。特別在后期開發中，地質情況變化較大，注水井增多，必然會發生水路管網結構和開并井數的增減變化以及洗井與供水不足，造成注水量難以達到均勻和穩定，導致經常引起注水壓力波動。上述特性表明，油田注水過程中充滿了不確定性和復雜性，采用傳統方法難于建立數學模型，基于范式控制的傳統控制策略與控制算法(如PID、最優控制、自適應控制算法等)是無濟于事與無能為力的，采用傳統控制策略難以對注水過程實施有效的優化控制，因此有必要尋求與注水過程控制論特性相匹配的新控制策略與控制算法。

2.2 控制策略選取

地層注水系統的控制目標是在滿足注水工藝的前提下最大限度地節約電能并維持對地層的恒壓注水。顯然，最大限度地節約電能屬于成本控制問題，涉及直接驅動級的執行策略選?。痪S持對地層的恒壓注水屬于對注水過程的控制策略，該過程是一個信息處理過程，其信息處理過程本身幾乎不消耗能量，卻是實現節能恒壓注水的關鍵所在[12-13]。

2.2.1控制策略

綜上，基于數學描述的范式傳統控制策略是不可取的，因此只能選取智能控制策略?？晒┻x擇的控制策略有神經網絡控制、模糊控制等，無需建立數學模型就可實施控制，但均有其應用范圍，須針對特定范圍和領域才能充分發揮其控制優勢，并非萬能。比如，神經網絡或模糊神經網絡控制由于不確定性造成學習樣本難以提供，導致不可能進行網絡連接權值訓練，因此難以應用。又如，由于不確定性，模糊控制及其變形策略因隸屬度函數無法確定造成控制規則無法確定，最終導致其不可能用于實施控制[14-15]。其中值得關注的是仿人智能控制HSIC(human simulated intelligent controller)策略[16],因其更貼近現實工程實踐顯得特別可取。該策略總結人的控制經驗，模仿人的控制行為，只要注水過程偏離期望注水狀態就可以產生式規則描述注水過程的運動狀態，借助直覺推理，模仿控制專家的控制行為，構造出與注水過程控制匹配的控制算法，從而協調注水過程中快速性與平滑性、魯棒性與精確性等控制品質指標。鑒于該策略可方便地將現場操作者及控制專家的控制技巧、控制經驗與控制智慧巧妙地嵌入到控制算法中，因此本文在注水過程中采用基于仿人智能的融合控制策略。

2.2.2控制執行策略

電機轉速公式為：

n=60·f·(1-s)/p

式中：p為電動機的極對數；f為供電電源頻率；s是轉差率；n是電動機的實際轉速。由電機轉速公式可見，n∝f，即改變f可平滑地調節電動機的實際轉速n。地層注水系統的水泵屬平方轉矩負載，其電動機軸功率P、地層注水流量Q、地層注水壓力H與電動機轉速n之間具有如下關系：P∝n3，Q∝n,H∝n2,也就是說電動機軸功率與轉速立方成正比，地層注水流量與轉速成正比，地層注水壓力與轉速平方成正比。因此，改變電動機轉速n就可實現恒壓供水對注水流量的控制。變頻調速不僅節能效果明顯而且調節方便，設電動機額定轉速為nN,額定功率為PN，若實際輸出功率為P時的實際轉速為n，那么采用功率表示的節能效果可以表示為

(1)

式中：如取n/nN=2/3,則ΔP=0.67PN,也就是說在理想情況下，其節能控制效果可達67%，可見節能效果相當顯著。

2.3 控制算法

(2)

上述算法中，KP為比例系數，k為抑制系數，P為控制器輸出，em, j表示系統誤差最大值的第j次峰值。

基于上述HSIC基本控制算法，結合現場實踐，將控制專家與操作者的控制知識、控制技巧、控制經驗與控制智慧巧妙地嵌入到控制算法中[17]，對不確定性注水過程采用基于仿人智能的融合控制策略，其控制規則概括于表1。該控制規則完整地描述了注水過程狀態在信息空間中的運動軌跡，既反映了過程的所有動態信息，又反映了控制作用對過程的影響。表1中，KP為比例增益；K1為增益放大系數，K1> 1；K2為抑制系數，0M2；em,n為e的第n個極值。

表1 控制規則

序號如果條件成立則輸出等于模式名稱1︱en︱>M1FFH 或00H開關2當en·Δen>0或Δen=0, en≠0且︱en︱>M2︱en︱0, en=0P0(n)=P0(n-1保持14當en·Δen<0Δen·Δen-1<0且︱en︱≥M2︱en︱

3 實驗仿真及結果分析

3.1 實驗仿真

針對注水過程的控制論特性(如過程參數的不確定性，過程變量間的關聯性、未知性以及時變性等)，由于其難以數學建模，因此實驗仿真中只能采用等效的方法假定數學模型，以改變模型控制參數的方法模擬注水過程控制論特性的變化，從而考察控制策略的優劣。其中，最好的方法就是考察控制算法的魯棒性，如果控制算法魯棒性很強，那么這種控制策略無疑是可取的，因為當注水過程參數發生變化時其控制效果并不受參數變化的影響，仍然可以獲得良好的控制品質。針對注水過程兼具慣性、時滯等特性，可將其近似為一個1階慣性環節加純時滯的模型，為此，將注水過程數學模型假設為

W(S)=Ke-τs/ (Ts+1)

模型中：T為過程的時間常數；τ為純滯后時間；K為增益系數。

實驗仿真基于Matlab環境，利用Simulink工具箱搭建系統仿真模型，在單位階躍輸入信號作用下，分別采用PID和HSIC算法控制同一被控過程，然后考察注水過程的單位階躍響應,以此判定HSIC算法是否具有很強的魯棒性。為了方便實驗仿真結果對比，本文給出了過程參數改變時不同算法控制的單位階躍響應對比曲線。當K=1，τ= 2和T=1.2時，實驗仿真對比曲線如圖2所示；當K=2，τ=2和T=1.2時，實驗仿真對比曲線如圖3所示； 當K=1，τ= 4和T=1.2時，實驗仿真對比曲線如圖4所示；當K=10，τ= 2和T=1.2時，實驗仿真對比曲線如圖5所示；當傳遞函數由W(S)=Ke-τs/(Ts+1)變成W(S)=Ke-τs/(Ts+1)( 2s+1)時，實驗仿真對比曲線如圖6所示。

圖2 過程響應比較

圖3 T改變的響應比較

圖4 τ改變的響應比較

圖5 K改變的響應比較

圖6 二階過程的響應比較

從圖2可以看出，在上升時間與調整時間方面， HSIC控制快于PID控制，HSIC控制策略有更好的控制品質。圖3顯示，T改變時，HSIC控制響應幾乎沒有變化，但PID控制產生較大的超調。從圖4可以看出，τ改變時，HSIC控制僅在響應時間上向后推遲了2 s，其響應幾乎沒有發生變化，但PID控制產生了大幅度的超調。圖5顯示，HSIC控制仍保持無超調且控制響應平穩，幾乎沒有發生變化，但PID控制不僅有嚴重的超調量產生，而且還產生震蕩。從圖6可以看出，在原傳遞函數基礎上增加一個慣性環節1/(2s+1)，即由1階過程變為2階過程時，HSIC控制無超調量出現，控制效果平穩，其響應曲線幾乎沒有發生變化，但PID控制產生了嚴重超調。

3.2 仿真實驗的結果分析

上述魯棒性實驗表明：與PID控制相比，基于HSIC的控制具有很強的魯棒性，當過程參數變化甚至由1階過程變為2階過程時，HSIC控制的響應幾乎沒有發生變化，都能獲得良好的控制品質，取得了令人滿意的控制效果。因此，對注水過程控制而言，HSIC控制策略是合理、可行和可取的。

4 結束語

油田開發是一個復雜的系統工程，現場工作環境復雜，而油田地層注水本身就是一個具有不確定性的復雜系統。為了在滿足注水工藝要求的前提下，實現維持油田地層注水系統的注水壓力恒定并最大限度地節約電能的控制目標，研究與地層注水過程控制論特性相匹配的控制策略十分重要。文中基于仿人智能的實驗仿真結果表明，采用智能融合控制策略對注水過程實施控制是可行的。