射流泵智能采油控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

梁新玉，張乃祿，姚景超，王文濤，孟智彬

1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院（陜西 西安 710065）

2.陜西省油氣井測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（陜西 西安 710065）

3.西安海聯(lián)石化科技有限公司（陜西 西安 710065）

0 引言

油井動液面高度會影響到油井底部的流動壓力及沉沒度，進(jìn)而影響到采油效率[1]。由于稠油、凝油和疏松砂巖油井低滲透、含砂量大及供液能力不強(qiáng)，采用傳統(tǒng)的防砂開采方式會導(dǎo)致油井產(chǎn)量降低、也會頻繁出現(xiàn)油井桿、管、泵磨蝕嚴(yán)重等情況，進(jìn)而增加原油開采成本，嚴(yán)重影響油井的產(chǎn)量[2]。目前射流泵排砂采油井多為開環(huán)控制，隨著嵌入式技術(shù)的不斷進(jìn)步和自動化水平的不斷提高，油田發(fā)展進(jìn)入到數(shù)字化、智慧化發(fā)展階段，建立智能化生產(chǎn)方式也是石油企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

基于動液面與套管壓力監(jiān)測技術(shù)，提出對同心雙管射流泵井建立雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。利用動液面及套管壓力監(jiān)測儀，實(shí)時測量油井的動液面和套管壓力，結(jié)合實(shí)際情況分析和研究，針對動液面采用模糊控制策略，針對套管壓力采用位控制策略。控制器根據(jù)動液面高度調(diào)節(jié)變頻器的同時根據(jù)套管壓力調(diào)解電磁閥，采用同心雙管射流泵采油工藝，為稠油開采提供一種新的開采方法，有效解決了油井出砂比較嚴(yán)重的問題，同時能夠確保射流泵始終處于最佳的采油狀態(tài)，對提高射流泵排砂采油效率具有重要意義。

1 射流泵智能采油控制原理

在原油開采過程前，通過分析井況及地層滲透能力等綜合因素可以確定油井的最佳沉沒度范圍，只需控制油井動液面的高度，保證油井的沉沒度始終在合理范圍內(nèi)，即可確保在采油過程中射流泵始終在最佳效率下工作，最大程度地提高采油效率[3]。油井產(chǎn)液量計算公式為：

式中:Q為產(chǎn)液量，m3/d；K為產(chǎn)液指數(shù)；Hs為靜液面高度，m；Hf為動液面高度，m。

由式（1）可知，油井動液面高度的變化會影響到產(chǎn)液量，過低會導(dǎo)致產(chǎn)液量減少，但動液面過高又會影響到底層的滲透能力。射流泵智能采油控制系統(tǒng)主要通過控制柱塞泵的變頻器來間接調(diào)節(jié)射流泵的動力液注入量。當(dāng)動液面值減小時，通過調(diào)節(jié)變頻器來減小柱塞泵的工作頻率，即可維持油井動液面在合理的原油開采沉沒度范圍內(nèi)，確保射流泵處于最佳的采油狀態(tài)。

在正常油井生產(chǎn)過程中，井內(nèi)的伴生氣會在油井套管內(nèi)形成高套管壓力，當(dāng)沉沒度超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時，造成滲透率和地層壓力的下降，在薄差及滲透能力低的油層中會出現(xiàn)不出液的情況，同時會改變合理沉沒度，間接影響了產(chǎn)液量[4-5]。套管壓力關(guān)系式：

式中:Pc為油井套管壓力，MPa；Pwf為油井底層流動壓力，MPa；Pog為泵入口壓力，MPa，Pog=ρgh；Pogw為泵入口至油層中部的液柱壓力，MPa。

通常情況，Pogw不會因套管壓力的變化而變化，設(shè)Pwf不變，從式（2）可看出，套管壓力的增大會使得動液面的值減小。因此，當(dāng)套管壓力達(dá)到一定值時，及時進(jìn)行放氣降低套管壓力，有利于油井動液面的穩(wěn)定，最大可能減少高套管壓力對采油效率的影響。

綜上分析，采用閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，通過對動液面與套管壓力的雙回路閉環(huán)控制，盡可能地確保最佳的采油效率。控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理

2 射流泵智能采油控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 射流泵智能采油控制系統(tǒng)硬件組成

基于動液面與套管壓力的射流泵智能采油控制系統(tǒng)硬件部分主要有測量單元、控制單元、執(zhí)行單元構(gòu)成。測量單元為動液面及套管壓力監(jiān)測儀，實(shí)時動態(tài)的測量油井的動液面和套管壓力，并將測量的數(shù)據(jù)通過RS485實(shí)時傳送到控制器。該系統(tǒng)的控制單元為智能控制器，以STM32作為控制系統(tǒng)的主控芯片，并設(shè)計有相關(guān)的接口電路。執(zhí)行單元為柱塞泵的變頻器和電磁調(diào)節(jié)閥。根據(jù)控制指令，調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁閥的開閉，實(shí)現(xiàn)對射流泵動力液及油井套管壓力的調(diào)節(jié)。控制模型及系統(tǒng)組成如圖2、圖3所示。

圖2 射流泵智能采油控制模型

圖3 動液面與套管壓力的采油控制系統(tǒng)組成

2.2 射流泵智能采油控制系統(tǒng)軟件組成

射流泵智能采油控制系統(tǒng)的軟件部分主要在keil平臺上完成設(shè)計，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、套管壓力及動液面控制模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)通訊模塊主要功能是對油井動液面和套管壓力值的獲取和傳輸，數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)現(xiàn)對油井動液面值及套管壓力值的設(shè)定和實(shí)時顯示。射流泵智能采油控制系統(tǒng)軟件組成如圖4所示。

圖4 射流泵智能采油控制系統(tǒng)軟件組成

3 射流泵智能采油控制策略

油井開采前，首先對井況和地層滲透能力等影響動液面高度的因素進(jìn)行分析，確定油井沉沒度的合理開采范圍。在開采過程中，通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而維持動液面和套管壓力處在最佳的狀態(tài)，可確保原油開采的最佳產(chǎn)液量[6-7]。

3.1 油井動液面控制策略

油井動液面主要和射流泵的工作狀態(tài)、油井的套管壓力及地層的供液能力等密切相關(guān)，由于對其實(shí)現(xiàn)控制是一個非線性、大滯后、比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，通常很難構(gòu)造精確的PID線性控制模型，但通過對其控制系統(tǒng)特點(diǎn)的分析和研究，在實(shí)際的控制過程中，可以采用模糊控制策略對油井的動液面高度進(jìn)行實(shí)時控制[8]。將油井動液面高度的實(shí)際測量值和設(shè)定值之間的偏差e和油井動液面的偏差變化率ec設(shè)定為輸入量，輸出量設(shè)定為柱塞泵電機(jī)頻率F的變頻指令。結(jié)合原油開采的實(shí)際情況，確定動液面偏差、偏差率和輸出頻率及分別對應(yīng)的基本論域、量化因子（K1，K2，K3）和模糊子集。根據(jù)模糊控制規(guī)則對輸入量進(jìn)行模糊化處理，創(chuàng)建其對應(yīng)的模糊規(guī)則，再根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，采用重心法進(jìn)行模糊判決處理后，即可得到柱塞泵變頻器調(diào)節(jié)頻率F的輸出值。達(dá)到調(diào)節(jié)柱塞泵變頻器頻率間接調(diào)整射流泵的動力液注入量的目的，確保射流泵始終維持在最佳的運(yùn)行狀態(tài)，動液面模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 動液面模糊控制器結(jié)構(gòu)

3.2 動液面模糊控制流程

油井動液面模糊控制策略采用離線查表方式進(jìn)行。使用MATLAB 仿真軟件中的模糊控制工具箱先對動液面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并根據(jù)輸入不同的動液面相關(guān)數(shù)據(jù)組合，計算出行管的控制量，再將其進(jìn)行處理后生成輸出結(jié)果表[8-9]。采用二維數(shù)組的形式將輸出結(jié)果表編寫到動液面控制程序中。當(dāng)控制系統(tǒng)正常工作時，程序啟動，動液面監(jiān)測儀測量當(dāng)前的動液面值，計算出實(shí)際測量動液面與給定動液面的差值e及差值變化率ec，并對其進(jìn)行模糊化處理，再根據(jù)e和ec模糊化的結(jié)果去比對模糊控制規(guī)則表，得到對應(yīng)的輸出頻率，并將輸出變頻器信號發(fā)送到變頻器，實(shí)現(xiàn)對油井動液面的實(shí)時控制。

動液面模糊控制規(guī)則表設(shè)計：根據(jù)油井動液面變化情況，選擇動液面偏差e的基本論域?yàn)閇-100，100]，動液面偏差變化率ec基本論域?yàn)閇-10，10]，變頻器頻率基本論域?yàn)閇10，50]。選偏差、偏差變化率和輸出頻率的變化范圍映射為13 個整數(shù)量化級別[-6，6]，則偏差的量化因子K1=0.06，偏差變化率的量化因子K2=0.6，輸出變頻率的放大因子K3=0.2。對于偏差e和ec的語言變量A和B均為：NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。根據(jù)原油開采過程中油井動液面大致變化規(guī)律，可以設(shè)計模糊狀態(tài)控制狀態(tài)表，見表1。

表1 動液面模糊控制規(guī)則狀態(tài)

根據(jù)模糊控制規(guī)則狀態(tài)表，采用最大隸屬度法進(jìn)行模糊判決，可以將控制量由模糊量變?yōu)榫_量并得到模糊控制表，實(shí)現(xiàn)對油井動液面的控制。動液面模糊控制流程如圖6所示。

圖6 動液面模糊控制流程

3.3 油井套管壓力控制策略

結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用情況的進(jìn)行分析和研究，確定可確保最佳采油效率的油井套管壓力值，并采用位控制方法對其實(shí)現(xiàn)控制。在正常采油工作過程中，實(shí)時將動液面監(jiān)測儀測量的套管壓力值和系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行對比，當(dāng)實(shí)時測量的套管壓力值高于預(yù)先設(shè)定值時，控制器發(fā)送打開井口電磁閥的控制指令進(jìn)行放氣；當(dāng)?shù)陀陬A(yù)先設(shè)定值時，發(fā)送關(guān)閉井口電磁閥的控制指令，進(jìn)而維持油井的套管壓力穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)，確保射流泵工作過程中的最佳采油效率。

3.4 套管壓力位控制流程

套管壓力位控制流程主要根據(jù)油井套管壓力的實(shí)時測量值和設(shè)定值實(shí)現(xiàn)控制。在實(shí)際控制過程中，當(dāng)實(shí)時測量的套管壓力值大于設(shè)定值的上限時，打開電磁閥進(jìn)行套管氣的排放；當(dāng)實(shí)時測量的套管壓力值小于設(shè)定值的下限時，及時關(guān)閉電磁閥，實(shí)現(xiàn)對油井套管壓力的實(shí)時控制。套管壓力位控制程序如圖7所示。

圖7 套管壓力位控制流程

4 控制系統(tǒng)應(yīng)用分析

該系統(tǒng)在河南油田一生產(chǎn)井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，在投入使用時套壓值下限設(shè)定為0.2 MPa，上限設(shè)定為0.25 MPa，油井動液面深度設(shè)定為1 500 m。連續(xù)運(yùn)行一段時間后，每隔一天對動液面、套壓及電機(jī)頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，油井動液面深度和套壓值變化見表2。

表2 油井動液面、套壓與變頻器測量值

通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)油井動液面控制在1 500 m 左右，套壓維持在0.2～0.25 MPa，對油井動液面和套管壓力起到了良好的控制效果，實(shí)現(xiàn)了智能采油控制系統(tǒng)的研發(fā)需求。同時實(shí)驗(yàn)井的原油產(chǎn)液提高了9%，電耗降低了13%，取得了良好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

1）通過分析和研究油井動液面和套管壓力對采油效率的影響，設(shè)計了基于油井動液面與套管壓力的射流泵智能采油控制系統(tǒng)。

2）在系統(tǒng)中油井動液面和井口套管壓力分別采用模糊控制和位控制策略，最終實(shí)現(xiàn)了采油過程中自動調(diào)節(jié)柱塞泵變頻器和套管排氣電磁閥，以實(shí)現(xiàn)對最佳采油狀態(tài)控制的目的；同時也實(shí)現(xiàn)了對油井井況的實(shí)時監(jiān)測，為疏松砂巖油藏優(yōu)化開采探索出新思路，提高了此類油田的原油開采效率。