智能閉環(huán)控制系統(tǒng)在機(jī)采井井口加藥裝置中的應(yīng)用*

劉紀(jì)瓊 趙昌明 孫利軍 張德蘭 郭紅光 康燕 黃小會(huì) 王鵬

1大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院

2黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠

4大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠

隨著三元復(fù)合驅(qū)油井結(jié)垢問(wèn)題日益突出，需要對(duì)油井采取不同類型的清防垢加藥措施。目前在用的井口加藥裝置基本采用人工設(shè)定裝置泵排量，調(diào)整周期短，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，且不能根據(jù)油井產(chǎn)能變化及時(shí)進(jìn)行泵排量調(diào)整，加藥濃度無(wú)法精準(zhǔn)控制，造成藥劑浪費(fèi)。

針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)適用于機(jī)采井井口加藥裝置的智能閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過(guò)在線流量傳感器和智能檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)加藥前饋控制和反饋控制兩種控制模式，利用計(jì)算機(jī)PLC 控制系統(tǒng)和PID 計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)對(duì)泵排量自動(dòng)調(diào)整[1-2]，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了加藥精度和安全系數(shù)，使井上加藥管理模式更加規(guī)范化。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 加藥裝置的基本結(jié)構(gòu)

加藥裝置采用一體化設(shè)計(jì)，主要由清垢劑箱、防垢劑箱、變頻式計(jì)量泵、控制臺(tái)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成，在實(shí)際工藝需求中可根據(jù)用戶需求調(diào)整不同配置，以滿足不同工藝需求。加藥裝置的基本結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 加藥裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of dosing device

1.2 系統(tǒng)功能

通過(guò)監(jiān)測(cè)油井產(chǎn)液量及檢測(cè)采出液藥劑含量，利用流量前饋控制和采出液藥劑濃度反饋控制以及PID 算法建立三者相結(jié)合的閉環(huán)控制方法，實(shí)現(xiàn)加藥量隨油井產(chǎn)液量變化而自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，使井下藥劑濃度控制在要求范圍[3]。該系統(tǒng)中，控制主體可以根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋信息發(fā)現(xiàn)和修正各載體運(yùn)行中的偏差，具有抗干擾能力，可進(jìn)行有序地控制輸出，保證加藥功能正常。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)清防垢加藥自動(dòng)化控制，設(shè)計(jì)了加藥工藝系統(tǒng)（圖2），根據(jù)油井采出液離子含量情況建立加藥量與產(chǎn)液量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，將該模型嵌入控制臺(tái)PLC 系統(tǒng)中，通過(guò)井口產(chǎn)液流量計(jì)監(jiān)測(cè)產(chǎn)液量數(shù)據(jù)(Q)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后帶入的PLC 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中。根據(jù)已設(shè)定的加藥濃度γs進(jìn)行模型計(jì)算后，輸出對(duì)應(yīng)泵排量控制信號(hào)，經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換控制變頻泵調(diào)節(jié)加藥量[4]，同時(shí)可根據(jù)井口產(chǎn)液量變化控制加藥頻率，實(shí)現(xiàn)流量前饋控制。其次利用在線磷檢測(cè)儀表從井口采出液中采集磷含量數(shù)據(jù)[5]，通過(guò)藥劑濃度與磷含量之間的關(guān)系反算出藥劑含量，將藥劑濃度數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，利用PID 控制算法進(jìn)行誤差運(yùn)算，然后將運(yùn)算結(jié)果經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換再次控制變頻泵對(duì)沖程和頻率進(jìn)行微調(diào)，完成加藥濃度反饋控制。通過(guò)流量控制和PID 反饋控制相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)藥劑加藥量和加藥頻率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，保證加藥的有序進(jìn)行[6-7]。

圖2 加藥工藝系統(tǒng)流程Fig.2 Flow chart of dosing process system

2.1 流量前饋控制

流量前饋控制的唯一變量是油井產(chǎn)液量，油井生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)液量變化是影響加藥濃度改變的主要因素，因此加藥量主要隨產(chǎn)液量而變化。關(guān)鍵是確定式（1）中加藥濃度γs，需要根據(jù)藥劑規(guī)定的使用濃度進(jìn)行調(diào)整。以目前在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用防垢劑有效濃度γs=300 mg/L 為例，產(chǎn)液量監(jiān)測(cè)周期ΔT=24 h（可根據(jù)需求適當(dāng)調(diào)節(jié)），將TUF-2 000 m 型外夾模塊式超聲波流量計(jì)（流速范圍0±10 m/s）流量傳感器安裝至采油樹回油主管線上，將監(jiān)測(cè)周期內(nèi)流量輸出Q對(duì)應(yīng)的4～20 mA 電流信號(hào)傳至PLC 控制系統(tǒng)，對(duì)比不同監(jiān)測(cè)周期Q(T)與Q(T-1) 內(nèi)產(chǎn)液量變化幅度值ΔQ來(lái)進(jìn)行流量前饋控制。通過(guò)大幅度調(diào)整沖程Δn[Δn=n(T)-n(T-1) ]進(jìn)而對(duì)加藥量進(jìn)行快速調(diào)整。當(dāng)Q(T)-Q(T-1)=ΔQ＞QS時(shí)，計(jì)算按式（1）～（4）進(jìn)行。

式中：Y(T)為泵排量，m3/d；n(T)為T時(shí)刻的沖程，mm；S為加藥泵的沖程，mm；n為泵沖速，min-1；η為泵效，%；D為泵徑，mm；γs為藥劑濃度，mg/L；Q 為產(chǎn)液量，m3；Q(T)為t時(shí)刻系統(tǒng)監(jiān)測(cè)產(chǎn)液量，m3；Q(T-1) 為距離t時(shí)刻監(jiān)測(cè)點(diǎn)的前一監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)液量，m3；QS為油井生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)液量正常波動(dòng)范圍最大值，m3；T為監(jiān)測(cè)時(shí)間，s。

2.2 藥劑濃度反饋控制

當(dāng)Q(T)-Q(T-1)=ΔQ＜QS時(shí)，產(chǎn)液量處于正常波動(dòng)范圍，根據(jù)產(chǎn)液量變化調(diào)整加藥濃度容易造成系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)度，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要通過(guò)藥劑濃度變化進(jìn)行泵排量微量調(diào)節(jié)。藥劑濃度反饋控制以時(shí)間t和采出液中藥劑濃度γ(T)為變量，通過(guò)在采油樹回油管線取樣口安裝取樣閥門，定期取一定量的采出液至在線磷監(jiān)測(cè)裝置儲(chǔ)樣槽內(nèi)進(jìn)行采出液磷元素測(cè)定（不加藥時(shí)采出液中基本無(wú)磷），利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)建立不同藥劑濃度與其對(duì)應(yīng)濃度下磷含量P的關(guān)系式，用式（5）計(jì)算對(duì)應(yīng)藥劑濃度γ，將計(jì)算結(jié)果輸出的4～20 mA信號(hào)值傳至PLC控制系統(tǒng)。

式中：f(P)為磷含量P時(shí)對(duì)應(yīng)液體中藥劑濃度，mg/L。

用式（6）計(jì)算采出液藥劑濃度與設(shè)定值的偏差ε(T)，再根據(jù)偏差計(jì)算加藥量。

式中：ε(T)為T時(shí)刻采出液中磷含量對(duì)應(yīng)藥劑濃度采樣值γ(T)與設(shè)定值γs的差值，mg/L。

式中：ε(T-1)、ε(T-2)為上一次和上兩次采樣的藥劑濃度偏差，mg/L；Kc、Ki、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

通過(guò)不斷調(diào)節(jié)加藥泵沖程，改變藥劑排量，實(shí)現(xiàn)藥劑濃度的微調(diào)，直至相鄰檢測(cè)周期檢測(cè)結(jié)果誤差值時(shí)停止調(diào)控。

采出液濃度反饋控制的關(guān)鍵是確定PID 系數(shù)和采樣時(shí)間間隔[8]。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用試湊法確定PID 參數(shù)，通過(guò)優(yōu)先確定采樣間隔，調(diào)節(jié)比例系數(shù)，最后確定積分和微分系數(shù)。

具體操作如下：

（1）首先設(shè)定采樣間隔為2 h（現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用，后期可調(diào)整），γs=300 mg/L，設(shè)定Ki、Kd均為0，調(diào)節(jié)Kc值由小到大，直至泵沖程調(diào)整時(shí)間最短后，確定Kc=6。

（2）將Kc值調(diào)整為原來(lái)的80%，作為確定值，將Ki值由0 逐漸調(diào)大，直至泵沖程調(diào)整時(shí)間最短后，確定Ki=1.5。

（3）將Ki值調(diào)整為原來(lái)的80%，作為確定值，將Kd值由0 逐漸調(diào)大，直至泵沖程調(diào)整時(shí)間最短后，確定Kd=0。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證智能閉環(huán)系統(tǒng)控制井口加藥的科學(xué)性和合理性，設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)某井分別采用智能閉環(huán)控制加藥和恒定加藥系統(tǒng)進(jìn)行加藥。兩種加藥模式加藥15 天后對(duì)該井采出液藥劑濃度進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 恒定加藥模式下采出液藥劑濃度Tab.1 Reagent concentration of produced liquid under constant dosing mode

表2 智能閉環(huán)控制系統(tǒng)中采出液藥劑濃度Tab.2 Reagent concentration of produced liquid in intelligent closed-loop control system

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)采井產(chǎn)液量短期內(nèi)有較大浮動(dòng)時(shí)，加藥濃度變化幅度相對(duì)較大，很可能會(huì)出現(xiàn)藥劑濃度不足。相反，采用智能閉環(huán)控制系統(tǒng)加藥，當(dāng)產(chǎn)液量變化時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)反饋功能進(jìn)行泵排量的模糊設(shè)定，隨之調(diào)整加藥量，整體加藥量浮動(dòng)控制在10%以內(nèi)，大大提高了加藥精度，可避免出現(xiàn)藥劑濃度不足或過(guò)多等情況。

4 結(jié)論

研制了一種基于PID 算法建立的前饋和反饋相結(jié)合的閉環(huán)控制系統(tǒng)，提出了加藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理與方法。與以往的井口加藥裝置相比，利用智能閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制加藥，可及時(shí)對(duì)加藥量進(jìn)行浮動(dòng)調(diào)整，保證加藥濃度均衡，減少人工干預(yù)加藥帶來(lái)的誤差及藥劑損耗。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)藥量調(diào)節(jié)反應(yīng)速度快，控制精度高，運(yùn)行穩(wěn)定性好，試驗(yàn)效果良好，有效提高了現(xiàn)場(chǎng)加藥管理水平。但由于復(fù)雜的運(yùn)行控制環(huán)節(jié)加上現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備性能及精準(zhǔn)度要求較高，相比于傳統(tǒng)加藥裝置，對(duì)設(shè)備前期的資金投入及后期維修保養(yǎng)費(fèi)用相對(duì)較高，在現(xiàn)場(chǎng)推廣使用上存在一定局限性。