崔 博

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司研發(fā)中心）

截止2018年年底，大慶油田在運轉的常用排量規(guī)格的定頻、變頻潛油電泵井共計1 225口，其中70.5%的井工作在非高效區(qū)。潛油電泵長期工作在非高效區(qū)會導致油井的產(chǎn)液能耗增大，機組系統(tǒng)效率降低，不僅影響油田的正常生產(chǎn)，而且增加了采油成本，產(chǎn)品壽命也受到嚴重影響，所以使機組適應不同油井條件并長期運行在高效區(qū)變得尤為重要。

本項目中，在電泵井配備井下多參數(shù)監(jiān)測裝置后，結合原地面監(jiān)測參數(shù)（如運行電流、油壓及套壓等），并通過軟件控制方法來實現(xiàn)電泵井的自適應控制。

1 自適應控制設計思路

大慶油田電泵機組采用定頻與變頻兩種控制方式，對于定頻控制的電泵井，由于油井普遍供液不足，采用自適應控制技術可以使定頻運行的電泵井在供液不足的情況下實現(xiàn)自動間抽控制；變頻運行的電泵井在一定區(qū)間內自動調節(jié)運行頻率，使電泵井的沉沒度維持在恒定值，以避免機組頻繁欠載停機。

1.1 定頻間抽控制技術

針對定頻驅動的潛油電泵井，根據(jù)實時監(jiān)測到的井況變化情況，通過調節(jié)生產(chǎn)工藝參數(shù)和優(yōu)化選井選泵的方式來進一步優(yōu)化油井生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的定頻間抽控制原理僅依靠機組運行電流來判斷：當運行電流小于欠載停機保護值并延遲一段時間后，機組自動停機，再經(jīng)過一段人為設定的時間段待油井沉沒度恢復之后，機組再次自動啟動運行，如此周而復始［1］。這種傳統(tǒng)的自動間抽控制最大的問題在于無法準確判斷油井動液面的恢復情況，油井管理人員只能憑借個人經(jīng)驗設定停機等待動液面恢復時間。在配備電泵多參數(shù)監(jiān)測裝置后，當井下供液能力降低時，通過對泵吸入口壓力的實時監(jiān)測，當壓力低于合理壓力設定值時，再結合運行電流的判斷，對機組發(fā)送自動停機指令。當液面恢復（泵吸入口壓力恢復）到合理高度時再發(fā)送自動啟動指令［2］?？刂圃砗统翛]度變化曲線如圖1所示。

對于供液能力不足的定頻電泵井，工程上實現(xiàn)自動間抽控制的基本方法如下：

a.在控制器中輸入該井的沉沒度保護值、欠載電流保護值和井液平均密度；

b.控制器監(jiān)測電泵井的泵吸入口壓力和套管壓力；

d.在控制器中設定沉沒度保護值和欠載電流保護值；

圖1 定頻電泵井自動間抽控制原理和沉沒度變化曲線

e.運行過程中，判斷實際沉沒度和運行電流是否低于保護值，如果低于保護值，則延遲一段時間后控制器控制機組自動停機；

f.停機后，井下監(jiān)測裝置持續(xù)自動監(jiān)測沉沒度恢復情況，當沉沒度恢復到設定值時，如果機組無故障，則再次重新啟動運行。

上述步驟在控制器中實現(xiàn)的程序流程如圖2所示。

1.2 變頻自動調頻控制技術

對于采用變頻控制的潛油電泵機組而言，機組工作在恒定的頻率下，該工作頻率由油井管理人員根據(jù)油井動液面、地面油壓、套壓、油井區(qū)塊工藝要求等來設置，通常在一段時間內會維持不變。但隨著井況的改變，電泵井動液面也必然會發(fā)生改變，如果地面變頻器仍然維持在恒定的頻率點，則會造成機組效率下降，甚至會導致機組供液不足而燒毀［3］。因此，當油井動液面發(fā)生改變時，地面變頻器需要根據(jù)一定的調節(jié)規(guī)律自動調節(jié)頻率，使油井的動液面基本維持在目標閾值內不變。

圖2 定頻電泵井自動間抽程序流程

為實現(xiàn)頻率自動調節(jié)功能，地面變頻器配合井下監(jiān)測裝置，可根據(jù)測量到的井下泵吸入口壓力參數(shù)，并結合井口的套管壓力，以最佳沉沒度區(qū)間為控制目標，采用相應的算法實現(xiàn)變頻器自動調頻，使油井沉沒度維持在目標閾值內，從而調節(jié)油井產(chǎn)量，優(yōu)化生產(chǎn)模式，達到最佳開采的目的［4］；同時，也可根據(jù)監(jiān)測裝置輸出的報警信號（包括溫度報警和壓力報警）自動停機。具體功能框圖如圖3所示。

變頻電泵井實現(xiàn)自動調頻的基本控制方法為：變頻器上設置合理的油井沉沒度（即泵吸入口壓力目標值），即當目標沉沒度閾值與實際沉沒度之間有較大差值時，變頻器頻率調節(jié)較快；而當沉沒度高度接近目標閾值時，頻率調節(jié)變化較小，使油井的實際沉沒度緩慢接近目標閾值。上述控制原理采用PID調節(jié)方式，調節(jié)規(guī)律如圖4所示。

圖3 變頻電泵井實現(xiàn)自動調頻的功能框圖

圖4 變頻電泵井自動調頻原理

為了保證電泵機組的可靠運行，防止頻率自動調節(jié)過高或過低造成電泵損壞，需要在變頻器上設置機組運行調節(jié)頻率的上限fset_High和下限fset_Low，一旦自動調頻算法導致變頻器目標運行頻率超出fset_High或fset_Low，則變頻器實際運行頻率等于fset_High或fset_Low。當沉沒度高度進入所要控制的目標閾值后，通過PID調節(jié)方式，使沉沒度最終維持在目標閾值之內。

PID算法能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定工作在給定的狀態(tài)下，避免出現(xiàn)振蕩［5］。對于電泵變頻器通常采用數(shù)字PID算法更容易編程實現(xiàn)。涉及到的參數(shù)可以在變頻器的控制界面上直接設置，包括PID控制的比例系數(shù)、積分時間、微分時間、PID采樣周期、調節(jié)頻率上限、調節(jié)頻率下限、泵吸入口壓力值上限及泵吸入口壓力值下限等。

變頻電泵井實現(xiàn)自動調頻的控制程序流程如圖5所示。

2 變頻電泵井自動調頻控制技術現(xiàn)場應用

本項目在安裝了井下多參數(shù)監(jiān)測裝置的變頻電泵井上，以控制恒定沉沒度為目標，采用PID閉環(huán)控制算法，實現(xiàn)了變頻電泵井的自適應調頻功能，并在現(xiàn)場5口安裝了變頻器和井下監(jiān)測裝置的電泵井上進行了試驗。

圖5 變頻電泵井實現(xiàn)自動調頻的控制程序流程

圖6 是在大慶油田采油一廠Z60-P21電泵井上進行現(xiàn)場自動調頻試驗時的PID控制參數(shù)實際設置值。由于潛油電泵的吸入口壓力是一個大慣量值，變化較為緩慢，PID控制上存在較大的滯后。為了保證電泵機組運行的穩(wěn)定性，避免頻繁調節(jié)機組運行頻率造成機組故障停機，因此PID控制參數(shù)的設置盡可能使機組運行頻率的調節(jié)保持平穩(wěn)?，F(xiàn)場經(jīng)過多次反復調試，最終試驗結果表明，通過PID控制，機組運行頻率調節(jié)大約在0.1Hz/h左右比較合理。

圖6 Z60-P21電泵井變頻器PID控制參數(shù)設置值

圖7 是Z60-P21電泵井在變頻器采用PID控制后，變頻器輸出頻率與泵吸入口壓力測量值的變化曲線。該井的日額定排量為150m3?？梢钥闯觯旊姳镁┮禾幱诜€(wěn)定狀態(tài)后，變頻器通過PID控制，最終使變頻器輸出頻率穩(wěn)定在51.9Hz上，比剛開始投產(chǎn)時的50.0Hz提高了1.9Hz，在保持合理沉沒度的前提下，日產(chǎn)液量提高了5.5m3。如果不采用自適應調頻算法，則這一過程需要采油廠技術人員憑借經(jīng)驗經(jīng)過摸索最終將機組運行頻率設定在一個合理值，以避免機組抽空。

泵吸入口壓力包含了套壓，采用電泵吸入口壓力作為PID調節(jié)的被調節(jié)量，默認電泵井的套壓為穩(wěn)定值，對于含氣量較大的油井其套壓變化很劇烈，如果套壓變化較大，則泵吸入口壓力也會跟著頻繁變化，則PID調節(jié)的難度會加大［6］。但對于大慶油田的水驅電泵井，由于油井含水率普遍比較高，井液密度變化小，套壓基本上處于恒定值，因此PID調節(jié)較為容易實現(xiàn)。

從圖7可以看出，變頻器在A點開始輸出頻率PID自動調節(jié)，經(jīng)過3次頻率自動調整之后，變頻器運行頻率從原來的50.0Hz提高到51.9Hz，泵吸入口壓力從原來的2.2MPa下降到1.2MPa左右，并達到新的供采平衡，實現(xiàn)了變頻電泵井輸出頻率的自適應調節(jié)功能。

圖7 Z60-P21電泵井變頻器PID控制輸出頻率與泵吸入口壓力曲線

3 結束語

本項目通過監(jiān)測潛油電泵井吸入口壓力的變化，在地面變頻器采用了PID閉環(huán)控制技術，在保證電泵機組安全運行的前提下，使機組運行頻率在一定范圍內能夠根據(jù)泵吸入口壓力的變化自適應進行調節(jié)，實現(xiàn)了電泵機組供采的動態(tài)平衡，提高了機組的運行效率。電泵井自適應控制技術對于大慶油田高含水電泵井具有實用性，可大面積推廣使用，既可實現(xiàn)油井產(chǎn)能的最大化，也提高了自動化程度，具有良好的市場應用前景。