本发明属于石油工程与自动控制技术领域，主要涉及一种基于时序全局搜索的抽油机最佳冲次调节方法。
背景技术：
随着油田开发过程中对原油高产及节能技术的需求，抽油机变频调速技术在全国各油田逐步得到推广应用。虽然抽油机电机变频调速使冲次调节变得非常容易，但是，受到有杆抽油系统复杂工况及测量信息不全面性等因素的影响，使得抽油机最佳冲次难以确定，冲次调节存在盲目性，亟需研究一种合理在线判别与自动调整抽油机最佳冲次的有效方法。
一般衡量抽油机最佳工作状态的指标是油井产液量，目前油田中应用最广泛最有效的是“功图量油”技术，但地面示功图计产也存在着与实测油井产液量误差大的缺陷，为了克服这一缺陷，人们一直都在试图直接或间接得到抽油泵示功图，针对不同工况条件及工作参数，提出了各种抽油泵力学模型及快速求解算法，取得了满意的油井计产精度。但这些方法又存在着计算繁杂、运行慢、专业性强的特点，给变频调速抽油机合理冲次的在线判别带来了困难。
发明专利（公开号：cn102865053a）涉及一种抽油机最佳冲次判定方法，其特征在于：根据冲次改变前后地面功图计算相对产液量，并判断其比值的变化情况；不断运行上述程序，直至找到最大日产液量下的最小冲次，即为最佳冲次。该方法虽然算法简便，但是假设前提过于理想，认为相对产液量随冲次的变化只存在一个极大值，然而在实际生产过程中，由于受工况的影响，抽油机的冲次在连续变化调节时，可能存在多个最大值点，因此该方法只是一个局部最优冲次，并非全局最优冲次。
发明专利（公开号：cn105093930a）一种适合超低渗油藏数字化抽油机最佳冲次工艺方法，其特征在于：采集同频率下多幅功图数据，计算平均冲次和平均泵充满度，建立产液量与电机频率的关系模型，以计算最佳频率，通过循环调节当前频率为模型的新频率，以达到最佳频率作为抽油机最优冲次。该方法虽然理论上论证较为充分，但是建立产液量与电机频率的关系模型来寻最佳冲次，不仅计算量大，并不适于抽油机小容量控制芯片的计算要求，而且冲次与产量的具体映射关系由于受到井下工况及抽油机工作参数的影响，目前还没有可靠的定量描述，从而影响对最佳频率的选择，无法获得满足最大产液量的最佳冲次要求。
实用新型专利（公开号：cn103885367a）涉及一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制系统，该系统通过检测变频器的电流和电压计算电机的瞬时功率（含负功率），以通讯方式将瞬时功率传送至智能控制卡作数据处理，得到抽油机的冲次电耗量。检测到抽油机在不同冲次下的冲次电耗，通过基于产液量最大化的最佳冲次辨识数学模型计算出最佳冲次及对应的冲次电耗，完成对油井工况的自学习。该系统所采用的方法依赖于先进的硬件和通讯条件，不适于油田大规模推广应用，特别是在偏远地区，数据传输不畅，容易导致合理冲次判别程序的中断，闭环控制程序无法运行。
技术实现要素：
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种基于时序全局搜索的抽油机最佳冲次调节方法，以克服现有技术在判别抽油机最佳冲次时的不足。
本发明的技术方案是：本种抽油机最佳冲次调节方法，是在现有数字化抽油机rtu测控单元中植入一种基于时序全局搜索的抽油机最佳冲次调节算法，使抽油机变频技术得到最大限度应用的同时，减少抽油机出现过抽或欠抽的现象，在使抽油机达到最大产液量的前提下，实现最佳泵效的目标。
所述基于时序全局搜索的抽油机最佳冲次调节算法包括以下步骤：
步骤一，利用电机功率限定技术，筛选确定变频器允许的变频范围，并将抽油机最大频率设定为起始频率，逐步降低频率运行；本步骤的作用在于为了避免变频器在抽油机冲次自动调整过程中烧坏电机；
步骤二，采集抽油机悬点载荷与位移数据，并依据所采集的数据计算实际泵效，并以泵效和频率的乘积作为等效产液量来代替实际产液量进行数据存储；本步骤的作用在于判断不同冲次下产液量的大小变化趋势和简化计算过程；
步骤三，采用时序全局搜索法，快速找到最佳合理冲次，并将此时的电机频率作为最佳基数频率；
步骤四，使抽油机以最佳基数频率运行，同时进入微调频率阶段，即抽油机每次以一个频率运行时计算当前频率下抽油机的等效产液量，并与前一次运行频率的等效产液量进行对比，根据等效产液量和频率变化的趋势对当前运行频率以一个频率步长进行微调；
步骤五，重复执行步骤四，按此循环执行微调，直至抽油机的电机频率在某一数值波动，此数即为最佳合理冲次对应的抽油机的电机频率；
步骤六，将步骤五中获得的抽油机频率按照电机转速公式转化为抽油机最佳冲次；
步骤七，按照步骤六中获得的抽油机最佳冲次数值调节抽油机冲次。
步骤一中所述利用电机功率限定技术筛选确定变频器允许的变频范围的具体实现路径如下：
在保证电机不会被烧坏的前提下，将某一电机频率设为初始的当前频率，通过检测变频器的三相瞬时电流和瞬时电压，将其各相对应电压与电流相乘并求和，计算得到当前电机的瞬时功率，以通讯方式将瞬时功率传送至智能控制卡进行功率判定，即当前功率大于0.98倍电机额定功率时，停止增加电机频率并下调5hz作为起始频率；若不大于0.98倍的额定功率，一直增加到最大允许瞬时功率所对应的频率，并将抽油机最大频率设定为起始频率，并按照一定的步长逐步降低频率进行微调运行。
步骤二中所述等效产液量的计算按照如下公式（1）至公式（5）计算得出；具体路径为：
根据电机理论可知，电机转速公式为：
式中：p为电机极对数，s为转差率，f为供电电源频率；
上式可以看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，从而可以连续地改变抽油机的抽油速度；
抽油机实际产液量的计算方法为：
式中，spe为柱塞有效冲程，ap为柱塞横截面积，n为冲次，且n=n/60；
泵效的计算公式为：
其中，s为柱塞的冲程；
综合上述公式，可得
以等效产液量来代替实际产液量进行数据存储，等效产液量公式为：
步骤三中所述的基于时序全局搜索法快速找到最佳合理冲次的具体实现路径如下：
①让变频器首先定为最大允许频率，让抽油机在此频率下稳定运转3个小时，每10分钟采集一组功图数据，3个小时运行结束后，变频器频率下调5hz，重复上述步骤，变频器频率最后稳定在20hz；这整个运行过程中，抽油机分别以12个不同频率各稳定运行了3个小时，每一个频率下各采集了18组功图数据，共采集216组功图数据；
②每一组功图数据对应步骤二中计算出的一个等效产液量，即可以计算出216个等效产液量的时序数据点；
③以等效产液量为纵坐标，数据点序号为横坐标，进行时序全局搜索的数据处理，分多步进行：
a．分别找到数据时序图的极大值和极小值点，因为左右两个端点没有极值的定义，所以排除；
b．分析极值点的分布规律，判断极小值与极大值的数量情况；
c．知道极值点的分布情况后，按照不同情况对极值点进行删除，使极大值点和极小值点数量相等；
d．对极大值点和极小值点进行线性插值，插值后极大值线和极小值线各删去一个端点，使极大值点和极小值点一一对应；
e．找到每一对极大值和极小值点的中点，最后对所有中点取均值，得到平均等效产液量；
f．寻找与平均等效产液量最接近点所对应频率，并将此时的电机频率作为最佳基数频率。
步骤四中所述的使抽油机以最佳基数频率运行，同时进入微调频率阶段的具体路径如下：
如果根据步骤一所确定的电机频率允许范围为20~75hz，则首先以步骤三计算得到的最佳基数频率运行3小时，每隔10分钟采集一组功图数据，根据步骤三计算平均等效产液量，与起始频率的等效产液量比较；如果基频比起始频率小，且等效产液量没有变化或者增大，则频率需要进一步降低2hz，并置标记为dec=-1，表示此次微调，频率减小；若等效产量减小，则频率需要增大2hz，并置标记为inc=1，表示此次微调，频率增大；如果基频等于起始频率，且等效产液量没有变化或者增大，则频率继续保持为起始频率，并置标记为inc=1；若等效产量减小，则频率需要减小2hz，并置标记为dec=-1；每次微调2hz频率后，运行3小时，循环上述过程；当频率减小到20hz时，微调不能继续减小，只能保持在20hz，当频率增大到75hz时，微调不能继续增大，只能保持在起始频率。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
①本发明不仅仅适用于供油充分，油井环境相对稳定的情况，而且适用于供油不足，地下环境变化大的油井，全局搜索处理过程中充分考虑了工况变化产生的随机误差，所求的抽油机最佳冲次的准确性提高。
②本发明无需计算示功图面积来计算实际产液量，通过泵效和频率的乘积作为等效产液量来代替，进行大小趋势的判断，极大地减小了的计算量和内存占用，提高了判别速度，达到现场实时调节的要求。
③本发明不依赖于泵效经验值的设定和理论模型的建立，充分利用现有数字化抽油机的硬件条件，对实测数据进行自适应时序分析，具有较强的可靠性和稳定性。
附图说明：
图1是本发明的基于时序全局搜索的抽油机最佳冲次调节方法的流程图。
图2是本发明的电机功能限定技术流程图。
图3是本发明的抽油机电机变频调速控制流程图。
图4是抽油机悬点载荷与位移数据的采集示意图
图5是抽油机在不同电机频率下的等效产液量时序图。
图6是等效产液量时序的极值点分布情况图。
图7是抽油机电机微调频率技术流程图。
具体实施方式：
本发明的目的是在不改变硬件条件的前提下，通过在现有数字化抽油机rtu（remoteterminalunit，中文全称为远程终端控制系统）测控单元中植入一种基于时序全局搜索的抽油机最佳冲次调节方法，使抽油机变频技术得到最大限度应用的同时，减少抽油机出现过抽或欠抽的现象，在使抽油机达到最大产液量的前提下，实现最佳泵效的目标。
概括的说，本发明所述的抽油机最佳冲次调节方法，是在现有数字化抽油机rtu测控单元中植入一种基于时序全局搜索的抽油机最佳冲次调节算法，该算法可以概括为：
首先，为了避免变频器在抽油机冲次自动调整过程中烧坏电机，利用电机功率限定技术，筛选确定变频器允许的变频范围，并将抽油机最大频率设定为起始频率，逐步降低频率运行。
其次，为了判断不同冲次下产液量的大小变化趋势和简化计算过程，针对所采集的抽油机悬点载荷与位移数据，计算实际泵效，并以泵效和频率的乘积作为等效产液量来代替实际产液量进行数据存储。
之后，为了能够尽量降低工况对最佳冲次判定的影响，需要对等效产液量的数据处理从全局范围内考虑，而不仅仅局限于一个频率，采用时序全局搜索法，快速找到最佳合理冲次，并将此时的电机频率作为最佳基数频率。
最后，抽油机以最佳基数频率运行，同时进入微调频率阶段，即抽油机每次以一个频率运行时计算当前频率下抽油机的等效产液量，并与前一次运行频率的等效产液量进行对比，根据等效产液量和频率变化的趋势对当前运行频率以一个频率步长进行微调，以此循环执行微调，最终频率会在某一数值波动，此数即为最佳合理冲次对应的频率，将频率转化为抽油机冲次即可。
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1展示了本发明的基于时序全局搜索的抽油机最佳冲次调节方法的流程图，从图中可以看到本发明的四个主要步骤：
步骤一：以图2中的电机功能限定技术流程图为例进行说明，假设某厂选用的抽油机发电机的变频器在50hz运行时，可以保证电机不会被烧坏，则将其设为初始的当前频率，通过检测变频器的三相瞬时电流和瞬时电压，将其各相对应电压与电流相乘并求和，计算得到当前电机的瞬时功率，以通讯方式将瞬时功率传送至智能控制卡进行功率判定，即当前功率大于0.98倍电机额定功率时，停止增加电机频率并下调5hz作为起始频率；若不大于0.98倍的额定功率，一直增加到最大允许瞬时功率所对应的频率，如图3所示为抽油机电机变频调速控制流程图。为了判别抽油机合理冲次，需要将抽油机最大频率设定为起始频率，并按照一定的步长逐步降低频率进行微调运行。
步骤二：根据电机理论可知，电机转速公式为：
式中：p为电机极对数，s为转差率，f为供电电源频率。
上式可以看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，从而可以连续地改变抽油机的抽油速度。
抽油机实际产液量的计算方法为：
式中，spe为柱塞有效冲程，ap为柱塞横截面积，n为冲次，且n=n/60。
泵效的计算公式为：
其中，s为柱塞的冲程。
综合上述公式，可得
可见，上述分式部分为常数，真正引起抽油机实际产液量变化的是泵效和电机频率的乘积。由于在抽油机合理冲次判别应用中，求产液量的目的并不是为了精确计算出不同冲次对应的产液量，而是了判断不同冲次下产液量的大小变化趋势。因此，为了简化计算过程，提高单片机运行效率，我们以等效产液量来代替实际产液量进行数据存储，为后续的比较分析奠定基础。等效产液量公式为：
步骤三：现有的抽油机最佳冲次判定方法往往适用于供油充分，油井环境相对稳定的情况，对于供油不足，地下环境变化大的油井，因为工况的变化，随机误差增大，所求的最佳冲次准确性降低。为了能够尽量降低工况对最佳冲次判定的影响，需要对数据处理从全局范围内考虑，而不仅仅局限于一个频率。为此本发明提出了基于时序全局搜索的判定方法，其具体过程如下：
①为了便于说明，根据步骤一所述方法所确定的某厂抽油机电机变频器的调节范围为20hz-75hz，则让变频器首先定为75hz，让抽油机在此频率下稳定运转3个小时，每10分钟采集一组功图数据，如图4所示为抽油机悬点载荷与位移数据的采集示意图。3个小时运行结束后，变频器频率下调5hz，重复上述步骤，变频器频率最后稳定在20hz。这整个运行过程中，抽油机分别以12个不同频率各稳定运行了3个小时，每一个频率下各采集了18组功图数据，共采集216组功图数据。
②每一组功图数据可由步骤二所述方法计算出一个等效产液量，即可以计算出216个等效产液量的时序数据点。
③以等效产液量为纵坐标，数据点序号为横坐标，进行时序全局搜索的数据处理，分多步进行：
a．图5为抽油机在不同电机频率下的等效产液量时序图，分别找到数据时序图的极大值和极小值点，因为左右两个端点没有极值的定义，所以排除。
b．根据极值点分布的规律可知，去掉端点后的时序图含有的极值点数存在4种情况，如图6所示。其中虚线为分割线，分割线上方为极大值点，下方为极小值点。图6(a)中，极小值的数量比极大值数量多一个；图6(c)中极小值的数量比极大值数量少一个，而图6(b)和图6(d)图中，极小值的数量和极大值数量相同，位置上有错位。
c．知道极值点的分布情况后，按照不同情况对极值点进行删除，使极大值点和极小值点数量相等。
d．对极大值点和极小值点进行线性插值，插值后极大值线和极小值线各删去一个端点，使极大值点和极小值点一一对应。
e．找到每一对极大值和极小值点的中点，最后对所有中点取均值，得到平均等效产液量。
f．寻找与平均等效产液量最接近点所对应频率，并将此时的电机频率作为最佳基数频率。
步骤四：根据每口油井的实际情况确定最佳抽油机冲次后，随着抽油的进行，最佳冲次也不可能一成不变。为了保证最佳冲次能长时间保持准确，最佳冲次确定后，后续的调整可以采取微调，如图7所示为抽油机变频器微调频率技术流程图，其具体实施过程如下：
首先以最佳基数频率运行3小时，每隔10分钟采集一组功图数据，根据上述步骤三方法计算平均等效产液量，与起始频率的等效产液量比较。如果基频比起始频率小，且等效产液量没有变化或者增大，则频率需要进一步降低2hz，并置标记为dec=-1，表示此次微调，频率减小；若等效产量减小，则频率需要增大2hz，并置标记为inc=1，表示此次微调，频率增大；如果基频等于起始频率，且等效产液量没有变化或者增大，则频率继续保持为起始频率，并置标记为inc=1；若等效产量减小，则频率需要减小2hz，并置标记为dec=-1。每次微调2hz频率后，运行3小时，循环上述过程。当频率减小到20hz时，微调不能继续减小，只能保持在20hz，当频率增大到起始频率时，微调不能继续增大，只能保持在起始频率。
需要注意的是：该步骤中所设定的抽油机冲次调节步长3小时、功图数据采集间隔时间10分钟以及微调的频率间隔2hz等参数仅作为参考值，实际调节时可根据不同抽油机的工作参数以及油井的具体情况而定，太大则难以保证最佳频率的精确性，太小又会浪费时间，效率降低。
本发明的一种基于时序全局搜索的抽油机最佳冲次调节方法已在多个油田的数字化抽油机测控单元（主要技术指标：16位单片机，时钟频率8mhz，内存128kb）上进行了大量的试验。结果表明：数据处理能达到现场使用要求，实现了合理抽油机冲次的在线判别与自动调整，调节到抽油机最佳冲次的油井符合率达到90%以上，具有较强的可靠性和稳定性。