一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制系统。由以抽油机专用变频器为核心的智能系统和旁路系统两部分组成，智能系统的抽油机专用变频器输入和输出端分别连接电路断路器和接触器，旁路系统包括电源断路器、接触器和热继电器，其特征是：智能系统中还包括智能控制卡和直流电抗器，且智能控制卡为抽油机专用变频器的扩展卡，其硬件为单片机系统，与抽油机专用变频器采用通讯方式交换数据；直流电抗器与抽油机专用变频器的直流侧相连；抽油机专用变频器的输出与旁路系统通过接触器电气互锁。智能控制卡控制变频器在最佳冲次对应的频率运行，实时检测的到冲次电耗的变化情况对抽油机进行闭环控制，跟踪井下的供液情况，实现供采平衡、增产增效、节能降耗。
【专利说明】一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及采油控制系统领域，具体涉及基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制系统。
【背景技术】
[0002]传统的油井流入理论认为，井底流压越低，生产压差越大，则油井产液量越大。所以一般油井的下泵到射孔上部，甚至中段，导致动液面低、流压低、泵充满度低，影响泵效、产液量和采收率。国内外大量的实践和研究表明，当流压降低至饱和压力以下时，气体会从原油中分离出来，形成油气相混合液或油气水相混合液，使液相流动能力降低，地层渗透阻力增加。当流压低于饱和压力并逐渐降低时，产液量从升高变缓到出现最大值拐点，然后逐渐降低。产液量最大点对应的流压是油井流压的最小流压界限。油井在最小流压界限以下生产时，电耗会增加，产液量会下降。
[0003]油田的采油现状是大量的采油井在比最小流压界限更低的流压下工作，泵效和系统效率低下，影响产液量和采收率，气油比高，结碏和出砂严重。解决方案主要有两点:一、调整下泵深度，控制流压在合理的范围内；二、调节抽汲参数，控制流压在最佳值，提高泵充满度和泵效，达到供采平衡。
[0004]有杆泵冲程、泵径和下泵深度确定后，冲次是决定泵排液能力的关键参数。油层压力稳定时，冲次越高，则动液面越低、泵充满度越低、井底流压越低、电耗越高。而产液量与井底流压存在函数关系，即IPR曲线，井底流压存在最佳值使产液量最大。井底流压的最佳值与油层压力、油水比例及油的饱和压力等诸多因素相关，具有时变性。抽油机的智能控制即是通过感知井下工况，确定最佳冲次与之相适应，并跟踪井下工况的变化自动调节冲次，使油井始终处于最佳冲次下工作，达到供排平衡和产液量最大化的目的。
[0005]由于产液量的实时检测成本高、准确性极差，目前的抽油机的控制主要基于功图的检测和动液面的检测，以实现恒泵充满度的控制和恒动液面的控制。由于泵充满度及动液面与产液量不存在确定的关系，所以只能凭经验，控制效果差，对不同油井的适应性也差，同时受传感器成本和稳定性的影响，这一方面的技术一直未能大面积推广应用。这样的控制只能叫闭环控制，而非智能控制。
[0006]基于电机能耗的控制方案由于检测成本低，稳定性好，是近年研究的新方向。由于影响电机能耗的因素非常多，包括提升液体的有效能耗和电机损耗、机械传动损耗、摩擦损耗、抽油杆形变损耗、液体漏失损耗等无效能耗，普遍认为建立油井产液量与电机能耗之间的定量关系是不可能的，所以大多数的研究都没有深入下去。
[0007]变频器在抽油机上的应用中，由于存在倒发电现象，而变频器本自无法贮存和释放这部分能量，会导致直流侧过电压故障。传统的解决方法有三种:一是采用能耗制动的方法，将倒发电的能量用电阻消耗掉，这种方式成本相对较低，但浪费电能；二是回馈方式，通过回馈单元或四象限变频器的可控整流桥将电能回馈电网，这种方式成本很高，对电网的谐波影响也更严重，不适合推广应用；三是采用共直流母线方式，将能量传递给其它负载使用，这种方式成本低，也节能，但在大多场合使用有局限性。
实用新型内容
[0008]本实用新型是针对现有技术存在的问题，提供一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制系统，通过检测电机的瞬时功率计算出抽油机的冲次电耗，并首次提出最大产液冲次的电耗变化判断准则，采用软件控制技术和变频控制技术实现抽油机的智能抽油控制，达到增产增效和节能降耗的目的。
[0009]本实用新型的技术方案
[0010]一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制系统，由以抽油机专用变频器为核心的智能系统和旁路系统两部分组成，智能系统的抽油机专用变频器输入和输出端分别连接电路断路器和接触器，旁路系统包括电源断路器、接触器和热继电器，其中:智能系统中还包括智能控制卡和直流电抗器，且智能控制卡为抽油机专用变频器的扩展卡，其硬件为单片机系统，与抽油机专用变频器采用通讯方式交换数据；直流电抗器与抽油机专用变频器的直流侧相连；抽油机专用变频器的输出与旁路系统通过接触器电气互锁。
[0011]本实用新型的系统是在通用变频器中植入智能控制软件，不需要外加任何井上和井下传感器，也不需要输入抽油机和油井的任何原始数据，即可完成对抽油机的自适应智能控制。应用本技术使抽油机的智能控制系统成本低廉、稳定可靠，增产增效和节能降耗效果显著提高，解决了油井智能控制的核心难题，有非常好的推广应用价值。
[0012]另外本实用新型的抽油机专用变频器内置特有的直流过电压调节器控制软件技术，使变频器有跟踪电机转速运行的功能，能有效抑制抽油机的倒发电现象，无需制动和回馈组件即可保证变频器正常运行，使智能系统的成本与采用能耗制动或回馈制动相比进一步下降，节电效果与采用制动电阻方式相比明显提高，系统结构进一步简化，可靠性进一步提闻。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]附图1是本实用新型的系统部分结构简图。
[0014]图中，1-三相电源，2-变频器电源断路器，3-旁路电源断路器，4-抽油机专用变频器，5智能控制卡，6-变频器输出接触器，7-变频器直流电抗器，8-接地，9-旁路接触器，10-旁路热继电器,11-电机输出，12 -电动机。
具体实施例
[0015]下面通过 申请人:于2013年8月在胜利油田孤东采油厂一矿一队的G04-10-20号抽油机井上进行安装试验的实施例进一步加以说明。
[0016]1、原始井况
[0017]G04-10-20号抽油机井配游梁式抽油机，电机为18.5/1IKW双速双功率三相异步电动机，额定电压380V。抽油机冲次2.2次/分，冲程3米，泵径44mm，泵挂1247m，吸入口深度1267.36m，油层中深1324m。抽油机冲次已经调整到最小值，无下调空间。动液面低，油泵充满度低。井底流压低，原油脱气严重，流动性差。油井日产液量低，吨液单耗高。
[0018]结合附图1，该实施例采用的是22KW抽油机专用智能变频器(型号为V560-4T0220)、配置智能控制卡(型号为APV-F301)和直流电抗器(型号为DCL-0050)。是由以抽油机专用变频器为核心的智能系统和旁路系统两部分组成。智能系统包括抽油机专用变频器4智能控制卡5和直流电抗器7，智能系统的抽油机专用变频器4输入和输出端分别连接电路断路器2和接触器6，旁路系统包括电源断路器3、接触器9和热继电器10。其中:且智能控制卡5为抽油机专用变频器的扩展卡，其硬件为单片机系统，与抽油机专用变频器采用通讯方式交换数据，无I/O接口 ；直流电抗器7与抽油机专用变频器的直流侧相连。抽油机专用变频器的输出与旁路系统通过接触器(6和9)电气互锁，旁路系统中的热继电器10用于旁路运行时保护电机，智能系统和旁路系统均有电源断路器2和3。
[0019]该系统是通过对抽油机采油系统的各部分能耗建模并进行数学分析后，发现了最佳冲次的判断准则。最佳冲次与油井流入方程曲线(IPR曲线)的最小流压界限相对应，从而实现了最大产液量的控制。
[0020]智能控制卡5控制抽油机专用变频器4在50Hz、40Hz、30Hz、20Hz各运行设定的时间，使井下动液面达到稳态后，测得抽油机在这些特征频率点运行时的稳态冲次电耗，记为W5tl、W4tl、W3tl、W2tl。则最佳冲次对应的变频器运行频率&可由下式的最佳冲次辨识模型求取:
[0021]f0=10X (4ff20 — Ilff30 + IOff40 — 3ff50) / (W20 — 3W3(I + 3ff40 — W50)
[0022]控制抽油机在&运行设定的时间使井下动液面达到稳态后，测得对应的冲次电耗即为基准冲次电耗给定值Wf(l。以上过程即完成了抽油机井的自学习过程。自学习过程由首次开机和定时启动方式来触发。
[0023]其后间隔10分钟测一次实时冲次电耗值，与基准给定电耗比较，若偏大则升高
0.5Hz频率，偏小则降低0.5Hz频率，若相当则对运行频率不作调整，实现对井下供液能力的实时跟踪控制，频率调整范围为fo的±5HZ。频率调整时，Wftl也会跟随自动调整，以适应最小流压界限的实时波动。
[0024]2、测试过程与结果
[0025]在安装本抽油机智能控制系统前，对对工频运行的油井的日耗电量、日产液量进行记录，并采用油井综合测试设备测量套压和动液面。
[0026]安装好本抽油机智能控制系统后，通过自动改变抽油机冲次来对油井进行井况自学习，自动搜寻到目前最优变频器运行频率为22.5Hz，对应的冲次为I次，测到此时的冲次电耗后并跟踪井下供液能力变化自动调节冲次。在智能状态下稳定运行三天后对用同样的仪表和测量方法对油井的日耗电量、日产液量、套压和动液面进行测量记录。
[0027]根据油井数据、动液面及套压折算出井底流压，并根据日耗电量、日产液量计算出吨液耗电量。测试结果如下表所示。
[0028]工频与智能运行时油井工况测试结果比对表
[0029]
【权利要求】
1.一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制系统，由以抽油机专用变频器为核心的智能系统和旁路系统两部分组成，智能系统的抽油机专用变频器输入和输出端分别连接电路断路器和接触器，旁路系统包括电源断路器、接触器和热继电器，其特征是:智能系统中还包括智能控制卡和直流电抗器，且智能控制卡为抽油机专用变频器的扩展卡，其硬件为单片机系统，与抽油机专用变频器采用通讯方式交换数据；直流电抗器与抽油机专用变频器的直流侧相连；抽油机专用变频器的输出与旁路系统通过接触器电气互锁。
【文档编号】E21B43/00GK203773281SQ201420154508
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】张春波, 张宝军, 张吉波 申请人:东营东日电气有限公司