控制抽油杆加热的方法及装置与流程

本发明涉及油田开采领域，特别涉及一种控制抽油杆加热的方法及装置。

背景技术：

目前，在我国稠油总地质储量约为12亿方，其年产量占陆上原油总年产量的9％，因此，如何有效地开采稠油已经成为油田开采领域的一个热点。稠油的胶质与沥青含量较高，因此稠油的粘度较高，流动性较差，这严重影响稠油的采收率，然而，稠油的粘度对温度非常敏感，对稠油进行加热可以有效地降低稠油的粘度。因此，为了提高稠油的采收率，在稠油开采中一般需要对抽油机的抽油杆进行加热，以降低稠油在举升出井过程中的粘度。

相关技术中，一般由技术人员根据油井井口处稠油的温度值决定是否对抽油杆进行加热，并确定对抽油杆的加热时长。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

相关技术中，抽油杆加热由人工管理和控制，技术人员需要根据经验确定抽油杆的加热时长，这导致确定的加热时长不够准确，可能会导致稠油粘度不够低，影响稠油的采收率，或者会导致加热时间过长，浪费电能。

技术实现要素：

为了解决现有技术稠油采收率较低、电能浪费的问题，本发明实施例提供了一种控制抽油杆加热的方法及装置。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种控制抽油杆加热的方法，所述方法包括：

获取油井井口处稠油的温度值；

当所述温度值小于最大预设稠油温度值，且大于稠油温度设定值时，获取所述油井的抽油机当前的平衡度和当前的最大载荷；

获取平衡度偏差，所述平衡度偏差为所述抽油机当前的平衡度与所述抽油机历史平衡度的差值；

获取最大载荷偏差，所述最大载荷偏差为所述抽油机当前的最大载荷与所述抽油机历史最大载荷的差值；

根据所述平衡度偏差和所述最大载荷偏差，基于模糊控制方法确定井筒内稠油温度偏差；

根据所述井筒内稠油温度偏差、所述温度值和所述稠油温度设定值，基于比例-积分-微分pid控制方法确定所述抽油机的抽油杆的加热时长；

基于所述加热时长，控制所述抽油杆加热。

在第一种实施方式中，所述获取油井井口处稠油的温度值之后，所述方法还包括：

当所述温度值大于或等于所述最大预设稠油温度值时，停止对所述抽油杆加热。

在第二种实施方式中，所述获取油井井口处稠油的温度值之后，所述方法还包括：

当所述温度值小于或等于所述稠油温度设定值时，基于预设加热时长控制所述抽油杆加热。

在第三种实施方式中，所述根据所述平衡度偏差和所述最大载荷偏差，基于模糊控制方法确定井筒稠油温度偏差，包括：

对所述最大载荷偏差和所述平衡度偏差进行模糊化处理；

利用模糊化处理后的所述最大载荷偏差和所述平衡度偏差，基于模糊控制规则得到模糊井筒稠油温度偏差；

对所述模糊井筒稠油温度偏差进行解模糊化处理，得到所述井筒稠油温度偏差。

在第四种实施方式中，所述根据所述井筒稠油温度偏差，所述温度值和所述稠油温度设定值，基于pid控制方法确定所述抽油机的抽油杆的加热时长，包括：

根据所述井筒稠油温度偏差、所述温度值和所述稠油温度设定值，基于pid控制公式计算所述抽油机的抽油杆的加热时长，所述pid控制公式为：

其中，t为所述加热时长，kp、ki、kd为预设常数，t为当前采样周期的开始时刻到当前时刻的时长，tn为所述稠油温度设定值，tei为所述开始时刻到当前时刻的时间段内第i次测得的所述井筒稠油温度偏差，ti为所述开始时刻到当前时刻的时间段内第i次测得的所述温度值，k为当前时刻对应的测量次数，所述k为大于1的整数。

另一方面，提供了一种控制抽油杆加热的装置，所述装置包括：

温度测量模块，用于获取油井井口处稠油的温度值；

处理模块，用于当所述温度值小于最大预设稠油温度值，且大于稠油温度设定值时，获取所述油井的抽油机当前的平衡度和当前的最大载荷；

所述处理模块，还用于获取平衡度偏差，所述平衡度偏差为所述抽油机当前的平衡度与所述抽油机历史平衡度的差值；

所述处理模块，还用于获取最大载荷偏差，所述最大载荷偏差为所述抽油机当前的最大载荷与所述抽油机历史最大载荷的差值；

模糊控制模块，用于根据所述平衡度偏差和所述最大载荷偏差，基于模糊控制方法确定井筒内稠油温度偏差；

pid控制模块，用于根据所述井筒内稠油温度偏差、所述温度值和所述稠油温度设定值，基于比例-积分-微分pid控制方法确定所述抽油机的抽油杆的加热时长；

所述pid控制模块，还用于基于所述加热时长，控制所述抽油杆加热。

在第一种实施方式中，所述处理模块还用于：

当所述温度值大于或等于所述最大预设稠油温度值时，停止对所述抽油杆加热。

在第二种实施方式中，所述处理模块还用于：

当所述温度值小于或等于所述稠油温度设定值时，基于预设加热时长控制所述抽油杆加热。

在第三种实施方式中，所述模糊控制模块用于：

对所述最大载荷偏差和所述平衡度偏差进行模糊化处理；

利用模糊化处理后的所述最大载荷偏差和所述平衡度偏差，基于模糊控制规则得到模糊井筒稠油温度偏差；

对所述模糊井筒稠油温度偏差进行解模糊化处理，得到所述井筒稠油温度偏差。

在第四种实施方式中，所述pid控制模块用于：

根据所述井筒稠油温度偏差、所述温度值和所述稠油温度设定值，基于pid控制公式计算所述抽油机的抽油杆的加热时长，所述pid控制公式为：

其中，t为所述加热时长，kp、ki、kd为预设常数，t为当前

采样周期的开始时刻到当前时刻的时长，tn为所述稠油温度设定值，tei为所述开始时刻到当前时刻的时间段内第i次测得的所述井筒稠油温度偏差，ti为所述开始时刻到当前时刻的时间段内第i次测得的所述温度值，k为当前时刻对应的测量次数，所述k为大于1的整数。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过模糊控制方法和比例-积分-微分pid控制方法，基于油井井口处稠油温度、抽油机的最大载荷偏差、抽油机的平衡度偏差等控制抽油杆的加热，使得抽油杆加热时长的确定不依赖于技术人员的经验，保证了加热时长的准确性，从而保证了稠油的采收率，也避免了对电能造成浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的控制抽油杆加热的方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的控制抽油杆加热的方法的流程图。

图3是本发明实施例提供的控制抽油杆加热的装置300的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

请参考图1，其示出了本发明一个实施例提供的控制抽油杆加热的方法的流程图，该控制抽油杆加热的方法可以由本发明下文提供的控制抽油杆加热的装置执行。如图1所示，该控制抽油杆加热的方法可以包括以下步骤：

步骤101、获取油井井口处稠油的温度值。

步骤102、当该温度值小于最大预设稠油温度值，且大于稠油温度设定值时，获取该油井的抽油机当前的平衡度和当前的最大载荷。

步骤103、获取平衡度偏差，该平衡度偏差为该抽油机当前的平衡度与该抽油机历史平衡度的差值。

步骤104、获取最大载荷偏差，该最大载荷偏差为该抽油机当前的最大载荷与该抽油机历史最大载荷的差值。

步骤105、根据该平衡度偏差和该最大载荷偏差，基于模糊控制方法确定井筒内稠油温度偏差。

步骤106、根据该井筒内稠油温度偏差、该温度值和该稠油温度设定值，基于比例-积分-微分pid控制方法确定该抽油机的抽油杆的加热时长。

步骤107、基于该加热时长，控制该抽油杆加热。

综上所述，本实施例提供的控制抽油杆加热的方法，通过模糊控制方法和比例-积分-微分pid控制方法，基于油井井口处稠油温度、抽油机的最大载荷偏差、抽油机的平衡度偏差等控制抽油杆的加热，使得抽油杆加热时长的确定不依赖于技术人员的经验，保证了加热时长的准确性，从而保证了稠油的采收率，也避免了对电能造成浪费。

请参考图2，其示出了本发明一个实施例提供的控制抽油杆加热的方法的流程图，该控制抽油杆加热的方法可以由本发明下文提供的控制抽油杆加热的装置执行。如图2所示，该控制抽油杆加热的方法可以包括以下步骤：

步骤201、获取油井井口处稠油的温度值，当该温度值小于最大预设稠油温度值，且大于稠油温度设定值时，执行步骤202，当该温度值大于或等于该最大预设稠油温度值时，停止对该抽油杆加热，当该温度值小于或等于该稠油温度设定值时，基于预设加热时长控制该抽油杆加热。

实际应用中，油井井口处稠油的温度值可以间接反映油井井筒内稠油的温度，也即是可以间接反映油井井筒内稠油的粘度。因此，当油井井口处稠油的温度值过低，也即是小于或等于该稠油温度设定值时，说明井筒内稠油的粘度较大，这会严重影响稠油在抽油杆的带动下举升出井，此时，可以立即控制该抽油杆加热，并且设定一个较长的加热时长，也即是预设加热时长，以使井筒内稠油的粘度快速降低，保证稠油开采的正常进行。而当油井井口处稠油的温度过高，也即是大于或等于最大预设稠油温度值时，此时油井井筒内稠油的粘度较低，已经可以保证稠油正常举升出井，继续对抽油杆加热是对电能的浪费，此时，可以立即停止对该抽油杆进行加热。而当油井井口处稠油的温度值处于最大预设稠油温度值和稠油温度设定值之间时，需要适度加热，一方面保证稠油的粘度不至于过低从而影响稠油的正常开采，另一方面需要保证稠油的粘度不至于过高从而对电能造成浪费，为了达到上述目的，本发明可以执行下述步骤202至207，利用模糊控制和pid(proportion-integral-differentialcoefficient，比例-积分-微分)控制的二级控制方法，调节抽油杆的加热时长。

需要说明的是，上述最大预设稠油温度值、稠油温度设定值和预设加热时长可以由技术人员根据稠油的物理特性设定，本发明对此不做具体限定，其中，稠油温度设定值是理想的稠油温度值，也即是，在该稠油温度设定值下，稠油的粘度既能保证稠油的正常开采，又不至于过高对电能造成浪费。

步骤202、获取该油井的抽油机当前的平衡度和当前的最大载荷。

在实际应用中，当油井井筒内稠油粘度较高时，抽油机在将稠油举升出井筒的生产过程中需要耗费较多的电能，并且需要较大的载荷，而当油井井筒内稠油粘度较低时，抽油机在将稠油举升出井筒的生产过程中耗费较少的电能，并且需要的载荷也较少，因此，抽油机的平衡度和最大载荷可以直接反应井筒内稠油的粘度。因此，可以利用抽油机当前的平衡度和当前的最大载荷，获取井筒内稠油温度偏差，后续本发明可以根据该井筒内稠油温度偏差调节抽油杆的加热时长。

需要说明的是，抽油机的平衡度为抽油机上下冲程电动机的最大电流值的比值，而抽油机的最大载荷可以根据抽油机的示功图确定。

步骤203、获取平衡度偏差，该平衡度偏差为该抽油机当前的平衡度与该抽油机历史平衡度的差值。

抽油机历史平衡度指的是获取当前平衡度之前一次获取的抽油机的平衡度，该历史平衡度可以存储于本发明提供的控制抽油杆加热的装置中。本发明在后续步骤中可以根据上述平衡度偏差，基于模糊控制方法确定井筒内稠油温度偏差，并根据该井筒内稠油温度偏差调节抽油杆的加热时长。

步骤204、获取最大载荷偏差，该最大载荷偏差为该抽油机当前的最大载荷与该抽油机历史最大载荷的差值。

抽油机历史最大载荷指的是获取当前最大载荷之前一次获取的抽油机的最大载荷，该历史最大载荷可以存储于本发明提供的控制抽油杆加热的装置中。本发明在后续步骤中可以根据上述最大载荷偏差，基于模糊控制方法确定井筒内稠油温度偏差，并根据该井筒内稠油温度偏差调节抽油杆的加热时长。

步骤205、根据该平衡度偏差和该最大载荷偏差，基于模糊控制方法确定井筒内稠油温度偏差。

模糊控制是一种利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法，是一种针对不明确系统的控制方法。具体针对本发明而言，步骤205可以由以下技术过程实现：

a、对该最大载荷偏差和该平衡度偏差进行模糊化处理。

在模糊控制中，通常可以将各变量的论域设置为有限整数的离散论域，例如，在本发明的一个实施例中，上述最大载荷偏差的论域可以设置为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，平衡度偏差的论域可以设置为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。然而，在实际应用中，各变量通常是连续的，例如，在本发明的一个实施例中，最大载荷偏差的取值范围为[-100,100]，平衡度偏差的取值范围为[-120,120]，因此，需要将最大载荷偏差和平衡度偏差离散化。为了将其离散化，本发明可以引入最大载荷偏差和平衡度偏差的量化因子，其中，最大载荷偏差的量化因子其中，[xnmin,xnmax]为最大载荷偏差的取值范围，ynmax为最大载荷偏差的论域的最大值，ynmin为最大载荷偏差的论域的最小值，则根据上文所述的最大载荷偏差的论域和最大载荷偏差的取值范围，最大载荷偏差的量化因子为0.06，同理地，平衡度偏差的量化因子为其中，[ximin，ximax]为平衡度偏差的取值范围，yimax为平衡度偏差的论域的最大值，yimin为平衡度偏差的论域的最小值，则根据上文所述的平衡度偏差的论域和平衡度偏差的取值范围，平衡度偏差的量化因子为0.05。在实际应用中，本发明可以利用下述公式将最大载荷偏差和平衡度偏差离散化：

nk＝<kn×n>；

ik＝<ki×i>。

其中，n为离散前的最大载荷偏差，i为离散前的平衡度偏差，nk为离散后的最大载荷偏差，ik为离散后的平衡度偏差，<>为求整运算符。

而后，分别采用7个语言变量{nb(负方向偏大)，nm(负方向居中)，ns(负方向偏小)，zo(零)，ps(正方向偏小)，pm(正方向居中)，pb(正方向偏大)}来描述上述最大载荷偏差和平衡度偏差，需要说明的是，上述7个语言变量仅仅是示例性的，在实际应用中，技术人员可以设置任意数量的语言变量。

根据技术人员的控制经验，对于最大载荷偏差和平衡度偏差定义各个语言变量的隶属度，建立如表1和表2所示的隶属度赋值表。

表1

表2

其中，表1为最大载荷偏差的隶属度赋值表，表2为平衡度偏差的隶属度赋值表，需要说明的是，上述表1和表2仅仅是示例性的，其并不能限制本发明。

而后，根据上述隶属度赋值表将最大载荷偏差和平衡度偏差进行模糊化处理，例如，某一平衡度偏差经过离散化后其值为6，则查表2，发现其属于pb的隶属度最大，为1，则经过模糊化处理后的平衡度偏差为：

也即是，经过模糊化处理后的平衡度偏差可以用语言变量pb来表示，而语言变量pb对应的模糊集合为

b、利用模糊化处理后的该最大载荷偏差和该平衡度偏差，基于模糊控制规则得到模糊井筒稠油温度偏差。

在实际应用中，技术人员可以根据控制经验建立如表3所示的模糊控制规则表，需要说明的是，表3所示的模糊控制规则表仅仅是示例性的，其并不能限制本发明。

表3

其中，n为最大载荷偏差，i为平衡度偏差，u为输出变量，也即是井筒稠油温度偏差。上述模糊控制规则表中包含了多条模糊控制规则，例如，其中的一条模糊控制规则为“若最大载荷偏差为nb，且平衡度偏差为nb，则输出变量为nb”。而不失一般性地，上述模糊控制规则表的第i条模糊控制规则可以表示为“若最大载荷偏差为ai，且平衡度偏差为bi，则输出变量为ci”，其用数学语言可以表示为：

其中，为第i条模糊控制规则对应的模糊关系，为ai对应的模糊集合，为bi对应的模糊集合，为ci对应的模糊集合，×为模糊集合的直集运算符。由上可知，为了确定需要确定则与上述表1和表2类似的，技术人员还可以根据控制经验建立如表4所示的输出变量的隶属度赋值表，需要说明的是，表4仅仅是示例性的，其并不能限制本发明。

表4

模糊控制规则表中的n条模糊控制规则之间的逻辑关系是“或”，也即是“求并”的逻辑关系，则整个模糊控制规则表可以用下述数学语言描述：

其中，为整个模糊控制规则表对应的模糊关系，为模糊控制规则表中第i条模糊控制规则对应的模糊关系，u为模糊集合求并集运算符。

则基于上述整个模糊控制规则表对应的模糊关系，输出变量的模糊集合，也即是模糊井筒稠油温度偏差可以根据下述公式计算得到：

其中，为输出变量的模糊集合，为经过模糊化处理后的平衡度偏差对应的模糊集合，为经过模糊化处理后的最大载荷偏差对应的模糊集合，为模糊集合的合成运算符。

c、对该模糊井筒稠油温度偏差进行解模糊化处理，得到该井筒稠油温度偏差。

由上所述，在步骤b中得到的为输出变量的模糊集合，也即是模糊井筒稠油温度偏差为一个模糊集合，因此需要对其进行解模糊化处理，才能得到精确的井筒稠油温度偏差。在实际应用中，解模糊化处理的方法可以有许多种，如最大隶属度法，加权平均法等，本发明对此不作具体限定。

步骤206、根据该井筒稠油温度偏差，该温度值和该稠油温度设定值，基于pid控制公式计算该抽油机的抽油杆的加热时长，该pid控制公式为：

其中，t为该加热时长，kp、ki、kd为预设常数，t为当前采样周期的开始时刻到当前时刻的时长，tn为该稠油温度设定值，tei为该开始时刻到当前时刻的时间段内第i次测得的该井筒稠油温度偏差，ti为该开始时刻到当前时刻的时间段内第i次测得的该温度值，k为当前时刻对应的测量次数，该k为大于1的整数。

步骤207、基于该加热时长，控制该抽油杆加热。

综上所述，本实施例提供的控制抽油杆加热的方法，通过模糊控制方法和比例-积分-微分pid控制方法，基于油井井口处稠油温度、抽油机的最大载荷偏差、抽油机的平衡度偏差等控制抽油杆的加热，使得抽油杆加热时长的确定不依赖于技术人员的经验，保证了加热时长的准确性，从而保证了稠油的采收率，也避免了对电能造成浪费。

请参考图3，其示出了本发明一个实施例提供的控制抽油杆加热的装置300的框图。如图3所示，该控制抽油杆加热的装置包括温度测量模块301、处理模块302、模糊控制模块303和pid控制模块304。

该温度测量模块301，用于获取油井井口处稠油的温度值。

实际应用中，该温度测量模块301可以设置于油井井口处，该温度测量模块可以为热电偶等温度传感器。

该处理模块302，用于当该温度值小于最大预设稠油温度值，且大于稠油温度设定值时，获取该油井的抽油机当前的平衡度和当前的最大载荷。

该处理模块302，还用于获取平衡度偏差，该平衡度偏差为该抽油机当前的平衡度与该抽油机历史平衡度的差值。

该处理模块302，还用于获取最大载荷偏差，该最大载荷偏差为该抽油机当前的最大载荷与该抽油机历史最大载荷的差值。

实际应用中，该处理模块302可以为一单片机，该处理模块302可以基于抽油机电动机的电参量计算抽油机的平衡度，该处理模块302还可以通过获取抽油机的示功图的数据获取抽油机的最大载荷。

该模糊控制模块303，用于根据该平衡度偏差和该最大载荷偏差，基于模糊控制方法确定井筒内稠油温度偏差。

该pid控制模块304，用于根据该井筒内稠油温度偏差、该温度值和该稠油温度设定值，基于比例-积分-微分pid控制方法确定该抽油机的抽油杆的加热时长。

该pid控制模块304，还用于基于该加热时长，控制该抽油杆加热。

在本发明的一个实施例中，该处理模块302还用于：当该温度值大于或等于该最大预设稠油温度值时，停止对该抽油杆加热。

在本发明的一个实施例中，该处理模块302还用于：当该温度值小于或等于该稠油温度设定值时，基于预设加热时长控制该抽油杆加热。

在本发明的一个实施例中，该模糊控制模块303用于：对该最大载荷偏差和该平衡度偏差进行模糊化处理；利用模糊化处理后的该最大载荷偏差和该平衡度偏差，基于模糊控制规则得到模糊井筒稠油温度偏差；对该模糊井筒稠油温度偏差进行解模糊化处理，得到该井筒稠油温度偏差。

在本发明的一个实施例中，该pid控制模块304用于：根据该井筒稠油温度偏差、该温度值和该稠油温度设定值，基于pid控制公式计算该抽油机的抽油杆的加热时长，该pid控制公式为：

其中，t为该加热时长，kp、ki、kd为预设常数，t为当前采样周期的开始时刻到当前时刻的时长，tn为该稠油温度设定值，tei为该开始时刻到当前时刻的时间段内第i次测得的该井筒稠油温度偏差，ti为该开始时刻到当前时刻的时间段内第i次测得的该温度值，k为当前时刻对应的测量次数，该k为大于1的整数。

综上所述，本实施例提供的控制抽油杆加热的装置，通过模糊控制方法和比例-积分-微分pid控制方法，基于油井井口处稠油温度、抽油机的最大载荷偏差、抽油机的平衡度偏差等控制抽油杆的加热，使得抽油杆加热时长的确定不依赖于技术人员的经验，保证了加热时长的准确性，从而保证了稠油的采收率，也避免了对电能造成浪费。

需要说明的是：上述实施例提供的控制抽油杆加热的装置在控制抽油杆加热时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的控制抽油杆加热的装置与控制抽油杆加热的方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。