CN101586458B - 一种节能增效系统 - Google Patents

Abstract

一种节能增效系统，包括井口测控、信道和井下测控三部分。其中，井口测控部分由泵况和井口多传感器采集插件、电力插件、DSP插件、检测插件、测控驱动及备用插件构成，各插件按工业标准设计，可后插拔6U标准全封闭铝合金结构机箱内，前后面板由MMI和底板组件连接成独立系统。信道部分和井下测控部分由智能井多参数测控传感器系统配套(另有专利)。系统将输出井和(或)注入井及井层系的多参数“井况”信息通过信道和井口测控信息融合在一起，使泵的“泵况”和“井况”经时空同步后显现在同一平台上。利用多传感器融合技术使“泵况”，“井况”与“工况”合并增产节能，自适应跟踪控制动力，实现油气单井和(或)局部采/注井的高效节能、经济运行。

Description

一种节能增效系统

技术领域：

本发明涉及一种节能增效系统，尤其是涉及一种油田输出和(或)注入井循环能效系统。该系统能实现以调频为基础的输出和(或)注入井的联合节能增产，经济可靠生产运行。

背景技术：

已知国内外积极推广的通用变频调速节电技术，节电率能达到10％-20％，他们是依据负载的大小来反馈调制电极的频率而节电的，至于负载的类型及有效性是不考虑的。而众所周知，抽提泵(螺杆泵)是油田广泛使用的非均衡动力系统，所采用的动力源是三相异步电机或多级电泵，存在效率低，不便调速，上下冲程不可调，功率因数低等弊端。通常改进节能的措施是参照已确定的电机参数，或采用改变频率(电机转速或传动比)，或电抗稳流，或平衡电压，谐波治理，降压等方法来改善电力的消耗，其中调频变速为首选，该技术不但能省电能，而且能使电机零电流起动，能有效的保护动力系统，理想状态下节电率也能到15％-25％，该技术在油田已广泛推荐应用。然而进一步分析效能比，特别是结合井口和井层系的参数分析，发现实际应得的产量并没有达到预期的效果，即干抽或抽高含水效益不大，这样，关注实际产能即采收率，进一步系统节能增效的措施将日趋紧迫，一种节能增效系统的提出，必须解决好下面几项措施。

1)通用调频节电向系统节电能转变。对抽提井或电泵井来说，他们属于不同的负载类型，运行于不同的“工况”。对抽油机来说，它属位(势)能负载，在整个冲次的某个阶段，电机会处于再发电状态而产生泵生电压，这部分再生能量必须进行处理，或回馈电网；而潜油电泵属变负载类型负载，即电机在起动时需较大转矩，而停止时则负荷很重。这时的电机则处于电(磁)能泄放状态，软停止对防止油下冲有明显的作用，油泵不会被打坏，对设备或电网也不会造成很大冲击，这部分再生能量反而非常有效。而采油是把产出(注入)井(层)作为特殊被控对象加以控制的，因此必须了解油田采注井(产出油井和注入井的统称)开采过程中表现出的“井况”特性。其中最主要的是时变性，由于油矿地质情况的复杂多变，概括起来有以下一些特点：(1)系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性；(2)系统滞后的未知性和时变性；(3)系统严重的非线性；(4)系统各变量间的关联性；(5)环境干扰的未知性、多样性和随机性。这些特性统称其为“井况”特性，它给机电控制带来了许多实际问题，如单纯依据负载大小来调节，势必造成其实际产能率普遍偏低。可见如能依据具体井的“井况”特性来调频节电，综合采用电机传动比，电抗稳流，平衡电压，谐波治理，降压等方法融合来改善电力的消耗，会比传统的单纯电机调频节电效果更好。

2)合理的“泵况”和“井况”状态能有效地降低采油成本和提高采注效益。分析电泵或抽油机等大惯量变化负载，采用传统的工作方式，即在采油工定期寻检下了解工作情况，往往因突发故障而难于控制，造成运行成本很高。主要原由有：(1)“井况”严重制约着“泵况”而非简单的负荷可控。由于大惯量负载有运行电流大，电力电缆的压降大，使电缆在生产过程中的反峰电压较高，电缆绝缘性能降低过快，长期运行会影响动力系统的使用寿命。况且采/注井一般位于电网末端，油区面积大，配电线缆长，输电的线缆损失不可忽视，加之每一口采/注井的参数都不一样，即使是同一口采/注，也因井内的多井层差异而不同，如也可能有水层、气层和油层之分，且瞬息万变，故在选配电机或电泵时，工程设计都留有足够的功率裕量。而在实际工作条件下，普遍存在着电动机负载率较低的情况，“大马拉小车”现象严重，造成电能的巨大浪费。(2)功率因数降低，耗电量大，工频工作时，电潜泵始终工作在额定转速下，如果井下液量供不应求，容易造成“死井”，损失惨重。(3)电动机与泵长期在在高压状态下运行，有时因油井出沙严重，使设备寿命缩短，特别是不能及时解决井下液量供不应求而造成“死井”事故。(4)传统的调节方式是靠更换油嘴来调节产量，这样不能精确的控制会造成能量的浪费。如能将正常运行的“泵况”和“井况”状态实时测控，展现在一个平台上决策，就能有效地降低采油成本和提高采注效益。

3)采注井合理的“工况”动态模型能有效地降低采油成本和提高采注效益。目前油田各采注井“工况”的参数的获取是采用定时、定点采集，使用的仪器有电流表、扭矩测试仪、压力表测试和液面探测仪等，得到的数据主要是人工进行分析，分析的可靠性比较差。而实际上大部分井的一些故障单纯凭一种参数很难准确诊断，一些突发故障或事件就更难把握了，这就需要一种适时和智能的方法来诊断，一方面提高故障诊断的符合率，另一方面能及时采取措施，将损失降到最低。如果能将井层和井口的数据同步检测，即将“泵况“和“井况”数据拟合出“工况”动态模型，并进行自适应跟踪调整，就更能有效地降低采油成本和提高采注效益，获得采收率的提升。

4)测量与保护诊断结合，降低或减少了采注的运营成本。抽提泵(螺杆泵)是油田广泛使用的采油设备，同其它大负载设备一样，如果使用不当或产品质量有问题，会出现一些故障。由于“井况”的特殊性，其各种故障的反映特征和诊断方法及处理措施与其它大负载设备不同。如常见的“工况”事故包括油杆断脱、油管严重漏失、泵严重漏失、蜡堵、转子脱离定子、卡泵和各种自然灾害影响等，都会造成很大的生产损失，将付出高昂的维修成本。而这些成本完全是可以降低或控制的。如采用预估、滤波和内插方法建立系统学习、自适应以及参数跟踪和调节功能，实现信息充分综合利用，挖掘尽可能的节能潜力，让系统长期可靠平稳经济运行是完全可能的。

发明内容：

上述几项措施地解决，可以通过一种节能增效系统来完成，更具体地说，她是通过一种油田输出和(或)注入井循环能效系统来完成。

这里可以将一种油田输出和(或)注入井简称为采注井，也可以推广理解为非油田具有注入换取更好地输出效力的一种动力生产模型或工具的节能增效或降耗措施。泵况、井况和工况是某时刻的工作状态描述，它可以用一些参数来描述或表示，但在工作中不局限于现有的描述或表示，可能会有点、曲线或多维图版来代替。油气水，可以理解为原油、水和天然气，也可以理解为其他类型的液体、气体和水。在专利叙述中，具体陈述的目标和优点，从介绍来看，部分是显而易见的，或者通过实践本发明可以学会或发现，可以通过在所附的权利要求书中所特别指出的一些手段，措施和组合，来实现和获得本发明的目的和优点的都属本专利涉及和保护的内容。下面具体说明：

本发明的目的是要提供一种节能增效系统，该系统能将现有的“泵况”信息和“井况”信息融合并优化“工况”曲线，达到既能降低生产运营成本又能优于现有的节能措施，实现高效节能的目标，其特征在于包括：如图1表示，井口“泵况”测控(100)插件、信道(200)线缆和井下测控多传感器系统(300)三部分。其中，井口测控部分(100)也是本发明专利的保护核心内容，它由多传感器采集插件(110)、电力插件(120)、DSP插件(130)、检测与驱动插件(140)构成，各插件按工业级标准设计，可后插拔于6U标准全封闭铝合金结构机箱内，前后面板由MMI(150)和底板(160)组件连接成独立系统。井下测控多传感器系统(300)负责将采注井及井层系的“井况”信息通过信道电缆和井口测控装置采集的井口“井况”与“泵况”综合在一起，由DSP预处理器进行时空校准，然后由DSP及其软件使变频调速、谐波治理、动态跟踪、网络监控、诊断保护等多种目标来建立并优化“工况”，使泵的工作状况即“泵况”，“井况”与“工况”合并增产节能，自适应跟踪控制动力，实现油气单井和(或)局部采/注井的高效节能、经济运行。其中，信道(200)和井下测控(300)则由“一种多传感器系统”(另一专利)来配套完成，它主要反映井及井层“工况”特征的油气或水层温度、压力，流量、持水率(相浓度)等“井况”特性和井口的载荷、扭矩、产量等“井”以及变频和回馈保护相关参数的“泵况”结合起来系统优化控制，避免了单一节电模式的不足，同时有效地降低了采油和注水的成本。既提高了采油效益，也提高了采油生产系统的自动化性能及网络监控、管理能力。

基于节能增效系统的目的，在井口测控部分(100)使用参数辨识技术建立“工况”模型。在原油气开采过程中，初期采油气一般依靠地底压力让原油自喷而出；此后由于地下压力减小，不得不向地下注水将油驱出，称二次采油。在二次采油工艺中，引入调频节能技术，其基于建立频率响应函数的负荷测量模型，它要求对实际动力结构井及井层施加一组可控、可观的注入压力激励，同时测取其产出响应参量之一的负荷，通过输入输出数据辨识电泵动力学特性，实施调频节能。当前，中国多数油田处于二次采油晚期，每百吨采出液体中，含水量高达95％，综合原油采收率只有30％多一些，60％多的石油仍然留在地下无法采出。于是在实际开采中多数已采用的是三次采油，即采用从地面注入各种驱油介质-各种化学物质、溶剂、热载体、等物理化学方法等进行生产，其采收率约为50％--70％。这种以开采二次采油阶段剩余为目标所采取的各种增加原油产量的措施，包括各种物理及化学驱油措施。其意义更加广泛，动力结构更加复杂，如还包括单井吞吐、近井地带处理以及水平井开采技术应用等。该阶段必须采用以实验模态分析技术作为结构动力学反问题研究的主要手段，来控制开采，如聚合物驱油气技术是隶属于三次采油阶段的″提高采收率″技术中的一种强化采油工艺技术，通常是在水驱开发基础上的，改善水驱，是向地层注入高粘度的聚合物溶液来大大降低流度比、扩大波及体积、提高驱油效率从而提高采收率的驱油工艺。然而，实施遇到的困难是，研究对象及井层或者无法施加人工激励；或者人工激励代价昂贵或有破坏性；或者结构在工作状态下自身承受的环境激励不可测控。由此提出了只在响应可测的条件下对结构动力学参数辨识的测控问题，称为“工况模态分析。在实际工作状况(工况)下，实测的响应更能够真实地反映井结构本身的固有特征、边界条件及环境载荷特性，与主动控制、系统监测和设备保护诊断等调频节能工程应用直接相关。所以，以“工况”模态分析技术来真正获得“泵况”和“井况”运行条件下的特征参数，并优化改进“工况”模型，获得更高的测控辨识参数精度和稳定性，是本专利的基础方法。如图2，设定三次开采的产能系统一般可以分成产出、用电耗能、转储三个部分，产出部分一般由产出井及其井层多级输出层组成，各层特性是间歇脉动的；转储部分是多个并联的油、气、水储罐，其中油、气是产出部分，水等注入介质是可以循环转储的，也是受控的，其特性是稳定均衡的，它可以作为系统的缓冲调节，重复使用；用电耗能部分是指产油、注水介质等动力系统及消耗，通用设备用电特性是稳定的；根据产能平衡原理，可以建立产能，消耗、转储三者关系的数学模型如下：P(t)＝η₁P_e(t)+η₂dP_a(t)/dt..(1)式(1)中：P(t)-某井单位日采吨油(方气)消耗总电量，单位KW/日，P_e(t)-为某井单位日正常采吨原油(方气)产量的电力消耗，KW/日；P_a(t)——某井采用节能后单位日采注水循环流量而消耗的电能，KW/日；η1——每度电的单位日产能系数，其含义是每1KW/日吨的电能，能够供出的原油(气)的产量，T(方)/日，主要与电力调频节能有，即“泵况”有关；η2——每度电的单位日无用产能系数，其含义是转注储罐水等介质所消耗的1KW/日吨电能，或供出的原油(气)产量后节省的电能，单位1KW/日.吨。其中供出的原油(气)产量的多少，与流量，流体成分持率(浓度)等“井况”和储罐的容积有关。如对式(1)积分后有：

${\∫}_{t_0}^{t}P\left(t\right)\mathrm{dt}={\mathrm{\η}}_1{\∫}_{t_0}^{t}E\left(t\right)\mathrm{dt}+{\mathrm{\η}}_2[P_a\left(t\right)\mathrm{dt}-P_a\left(t_0\right)]..\left(2\right)$

其中，式(1)表示该系统的瞬时关系，式(2)表示该系统的节能累积效果关系。该“工况”模型反映了电力调频及综合节能的效果，依据“工况”模型，辩识“泵况”和“井况”参数，合理地控制“泵况”和“井况”，结合水等介质转储消耗电能的变化趋势预报产油(气)的供应“工况”是处于过剩状态还是不足状态，为产出平衡系统的调度指挥提供参考，让采注系统“三况合一”，满足间歇脉动的瞬变特性，既可以减少多产出水造成的资源浪费，又可以避免因为产液量过低给生产带来的影响，实现实实在在的节能。上述的瞬间“工况”参量和累积效果，就能系统地描述采注井及层系的输出和注入产量及消耗轨迹，引入人为的决策嗜好就可以完成高效节能的目的。表现在井口、井层系参数的量值的实时检测，及时发现动力运行故障，并快速排除，缩短油井故障处理时间，提高开井时率，提高原油产量；实现采注井的变频闭环调节，合理匹配抽吸参数，提高系统效率；实现电力功率因素智能补偿，提高功率因数，降低能耗等。

基于节能增效目的，其特征在于井口测控(100)使用参数辨识技术建立关于井口及井层系“井况”参数的描述。图3表示一个油藏三维立体网格模型，它代表油田采注井及其井层的通用“井况”微观模型，假定流体流入该网格后，又从另一面流出。流体在x(Jx)处流入网格，在位置x+Δx(Jx+Δx)流出网格。符号J表示流体流量，定义为与流动方向相垂直的单位横截面积的质量流动速率，本图是x方向。由质量守恒：流出网格的质量-流入网格的质量＝网格块内累积的质量，则有：

[(J_x)_xΔyΔz+(J_y)_yΔxΔz+(J_z)_zΔxΔy]Δt-

[(J_x)_x+ΔxΔyΔz+(J_y)_y+ΔyΔxΔz+(J_z)_z+ΔzΔyΔx]Δt

-qΔxΔyΔzΔt＝[(C_p)_t+Δt-(C_p)_t]ΔxΔyΔz..(3)

请注意上述公式中的q，它表示一个源/汇项，代表一口注入井(源)或生产井(汇)。当为输出井时，q＞0，若为注入井，则q＜0.在时间段Δt内，网格块中P相浓度(C_p)的变化就是网格块内质量的累积。假定Cp为油藏网格块中p相(油，水或气)总质量除以网格体积，则可得到累积项的表达式；[(C_p)_t+Δt-(C_p)_t]ΔxΔyΔzΔt..(4)

将方程(3)-(4)带入质量守恒方程得到：

$\frac{{\left(J_x\right)}_{x+\mathrm{\Δx}}-{\left(J_x\right)}_x}{\mathrm{\Δx}}-\frac{{\left(J_y\right)}_{y+\mathrm{\Δy}}-{\left(J_y\right)}_y}{\mathrm{\Δy}}-\frac{{\left(J_z\right)}_{z+\mathrm{\Δz}}-{\left(J_z\right)}_z}{\mathrm{\Δz}}-q=\frac{{\left(C_p\right)}_{t+\mathrm{\Δt}}-{\left(C_p\right)}_t}{\mathrm{\Δt}}..\left(5\right)$

当Δx、Δy、Δz和Δt趋于无穷小时，用连续性方程表示(5)式得：

$-\frac{{\∂J}_x}{\∂x}-\frac{{\∂J}_y}{\∂y}-\frac{{\∂J}_z}{\∂z}-q=\frac{{\∂C}_p}{\∂t}..\left(6\right)$

方程(6)为各相通用公式，即将P替换为油，水和气相，则分别得到它们各自的质量守恒方程，对油、水、气分别测控出守恒方程的流量和浓度，将得到它们的流动方程。而井口和(或)井层系测控到的源/汇项流量、压力、温度、各相浓度及密度，就能很好地描述采注井及层系的输出和注入能力及效果。掌握了“井况”参数，也就掌握了预期提高采收率的蓝图，而测控也由定性判断转入了定量测控，动力效果将由“泵况”来体现。

基于节能增效的目的，其特征在于井口测控部分(100)使用参数辨识技术建立关于“泵况”参数描述。根据电机转速公式：n＝60f(1-s)/p可知，电机转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0-50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽，变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，进而决定转矩轨迹而实现动力产能的控制。只要采用变频调速控制后，控制系统可根据系统转矩负荷变化及时改变输入电机的电流和电压，降低电机输入功率，调整电机的转速，使电机处于经济负荷下运行，达到节电的目的。而井口和(或)“泵况”测控到的载荷、位移、张力、相电压、相电流及零序电压和电流等就能很好地描述泵况的运行参数。采用交-直-交(直)方式，把工频交流电源通过三相桥式可控整流、中间直流环节等转换成直流电源，然后再把直流电源经IGBT三相桥式逆变或由DSP直接输出PWM波形，将频率、电压均可控制的交流功率电源供给电动机，完成动力运行。中间直流环节的作用为滤波、直流储能和缓冲无功功率。如图4，由DSP插件控制的泵况控制图。由位移检测传感器获得的位置信号和预测轨迹(144)的信息经DSP控制单元(140)变换，输出PWM信号到死区控制单元(145)，驱动单元(146)和H型功率输出(147)到电机，直流伺服电机(148)，和位置反馈(149)完成位移检测，其中DSP(140)控制单元还同时完成PID调节(141)，PWM脉宽调制输出(143)，以及A/D转换，而预测轨迹信息(144)则直接由存储器中调用。

基于节能增效目的，采用“泵况”测控(110)，“井况”编解码(140)等多传感器原始数据的获得与校准，以实现精准控制。如图5，包括：泵况传感器(210)，井况传感器(230)，井口传感器(2N)；泵况传感器跟踪(220)，井况传感器跟踪(240)，井口传感器跟踪(2N+10)，信道(200)，时空校准(132)，参数关联(136)，特征融合(138)。其中，“泵况”(110)，“井况”(140)等多传感器分置于地面和井下，距离几千公里，其首要解决的是数据可靠，测量准确；为此，本专利提出了参数对象参照拓扑，这一特征利用了测控参数的群体结构化信息，对系统中的各种不确定性有着固有的反作用能力新特征，建立了一种模仿人工判别的转矩关联算法。然后采用了一种具有动态缩放系数的稳健状态向量融合方法来实现传感器的误差修正即跟踪(210、22、230)。这样解决局部传感器的系统偏差对多传感器融合系统的影响。解决了系统中的单传感器偏差的充分校准。否则，个体信息无法成为关联判决的可靠依据。这一功能通常在融合中心的时空校准模块中(132)中实现。其次，经过时空校正后，即多传感器数据在经过时空校准后仍存在较大的系统偏差，将会对后续的测控关联造成影响；这时通过实时质量控制法、最小二乘法等，无差别对待所有关联轨迹信息。采用对象参照拓扑，将对象之间的结构化信息抽象成一种模式即转矩负荷关联(136)，利用模糊模式识别的基本知识刻画出参数对象之间的相似度，有效地抑制跟踪融合系统中各偏差对对象关联的影响，完成多传感器原始数据的获得与转矩负荷的轨迹跟踪融合即转矩融合(138)，实现精准控制。

基于节能增效系统，其特征在于“泵况”，“井况”等多传感器数据经DSP插件(130)嵌入式软件实现自适应融合工况的轨迹跟踪与优化，其特征包括如图6，传感器数据采集131，一级融合(132)，二级融合(133)，三级融合(124)，数据库系统(135)，人机接口MMI(160)，四级融合(136)，泵况，井况参数确认(138)。其中，一级融合(132)也称象素级(Pixel-lever)融合，直接融合传感器采集数据(131)，当多传感器数据是同类同性质的(例如，当两个传感器对相同的参数进行检测测时，比如采用了两个压力传感器或两个流量传感器)，那么，可以将传感器的源始数据(raw data)直接融合。采用经典的状态估计方法融合，如Kalman滤波。二级(133)、三级(134)融合为特征级(Feature-lever)融合，对经过一级融合(132)后的传感器数据的特征矢量进行提取并与数据库系统(135)进行融合，主要采用模式识别技术中的模糊聚类方法，人工神经网络等。该过程对传感器数据的特征提取后，有效降低了状态空间的维数，实现了可观的信息压缩，并且提取的特征直接与数据库系统(135)，人机接口MMI(160)决策分析有关，因此特征级融合结果可以最大限度地给出决策所需的特征信息。本系统数据融合均在这个层次上展开。四级融合为决策级(Decision-lever)融合，该级是高层次的融合，它对传感器已经得出的工况初步结果进行信息的合并处理，得出最终的融合结果，为指挥控制决策提供依据。该过程采用的主要方法：经典推理理论，Bayesian推理方法、Dempster-Shafer证据理论、加权决策方法(投票法)等，进入泵况，井况参数确认(138)后。人机接口MMI(160)将转为正常的状态监测，同时也建立了自适应跟踪体系，完成增效节能的闭环控制目的。

具体实施方式：

以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。本项目采用的是智能节能调频技术措施，它优化了油田的采油泵和注水泵的工作效率与井的工作状况(井况)的关系。用软件实现模糊数学的算法运算，精准发出控制指令，改变变频器的运行曲线或提高变频器的性能；还可以及时控制井口或井内的阀、封隔器、喷水嘴等执行器。既提高了节电率，也增加了原油的产能，使油田单位产能在原来的基础上得以提高，节能率可达30％以上。

本项目产品系统设计包括井下部分，地面井口节能测控装置和信道电缆三部分。1)依据多年从事生产开发石油井下多参数仪器的技术和生产能力的基础，将已成熟应用于高温(125度)高压(60MPa)井下的温度、压力，流量等参数检测技术和本公司自主开发的微波雷达持水率检测传感器技术结合，开发出井下智能多参数传感器系统。2)地面井口节能测控装置是本项目产品的核心部分。主要完成变频，电机及井口传感器的信号检测和控制，井下多参数信号的编解码和供电；如检测电机的工作电流、电压或功率等泵况信息，光杆扭矩，张力等参数，同时解码恢复井下或井下地层的多参数“井况数据”；能完全实现多个参数测试，同步测试或延时转存“井况”等多参数值；配置有光纤通道、以太网接口，RS232接口等，能及时将检测数据全部送入固定装置内或车载计算机中处理；还设置有构成快速动作的调频、保护和控制继电器。由于该装置处于地面，获得的井下原始数据信息量大、可靠性高、对应性好，经过处理能后能自动显示出“泵况”信息，井况信息，如油井的套压、油压、回压，流压，流量，持水或持气率等数据，给出“井况”的多条曲线来分析井的合理工作状况，并直接显示最佳“井况”和诊断结论。3)通过软件将泵况、工况及井况等综合参量有机地结合，经模糊数学理论等算法得出优化产出和注入方案，供现场工作调度或直接控制。

基于上述节能增效的目的，制造出一种物理结构的电气装置。采用工业全屏蔽机箱，规格：233.35×160，后视：左侧距：5.08+2.54，右侧距5.08；底板尺寸：174.1＝160+12.1+2。各电路模块依总线不出PCB板，用后背四插件底版连接，包括：AC插件(110)、DSP插件(130)、电力插件Power(120)和检测驱动插件MD(140)。后插拔的结构模式上，前面板设置人机对话操作MMI(150)，底板(160)提供各接插件的信号通道；后面板设置各种采集、通讯、输入/输出接口。各插件的规格分别为：AC插件宽度为5×10.16＝50.8；DSP插件宽度为3×10.16；M+D插件宽度为3×10.16；Power插件宽度为4×10.16。各插件上的端子分布为：AC插件用自短接结构方式，CT电流按7组输入设计，PT电压按5组设计；DSP插件用1个凤凰端子，型号为ME050-508-18和以太口(RJ45)，MD插件用两个凤凰端子型号为ME050-508-18；Power插件用一个凤凰端子，型号为ME050-508-10；ME050-508-4(可追外加PT)；一个开关。

基于上述节能增效的目的，制造出一种物理结构的DSP插件(130)，采用TMS320F2812数字信号处理器。利用其先进的内部和外设结构使得该处理器特别适合各插件协调、电器及其运动状态测控，实现了高效节能的软硬件结合。它将检测与驱动插件(140)送入的“井况”和“泵况”测控信息经时空同步后与“井况”信息融合，形成“三况合一”，再结合GPS(110)同步及调频-馈电等功能去实现产能和电能的合理决策。同时，通过人机接口插件(MMI)建立专家决策系统，实现实时的最优控制。

基于上述节能增效的目的，制造出一种物理结构的井口多传感器采集插件(110)，该插件采用稳健的机动目标跟踪方法。该方法以实时的目标机动性信息为依据，人为地在融合中心引入非均匀采样的异步数据，从而在带宽受限的多传感器系统中实现了对机动目标的精确跟踪。

基于上述节能增效的目的，制造出一种物理结构的电力插件(120)，它负责系统和井下多传感器部分的电源支持和电力PT，CT参数的检测；检测与驱动插件(140)，完成井下多传感器信息的编解码，并将“井况”、“泵况”检测传感器和执行器的测控信息经预处理后送入DSP插件(130)的时空校准预处理，作为动力控制的驱动接口去调整电机的工作状况和功率驱动。人机接口插件MMI(150)，提供了人机操作的平台和状态显示，底板组件(160)提供了井口测控系统的内部接口通道，让内部测控总线不出系统，提高系统可靠性。

附图说明：

图1为一种油田输出和(或)注入井循环能效系统；

图2为本发明的产能系统示意图；

图3为本发明专利的油藏三维立体网格模图；

图4为本发明DSP控制示意图；

图5为本发明多传感器融合校准流程示意图；

图6为自适应融合多传感器系统流程示意图；

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

首先，见图1所示：以项目以经济、实用、简捷为原则，将复杂的产出问题归结到电力的消耗层面，以保障多出油，出好油。通过监测泵况的参量变化而判断油井的动态产液量；由井况的各相持率决定工况的有效产量；如泵的转矩特征与理想动产液状态下的转矩特征不一致，系统将自动的根据动态产液状态而提高或减低冲次；当发现产液中水含量接近或超过运营控制成本时，可以实现慢抽或不抽。其次优化系统的工作结构，让支出和收益同在一个平台上实现，产油或用电自行决策。减少手动操作，人工运算；延长系统工作寿命，降低运营成本；接着从设计产品自身出发，以低电压，低功耗，低成本着力，让系统节能贯穿始终。通过适度的速度控制模式，完美的实现动能和势能的转化，如泵可以更深的放入井中，可以增加冲程长度，增加产量，提高效益；最后促进油田数字化，为油田网络化提供了坚实的硬件基础。项目的研发成功将对采油泵站的安全、稳定、经济运行起到促进作用，具有非常积极的现实意义和较高的社会经济效益。

其次，实现井口测控部分(100)的各插件功能，该井口装置按工业级标准设计，机箱采用标准6U型、后插拔、大面板、全封闭铝合金结构机箱。具有防振，防尘、防潮、防有害气体、防电磁干扰能力强，所有芯片采用军品或工业品，可稳定工作在-25℃～55℃范围内。装置由电压、电流、载荷、扭矩等泵况采集插件、IGBT检测与驱动插件、DSP插件、井况测控插件、电源插件以及MMI组件等组成。根据配置不同，可以续加配置1个或多个DSP插件。对外端子：交流电流采用带短路环的插接端子，光纤接口采用FC连接方式，其它端子均采用菲尼克斯端子。内部端子采用德国HT接插件。

(1)硬件主要指标：采用DSP技术构建硬件平台，实现数据的快速采集和处理。模拟量：16路高速同步采样400点/周波，数据采样速率不低于320kHz；采样精度为16位，模拟量输入范围为±5V，采样精度±4LSB。存储器：在DSP中配置，外部RAM：256K×32b，外部FLASH：256K×16b，开入量采集：由DSP完成，提高分辩率，16路光电隔离，带瞬态干扰抑制保护输入通道，采用防高电压、强电磁干扰的硬件措施：光电隔离，隔离电压不小于2500V。驱动口：16路，24V输出，光电隔离，隔离电压不小于2500V，分辨率不大于1ms，硬件软件相结合，做到硬件故障时可靠闭锁出口。上电手动复位，上电闭锁所有出口。设计硬件看门狗，周期可调整(不大于10ms)。在程序出错时，保证10ms内自动复归运行。

(2)算法：装置硬件设计完全标准化、模块化，生产、调试、维护一方便为准。内嵌软件编程模块化，组态灵活方便。特别采用新型的自适应融合算法，快速地提取电力系统运行的特征量，确保软件能在20ms内响应并驱动。软件设有自检功能，在DSP硬件平台上就可以完成节能效果评估和算法验证。

(3)系统软件

在原有开发的智能多参数标检软件基础上实现节能增效的升级版本。主要完成：(1)实现精准控制。本软件容易实现综合各种测试资料及有关地质资料，通过取长补短，互相补充，互相印证，最后熔合为一体，实现全面整体的油藏地质动态描述的目的。能大大地提高测试资料的信息利用率，使得油藏动态分析人员准确和及时地认识油藏动态。(2)实现动态输送。本软件具有强大的远程图表、数据、信息发布功能。本系统总体结构设计为多层B/S结构：即根据目前实际的网络和单机环境，在Windows NT Server4.0中文版以上版本的网络操作系统环境，微机操作系统为Windows95/98中文版；为了兼顾现状、考虑发展及推广，本系统以标准格式的Oracle库为基础。采用高档微机为人机交互前端，完成动、静态数据获取、数据组织管理、区块动态参数计算、图形表现、统计分析处理、结果显示和输出、结果发布等功能。(3)广播数据资料。发布油田开发过程中的测试资料(试井资料、吸水剖面测试资料和出油剖面测试资料)的各种图形及表格数据，以及原始测试曲线、解释成果图表，通过企业网以WWW或B/S方式进行发布，使领导和有关部门随时查阅生产数据、提高工作效率，保证资料的一致性和准确性，迅速、准确地掌握第一手材料，并能充分利用数据库集成的优势，随时根据需要找出诸如含水变化过大、产量降低的区块、井组和单井，分析用的参考数据、图形等配合使用，便于分析，减少在查找相应资料所花的时间和精力。分析包括：1)区块动态分析；2)井组动态分；2)单井动态分析；3)层位动态分析。(4)本系统主要包括以下几种类型的图形和数据表。1)区块动态参数平面分布等值图绘制动态参数等值分布图有平均地层压力、流动系数、小层有效厚度、渗透率等参数的平面等值分布图。2)区块井点参数分布图绘制某年某月的日注入量、日产出液量、含水率、表皮系数、流压和地层压力等参数的平面分布图。3)井组栅状动态图绘制井组栅状动态图并附加有产液剖面和注入剖面成果，综合表现井组的各小层的连通和动用状况等。以立体图形标出各层段的连通情况，标出井号、各小层注入百分量和各小层的产出量。并给井点动态参数表。4)环空井温组合测井成果图在同一图上绘制某一次原始的环空找水测试和井温测试解释成果图表，并标出井号、测试日期、深度、自然电位和射孔井段等数据。5)环空找水解释成果对比图在同一图上绘制历次环空找水测试数据，标出井号、测试日期和深度等数据；6)井温测井曲线解释成果对比图在同一图上绘制历次井温、微差数据，标出井号、测试日期和磁定位等数据。7)同位素吸水剖面解释成果图在同一图上绘制某一次测试的同位素、磁定位、相对吸水百分数、有效厚度、渗透率、深度、自然伽玛曲线、自然电位和射孔井段等数据。8)同位素吸水剖面解释曲线对比图在同一图上绘制历次的吸水层位、同位素曲线、管柱曲线，并标有井号和测试日期。9)单井试井分析成果报告发布五图二表，绘制五种基本的单井试井分析成果图(历史拟合图、无因次霍纳图、双对数拟合图、MDH分析图和霍纳分析图)，井的基本参数和压力时间测试数据表以及试井解释成果表。10)试井解释成果报表。绘制某一时期的多口井的试井解释成果汇总报表。11)井径曲线对比图在同一图上绘制管柱曲线和历次的井径曲线，并标有井号和测试日期。12)磁定位数据表。

Claims (1)

1.一种油田节能增效的方法，其特征在于包括：井口测控(100)、信道(200)和井下测控(300)三部分，其中，井口测控部分(100)由多传感器采集插件(110)、电力插件(120)、DSP插件(130)、检测与驱动插件(140)构成，各插件按工业级标准设计，可后插拔于6U标准全封闭铝合金结构机箱内，前后面板由MMI(150)和底板(160)组件连接成独立系统，主要完成“泵况”及井口测控和系统组织节能增效工作，信道部分(200)和井下测控部分由智能井多参数测控传感器系统(300)配套，负责准确可靠地提供井层系当前的“井况”信息，如流量、压力、温度、各相浓度及密度等，由信道(200)送入，检测与驱动插件(140)完成编解码DSP插件(130)将输出井和/或注入井口及井层系的多参数“井况”信息通过信道和“泵况”测控信息融合在一起，使泵的“泵况”和“井况”经时空同步后显现在同一平台的液晶和／或后台集控站，软件利用多传感器融合技术使“泵况”，“井况”与“工况”合并增产节能，自适应跟踪控制动力，实现油气单井和／或局部采／注井的高效节能、经济运行，各插件对外有测控接口，根据指令可以完成各种测控任务，其中人机接口插件(MMI)和中央处理器完成有/无线通讯、光钎或电缆接入，实现远程连接并协同油田网络工作，井口测控(100)使用参数辨识技术建立“工况”模型建立产能，消耗、转储三者关系的数学模型如下：

P(t)=η₁P_e(t)+η₂dP_a(t)／dt......(1)

式(1)中：P(t)-某井单位日采吨油/方气消耗总电量，单位KW／日，P_e(t)-某井单位日正常采吨原油／方气产量的电力消耗，单位是KW／日；P_a(t)--某井采用节能后单位日采注水循环流量而消耗的电能，单位是KW／日；η1--每度电的单位日产能系数，其含义是每1KW／日吨的电能，能够供出的原油／气的产量，单位是方日，主要与电力调频节能有关，即“泵况”有关；η2--每度电的单位日无用产能系数，其含义是转注储罐水等介质所消耗的1KW／日吨电能，或供出的原油／气产量后节省的电能，单位KW／日.吨，对式(1)积分后有：

${\∫}_{t_0}^{t}P\left(t\right)\mathrm{dt}={\mathrm{\η}}_1{\∫}_{t_0}^{t}E\left(t\right)\mathrm{dt}+{\mathrm{\η}}_2[P_a\left(t\right)\mathrm{dt}-P_a\left(t_0\right)]--\left(2\right)$

其中，式(1)表示该系统的瞬时关系，式(2)表示该系统的节能累积效果关系，依据“工况”模型，辩识“泵况”和“井况”参数，合理地控制“泵况”和“井况”，结合水等介质转储消耗电能的变化趋势预报产油/气的供应“工况”是处于过剩状态还是不足状态，为产出平衡系统的调度指挥提供参考，采用交-直-交／直方式，把工频交流电源通过三相桥式可控整流、中间直流环节等转换成直流电源，然后再把直流电源经IGBT三相桥式逆变或由DSP直接输出PWM波形，将频率、电压均可控制的交流功率电源供给电动机，完成动力运行，中间直流环节的作用为滤波、直流储能和缓冲无功功率，由位移检测传感器获得的位置信号和预测轨迹(144)的信息经DSP控制单元(140)变换，输出PWM信号到死区控制单元(145)，驱动单元(146)和H型功率输出(147)到电机，直流伺服电机(148)，和位置反馈(149)完成位移检测，其中DSP(140)控制单元还同时完成PID调节(141)，PWM脉宽调制输出(143)，以及A／D转换，而预测轨迹信息(144)则直接从存储器中调用，采用“泵况”测控(110)，“井况”编解码(140)等多传感器原始数据的获得与校准，以实现精准控制，包括：泵况传感器(210)，井况传感器(230)，井口传感器(2N)；泵况传感器跟踪(220)，井况传感器跟踪(240)，井口传感器跟踪，信道(200)，时空校准(132)，转矩负荷关联(136)，转矩融合(138)，“泵况”(110)，“井况”(140)等多传感器分置于地面和井下，距离几千公里，“泵况”，“井况”等多传感器数据经DSP插件(130)嵌入式软件实现自适应融合工况的轨迹跟踪与优化，包括传感器数据采集(131)，一级融合(132)，二级融合(133)，三级融合(124)，数据库系统(135)，人机接口MMI(160)，四级融合(136)，泵况，井况参数确认(138)，其中，一级融合(132)也称象素级(Pixel-lever)融合，直接融合传感器采集数据(131)，当多传感器数据是同类同性质时，可以将传感器的源始数据直接融合，采用经典的状态估计方法融合，二级(133)、三级(134)融合为特征级融合，对经过一级融合(132)后的传感器数据的特征矢量进行提取并与数据库系统(135)进行融合，主要采用模式识别技术中的模糊聚类方法，人工神经网络等，该过程对传感器数据的特征提取后，有效降低了状态空间的维数，实现了可观的信息压缩，并且提取的特征直接与数据库系统(135)，人机接口MMI(160)决策分析有关，因此特征级融合结果可以最大限度地给出决策所需的特征信息，本系统数据融合均在这个层次上展开，四级融合为决策级融合，该级是高层次的融合，它对传感器已经得出的工况初步结果进行信息的合并处理，得出最终的融合结果，为指挥控制决策提供依据，该过程采用的主要方法：经典推理理论，Bayesian推理方法、Dempster-Shafer证据理论、加权决策方法／投票法等，进入泵况井况参数确认(138)后，人机接口MMI(160)将转为正常的状态监测，同时也建立了自适应跟踪体系，完成增效节能的闭环控制目的。

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