CN102305998B - 基于井下多参数实时监测的抽油机闭环控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于井下多参数实时监测的抽油机闭环控制方法及系统，该方法包括：A)采集井下多参数测试仪测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数；B)根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型，生成针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数；C)比较井下多参数测试仪测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数与针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数的综合误差值是否大于预设阈值；D)如果是，根据针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数调整抽油机的工作状态。本发明能够实时监测及调整抽油机的工作状态。
Description
技术领域
本发明是关于石油测井技术，特别是关于一种基于井下多参数实时监测的抽油机闭环控制方法及系统。
背景技术
目前，国内外油田普遍采用有杆抽油泵采油方式，由地面抽油机、抽油杆和井下抽油泵组成的有杆抽油系统是石油生产的耗电大户，约占总耗电总量的20%-30%。为了保证抽油机有足够的过载能力，通常电动机装机功率比较大，大都处于“大马拉小车”的工况下运行，造成能源的极大浪费。特别是当油井到了开采中后期，由于产量减少、液面低、液面不稳定，抽油机在工作中存在着不同程度的“泵空”和“干抽”情况，使得无效行程增加，抽油机的效率不能得到有效的利用，在开采过程中造成开采的电费成本居高不下，能源严重浪费。由于抽油机运动特性决定了无法随时改变抽油机的电流和功率，同时造成抽油杆、管磨损严重，增加了生产作业成本。
虽然目前变频调速技术在油田已经广泛应用，但是目前抽油机变频控制主要还是根据经验设定给定频率，使抽油机电机按给定频率工作，电机的输出特性比较硬，而且还不能根据油井的实时工作状态及抽油机负载特性来调节电机的输出转矩，有时还可能存在着发电状态等问题。
以有杆抽油泵采油方式为主的油井，在开发生产过程中，油井的温度、压力、含水率、动液面、套压及光杆悬点载荷等参数是重要的生产管理数据，目前油井含水率的测试主要采用的是井口人工取样化验的方法，测试结果不能及时、连续的反映油井整个生产过程的含水变化情况，同时增加了工人的劳动强度，当采用在线仪表进行测试时，受含气、间出（非满管流）等影响，误差较大。另外，油井动液面测试主要采用回声法进行，难以实现在线测试，而且受环空内“泡沫段”及井壁结蜡等因素的影响，测试误差较大（几十米到几百米不等），影响了对油井生产的正确评价。
因此，如何改变抽油泵长期处于低效做功的状态，减少低效甚至无效抽取，从而达到高效节能，减少维护成本，提高运行效率，降低机器损耗，增加抽油机的使用寿命的目的，已成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种基于井下多参数实时监测的抽油机闭环控制方法及系统，以实时监测及调整抽油机的工作状态。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于井下多参数实时监测的抽油机闭环控制方法，该抽油机闭环控制方法包括下列步骤：A）采集井下多参数测试仪测试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数；B）根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型，生成针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数；C）比较井下多参数测试仪测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数与针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数的综合误差值是否大于预设阈值；D）如果是，根据针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数调整抽油机的工作状态。
在步骤C）中，如果井下多参数测试仪测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数小于针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数的综合误差值，转到步骤A）。
在步骤B）中，根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型包括：利用最优化算法或者多参数神经网络算法，根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型。
为了实现上述目的，本发明还提供一种基于井下多参数实时监测的抽油机闭环控制系统，该抽油机闭环控制系统包括：
套管1；设于套管1中的托筒2、托筒接箍3、抽油泵4、电缆保护器5、油管6、抽油机7、地面的数据采集及控制装置10、井口装置17、单芯测井电缆19及测试井下温度、压力、含水率及动液面的井下多参数测试仪20；所述的地面的数据采集及控制装置10包括：数据采集控制装置，用于根据现场测试数据生成针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数，并比较井下多参数测试仪20测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数与所述数据采集控制装置生成的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数的综合误差值是否大于预设阈值；变频调速装置，用于当井下多参数测试仪20测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数与所述数据采集控制装置生成的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数的综合误差值大于预设阈值时，根据所述数据采集控制装置生成的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数调整抽油机的工作状态；其中，托筒2通过托筒接箍3连接于抽油泵4下端，井下多参数测试仪20悬挂固定在托筒2上；托筒接箍3上设有穿越单芯测井电缆19的通道，抽油泵4设于油管6下端；电缆保护器5螺纹连接在油管6上，电缆保护器5上设有在油管6外穿接捆绑所述单芯测井电缆19的通道；油管6及套管1的上部分别连接至地面的井口装置17，所述井口装置17上设有套压测试传感器18，所述套压测试传感器18通过信号线15连接到数据采集及控制装置10；单芯测井电缆19一端与油井多参数测试仪20连接，另一端通过井下信号传输线14连接至数据采集及控制装置10；抽油机7的抽油机电机8通过传输线9连接数据采集及控制装置10；井下多参数测试仪20包括：用于连接单芯测井电缆19的马龙头21、与托筒2连接的仪器悬挂部件22以及用来起到仪器扶正作用的金属片扶正器29及导锥30；井下多参数测试仪20外部为测试仪外壳35，测试仪外壳35为不锈钢外壳并涂有防腐涂层，测试仪外壳35加工成为液流提供通道的出液口27和进液口33；无铠测井电缆34直接与电路板25插接，无铠测井电缆34的引出线处采用双锥形密封圈23进行密封；温度传感器28、含水率传感器32和压力传感器33组成传感器组布置在电路板25同侧，电路板25与传感器组为金属密封圈26分隔，电路板25外部设有电路保护外壳24。
进一步地，所述的数据采集控制装置包括：数据采集单元，用于采集井下多参数测试仪20测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数；参数生成单元，用于根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型，生成针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数；参数比较单元，用于比较井下多参数测试仪20测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数与所述参数生成单元生成的参数的综合误差值是否大于预设阈值；指令发送单元，当井下多参数测试仪20测试的参数与所述参数生成单元生成的工作参数的综合误差值大于预设阈值时，向所述的变频调速装置发送抽油机工作状态调整指令。
进一步地，所述的抽油机工作参数包括：抽油机的电流。
进一步地，所述的参数生成单元包括：模型创建模块，用于利用最优化算法或者多参数神经网络算法，根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型；参数生成模块，用于根据所述的数据模型生成针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数。
本发明实施例的有益效果在于，在油田生产井中，可对套压、泵下温度、压力、含水率及动液面等多个参数的实时、在线监测，根据监测结果对抽油机运行状态实现闭环控制，减少泵的低效甚至无效抽取，使电机始终在最佳功率状态下运行，同时可达到降低机器损耗，增加抽油机的使用寿命的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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。在附图中：
图1为本发明实施例基于井下多参数实时监测的抽油机闭环控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例井下多参数测试仪的结构示意图；
图3为本发明实施例地面的数据采集及控制装置的结构框图；
图4为本发明实施例参数生成单元的结构框图；
图5为本发明实施例基于井下多参数实时监测的抽油机闭环控制方法流程图；
图6为本发明实施例抽油机闭环控制原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
图1为本发明实施例基于井下多参数实时监测的抽油机闭环控制系统的结构示意图，如图1所示，该抽油机闭环控制系统包括：
套管1；设于套管1中的托筒2、托筒接箍3、抽油泵4、电缆保护器5、油管6、抽油机7、地面的数据采集及控制装置10、井口装置17、单芯测井电缆19及测试井下温度、压力、含水率及动液面的井下多参数测试仪20。
其中，托筒2通过托筒接箍3连接于抽油泵4下端，并与抽油泵4一起下入丼中。井下多参数测试仪20通过仪器悬挂部件22如图2悬挂固定在托筒2上；托筒接箍3上设有穿越单芯测井电缆19的通道，抽油泵4设于油管6下端；电缆保护器5螺纹连接在油管6上，电缆保护器5上设有在油管6外穿接捆绑所述单芯测井电缆19的通道；油管6及套管1的上部分别连接至地面的井口装置17，所述井口装置17上设有套压测试传感器18，所述套压测试传感器18通过信号线15连接到数据采集及控制装置10；单芯测井电缆19一端与油井多参数测试仪20连接，另一端通过井下信号传输线14连接至数据采集及控制装置10；抽油机7的抽油机电机8通过传输线9连接数据采集及控制装置10；
如图2所示，井下多参数测试仪20包括：用于连接单芯测井电缆19的马龙头21、用来起到仪器扶正作用的金属片扶正器29及导锥30；井下多参数测试仪20外部为测试仪外壳35，测试仪外壳35为不锈钢外壳并涂有防腐涂层，测试仪外壳35加工成为液流提供通道的出液口27和进液口33；无铠测井电缆34直接与电路板25插接，无铠测井电缆34的引出线处采用双锥形密封圈23进行密封；温度传感器28、含水率传感器32和压力传感器33组成传感器组布置在电路板25同侧，电路板25与传感器组为金属密封圈26分隔，电路板25外部设有电路保护外壳24。另外，油井多参数测试仪20还可根据要求测试的参数布置其它功能的传感器和电路。
套压测试的信号通过信号线15传送到地面的数据采集及控制装置10中，结合多参数测试仪20中的温度传感器28、含水率传感器32和压力传感器33测得的套压、井下温度、压力、含水率信号及采用射线法、短波吸收法或同轴线相位法等常规的含水率测试方法测得的油井含水率信号进行处理、计算及分析，得到套压、泵下温度、压力、含水率及动液面数据，并可在数据采集及控制装置10中实时显示并进行存储。
动液面的计算遵循下面的方法：
P2=P1+ρvghv+ρlghl （1）
ρl=ρwCw+ρoCo （2）
hv=h-hl （3）
式中：P2——泵下实测压力，MPa；
P1——地面实测套压，MPa；
ρv——油套环空内天然气的密度，kg/m3；
hv——油套环空内天然气气柱高度，可看作动液面高度，m；
ρl——油套环空内油水混合液的密度，kg/m3；
hl——泵上油水混合液的液柱高度，m；
ρw——水的密度，kg/m3；
Cw——含水率，%；
ρo——原油的密度，kg/m3；
Co——原油在混合液中所占的百分比含量，kg/m3；
h——已知泵的悬挂深度，m；
g——重力加速度kg·m/s2。
如图1所示，所述的抽油机闭环控制系统还包括：上位机13及11，上位机13通过信号传输线12连接到数据采集及控制装置10，抽油机7的运行状态实时监测参数可以通过信号传输线12传到上位机13，实现远程动态检测。另外，无线通讯装置11与数据采集及控制装置10相连接，抽油机7的运行状态实时监测参数可以无线连接至远端监控计算机，也可以实现远程动态检测。
如图3所示，所述的地面的数据采集及控制装置10包括：数据采集控制装置100及变频调速装置200。
数据采集控制装置100用于根据多组现场测试数据生成针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数，并比较井下多参数测试仪20测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数与所述数据采集控制装置生成的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数的综合误差值是否大于预设阈值。
上述的多组现场测试数据为之前采油过程中通过井下多参数测试仪20测得大量测试数据。
变频调速装置200用于当井下多参数测试仪20测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数与所述数据采集控制装置生成的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数的综合误差值大于预设阈值时，根据所述数据采集控制装置生成的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数调整抽油机的工作状态，即调整抽油机的电流大小。
进一步，所述的数据采集控制装置10包括：数据采集单元101，存储单元102，参数生成单元103，参数比较单元104及指令发送单元105。
数据采集单元101用于采集井下多参数测试仪20测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数。
存储单元102用于存储采集的井下多参数测试仪20测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数。
参数生成单元103用于根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型，生成针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数。
参数比较单元104用于比较井下多参数测试仪20测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数与所述参数生成单元生成的参数的综合误差值是否大于预设阈值。
当井下多参数测试仪20测试的参数与所述参数生成单元生成的工作参数的综合误差值大于预设阈值时，指令发送单元105向所述的变频调速装置200发送抽油机工作状态调整指令。
进一步地，如图4所示，所述的参数生成单元103包括：模型创建模块401及参数生成模块402。用于利用最优化算法或者多参数神经网络算法，根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型；参数生成模块402用于根据所述的数据模型生成针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数。
如图5所示，本发明实施例还提供一种基于井下多参数实时监测的抽油机闭环控制方法，该抽油机闭环控制方法包括下列步骤：
S501：采集井下多参数测试仪测试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数。
S502：根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型，生成针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数，根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型具体可以包括：利用最优化算法或者多参数神经网络算法，根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型。
S503：比较井下多参数测试仪测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数与针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数的综合误差值是否大于预设阈值。
S504：如果是，根据针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数调整抽油机的工作状态，然后返回步骤S501。
具体实施时，在步骤S503中，如果井下多参数测试仪测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数小于针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数的综合误差值，转到步骤S501。所以，上述抽油机闭环控制方法为一个不断循环的过程，实现抽油机运行状态的实时监测及调整。
图6为本发明实施例抽油机闭环控制原理图，考虑到加载在抽油杆16上的载荷与不但与动液面高度有关，还与产出液的温度、含水率（这两个决定产出液的粘度）有直接关系，因此，闭环控制系统中采用动液面、温度、含水率作为闭环控制系统的设置参数，其综合误差的可由多参数神经网络模型通过优化计算给出。
本发明结合大量的现场测试数据（动液面、温度、压力、含水率及抽油机参数），通过采用最优化算法或多参数神经网络算法建立抽油机最佳工况的数据模型(多参数计算模型)，通过模型给出针对该油井最佳工作状况的动液面、温度、含水率及抽油机工作参数。
通过井下多参数测试仪20实测井下的实际温度、液面、含水率及地面抽油机工作参数，与设定最佳工作参数进行对比，综合误差小于，预设的阈值（该阈值根据具体工况而定，不再赘述），则保持抽油机的工作状态不变，否则调整抽油机的工作状态，并监测调整后的井下的实际温度、液面、含水率及地面抽油机工作参数，通过将井下多参数测试仪20实测井下的实际温度、液面、含水率及地面抽油机工作参数与设定最佳工作参数进行断对比，形成闭环控制系统。
井下多参数测试仪测得的温度、压力、含水率及动液面等参数输出后给地质工作人员进行地层评价提供参考依据。
本发明实施例的有益效果在于，在油田生产井中，可对套压、泵下温度、压力、含水率及动液面等多个参数的实时、在线监测，根据监测结果对抽油机运行状态实现闭环控制，减少泵的低效甚至无效抽取，使电机始终在最佳功率状态下运行，同时可达到降低机器损耗，增加抽油机的使用寿命的目的。本发明的基于井下多参数实时监测的抽油机闭环控制方法及系统为数字化油田建设奠定了基础，同时为稳油控水、挖潜增效提供数据支持，对重点区块油井产能建设及措施调整具有重要意义。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于井下多参数实时监测的抽油机闭环控制系统，其特征在于，所述的系统包括：
套管（1）；设于套管（1）中的托筒（2）、托筒接箍（3）、抽油泵（4）、电缆保护器（5）、油管（6）、抽油机（7）、地面的数据采集及控制装置（10）、井口装置（17）、单芯测井电缆（19）及测试井下温度、压力、含水率及动液面的井下多参数测试仪（20）；
所述的地面的数据采集及控制装置（10）包括：
数据采集控制装置，用于根据现场测试数据生成针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数，并比较井下多参数测试仪（20）测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数与所述数据采集控制装置生成的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数的综合误差值是否大于预设阈值；
变频调速装置，用于当井下多参数测试仪（20）测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数与所述数据采集控制装置生成的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数的综合误差值大于预设阈值时，根据所述数据采集控制装置生成的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数调整抽油机的工作状态；
其中，托筒（2）通过托筒接箍（3）连接于抽油泵（4）下端，井下多参数测试仪（20）悬挂固定在托筒（2）上；托筒接箍（3）上设有穿越单芯测井电缆（19）的通道，抽油泵（4）设于油管（6）下端；电缆保护器（5）螺纹连接在油管（6）上，电缆保护器（5）上设有在油管（6）外穿接捆绑所述单芯测井电缆（19）的通道；油管（6）及套管（1）的上部分别连接至地面的井口装置（17），所述井口装置（17）上设有套压测试传感器（18），所述套压测试传感器（18）通过信号线（15）连接到数据采集及控制装置（10）；单芯测井电缆（19）一端与油井多参数测试仪（20）连接，另一端通过井下信号传输线（14）连接至数据采集及控制装置（10）；抽油机（7）的抽油机电机（8）通过传输线（9）连接数据采集及控制装置（10）；
井下多参数测试仪（20）包括：用于连接单芯测井电缆（19）的马龙头（21）、用来起到仪器扶正作用的金属片扶正器（29）及导锥（30）；井下多参数测试仪（20）外部为测试仪外壳（35），测试仪外壳（35）为不锈钢外壳并涂有防腐涂层，测试仪外壳（35）加工成为液流提供通道的出液口（27）和进液口（33）；无铠测井电缆（34）直接与电路板（25）插接，无铠测井电缆（34）的引出线处采用双锥形密封圈（23）进行密封；温度传感器（28）、含水率传感器（32）和压力传感器（33）组成传感器组布置在电路板（25）同侧，电路板（25）与传感器组为金属密封圈（26）分隔，电路板（25）外部设有电路保护外壳（24）。
2.如权利要求1所述的抽油机闭环控制系统，其特征在于，所述的数据采集控制装置包括：
数据采集单元，用于采集井下多参数测试仪（20）测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数；
参数生成单元，用于根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型，生成针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数；
参数比较单元，用于比较井下多参数测试仪（20）测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数与所述参数生成单元生成的参数的综合误差值是否大于预设阈值；
指令发送单元，当井下多参数测试仪（20）测试的参数与所述参数生成单元生成的工作参数的综合误差值大于预设阈值时，向所述的变频调速装置发送抽油机工作状态调整指令。
3.如权利要求2所述的抽油机闭环控制系统，其特征在于，所述的参数生成单元包括：
模型创建模块，用于利用最优化算法或者多参数神经网络算法，根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型；
参数生成模块，用于根据所述的数据模型生成针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数。
4.如权利要求1所述的抽油机闭环控制系统，其特征在于，所述的抽油机闭环控制系统还包括：
上位机（13），通过信号传输线（12）连接到数据采集及控制装置（10）；
无线通讯装置（11），与数据采集及控制装置（10）相连接，用于无线连接至远端监控计算机。
5.一种基于井下多参数实时监测的抽油机闭环控制方法，其特征在于，所述的方法包括下列步骤：
A）采集井下多参数测试仪测试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数；
B）根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型，生成针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数；
C）比较井下多参数测试仪测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数与针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数的综合误差值是否大于预设阈值；
D）如果是，根据针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数调整抽油机的工作状态；
其中，在步骤C）中，如果井下多参数测试仪测试的井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数小于针对该抽油机最佳工况的试井下温度、压力、含水率、动液面及抽油机工作参数的综合误差值，转到步骤A）。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤B）中，根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型包括：利用最优化算法或者多参数神经网络算法，根据现场测试数据建立抽油机最佳工况的数据模型。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的抽油机工作参数包括：抽油机的电流。
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