CN106948796A - 一种抽油机不停机间抽控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抽油机不停机间抽控制装置，包括依次电连接的控制器、变频器、电动机和抽油机，所述控制器上设置有电参采集模块，所述电动机上设置有转速传感器，所述抽油机上设置有载荷传感器、位移传感器和曲柄位置传感器，该发明对于低液量、间歇出液井，根据实际出液情况给出最合理的控制方法，满足油井的供产协调，实现了精细化控制，提高油井系统运行效率，降低能耗，实现井场自动、安全、无人值守间抽运行，解决了现场人工间抽管理难度大、费时费力的问题。
Description
技术领域
本发明涉及机采系统数字化设备领域，具体涉及一种抽油机不停机间抽控制装置及方法。
背景技术
长庆油田属典型的“三低”油田，低产井较多，截至2014年底，日产液小于1.2m3的油井1万口，占总开井数22.2％。由于受油藏低孔低渗特征及地层原始压力等的影响，低产低效油井储层物性差地层能量不足，使得油层渗流能力较小；低产低效油井一般液量小，压力恢复缓慢，续流时间长，流体渗流速度小，导致其液面以稳定缓慢的速度恢复；另外，如果油井连续开抽，流体液面会快速降低至一定值，其沉没度趋近于零，供液能力小，泵效极低，通常小于10％，致使泵筒长时间处于干磨状态。针对这部分井，通常根据动液面恢复情况，建立相应合理的间开制度，使油井实施间开生产，这样对于降低机采系统耗电量，提高机采效率具有重要的意义。
但油井远程自动间抽控制存在一定问题：一是液面波动较大，影响产量。目前间抽井动液面波动范围一般控制在100～200米，经过现场试验，影响产量在10％以内，动液面波动范围控制越小产量影响越小。二是易造成井筒结蜡过载卡井，抽油杆上下往复运动防止油管内结蜡，油井抽吸的过程也是刮蜡的过程，停抽后容易在油管内壁结蜡。三是存在安全隐患，抽油机停止工作再次启动时，设备自动运转容易造成人员和牲畜的伤害。
发明内容
本发明的目的是克服油井远程自动间抽控制存在的问题，提供一种抽油机不停机间抽控制装置及方法。
本发明的技术方案是提供了一种抽油机不停机间抽控制装置，包括依次电连接的控制器、变频器、电动机和抽油机，所述控制器上设置有电参采集模块，所述电动机上设置有转速传感器，所述抽油机上设置有载荷传感器、位移传感器和曲柄位置传感器。
所述电参采集模块用于采集控制器输入端的三相电流、电压、有功功率的电参数据并发送给控制器。
所述载荷传感器安装于抽油机的悬绳器和方卡子之间。
所述位移传感器安装于抽油机的游梁下方。
所述曲柄位置传感器安装于抽油机的曲柄位置上。
所述转速传感器、载荷传感器、位移传感器和曲柄位置传感器都与控制器之间通过无线传输数据。
一种抽油机不停机间抽控制方法，至少包括以下步骤：
步骤1)根据油井产液量情况，判断油井一天累计停抽时长；
步骤2)初步以半小时为一个抽油机工作周期，根据步骤1)得到的油井一天累计停抽时长占24小时的比例，计算抽油机运行时间及摆动时间，初始在控制器(1)上设定抽油机(4)的运行时间及摆动时间各为15分钟；
步骤3)通过载荷传感器、位移传感器以及曲柄位置传感器采集抽油机载荷、位移及曲柄位置数据并传递给控制器(1)，确定抽油机运行时间及摆动时间；
步骤4)判断光杆示功图充满度，即抽油机的有效冲程占实际冲程的比例，当示功图充满度小于限定值，抽油机(4)开始摆动运行，根据设定的摆动时间摆动完毕之后，抽油机(4)正常启动运行，同时对比光杆示功图充满度是否达到限定值，当光杆示功图充满度小于限定值时，调整摆动时间，控制抽油机(4)继续摆动运行，待下一次抽油机(4)启动运行，再对比光杆示功图充满度是否达到限定值，直到抽油机(4)正常启动运行时，光杆示功图充满度大于限定值，得到抽油机(4)的初始运行时间及摆动时间；
步骤5)抽油机(4)运行三天后对比产液量变化，如果产液量变化小于5％，则工作制度不变，如果产液量变化大于5％，增加抽油机(4)正常运行时间1分钟，减少摆动运行时间1分钟，以此类推，直到产液量变化小于5％，得到抽油机(4)的最终运行时间及摆动时间。
所述步骤1)中的判断方法如下：
当油井产量≤t/d时，油井一天累计停抽时长为小时；
当油井产量为t/d～.t/d时，油井一天累计停抽时长小时；
当油井产量为.t/d～t/d时，油井一天累计停抽时长小时。
所述步骤4)中光杆示功图充满度是指抽油机的有效冲程占实际冲程的比例，其计算方法如下：
(a)将光杆示功图转化为对应的载荷-时间曲线y＝f(t)；
(b)计算
其中，tj∈{t0+0.1,t0+0.2,......t0+0.1M}
j＝1,2,…,M
M＝10n
n为抽油机摆动总时间，取整数；
(c)根据(b)得到的最大值找到tj与tj-1时间对应的位移差，即为有效冲程，求有效冲程占实际冲程的比即可得到光杆示功图充满度。
所述步骤4)和步骤5)中，当抽油机处于抽油状态时，通过控制器和变频器改变电动机转速来调节电动机的输出功率，降低高功率区的转速以降低输出功率、提高低功率区的转速以提高输出功率，实现对电动机输出功率和输出扭矩的重新分布，使电动机功率趋于平稳；当抽油机处于摆动状态时，根据控制器得到的光杆示功图数据判断冲程损失，由冲程损失大小决定光杆最大运动距离，得到曲柄最大摆动位置，实时调整电动机运行速度。
本发明的有益效果：
本发明的这种抽油机不停机间抽控制装置及方法对于低液量、间歇出液井，根据实际出液情况给出最合理的控制方法，满足油井的供产协调，实现了精细化控制，提高油井系统运行效率，降低能耗，实现井场自动、安全、无人值守间抽运行，解决了现场人工间抽管理难度大、费时费力的问题。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明抽油机不停机间抽控制装置的结构示意图；
图2是本发明一个周期电机转速和功率的初始状态曲线图；
图3是本发明电机转速和功率实现目标状态的曲线图；
图4是本发明抽油机的载荷-时间曲线；
图5是本发明抽油机的光杆示功图。
附图标记说明：1、控制器；2、变频器；3、电动机；4、抽油机；5、电参采集模块；6、转速传感器；7、载荷传感器；8、位移传感器；9、曲柄位置传感器。
具体实施方式
实施例1：
为了克服油井远程自动间抽控制存在的问题，本实施例提供了一种如图1所示的抽油机不停机间抽控制装置，包括依次电连接的控制器1、变频器2、电动机3和抽油机4，所述控制器1上设置有电参采集模块5，所述电动机3上设置有转速传感器6，所述抽油机4上设置有载荷传感器7、位移传感器8和曲柄位置传感器9。
本发明提供的这种抽油机不停机间抽控制装置的工作原理如下：
转速传感器6、载荷传感器7、位移传感器8和曲柄位置传感器9通过无线传输将电动机转速及抽油机的载荷、位移、曲柄位置数据发送给控制器，同时电参采集模块5采集控制器1输入端的三相电流、电压、有功功率的电参数据并发送给控制器1，实现对抽油机4运转状态监控，控制器1根据这些数据进行分析计算，自适应调整油井抽吸和不停机摆动的工作制度，计算电动机3运行及停止时间、电机转速、转速ω分布和电流频率f分布，并将参数发送给变频器2，变频器2通过控制电流频率、工作时间等控制电动机3运行，达到控制抽油机4工作制度的目的。
本发明的这种抽油机不停机间抽控制装置实现了精细化控制，提高油井系统运行效率，降低能耗，实现井场自动、安全、无人值守间抽运行，解决了现场人工间抽管理难度大、费时费力的问题。
进一步的，为了保证数据精确，所述载荷传感器7安装于抽油机4的悬绳器和方卡子之间。所述位移传感器8安装于抽油机4的游梁下方。所述曲柄位置传感器9安装于抽油机4的曲柄位置上。
实施例2：
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种抽油机不停机间抽控制方法，对于低液量、间歇出液井，根据实际出液情况给出最合理的控制方法，满足油井的供产协调，至少包括以下步骤：
步骤1)根据油井产液量情况，判断油井一天累计停抽时长；
当油井产量≤1t/d时，油井一天累计停抽时长为12小时；
当油井产量为1t/d～1.5t/d时，油井一天累计停抽时长8小时；
当油井产量为1.5t/d～2t/d时，油井一天累计停抽时长6小时。
步骤2)初步以半小时为一个抽油机工作周期，根据步骤1)得到的油井一天累计停抽时长占24小时的比例，确定抽油机运行时间及摆动时间，比如，当油井一天累计停抽时长为12小时，初始在控制器1上设定抽油机4的运行时间及摆动时间各为15分钟；当油井一天累计停抽时长为8小时，初始在控制器1上设定抽油机4的运行时间为20分钟，摆动时间为10分钟；当油井一天累计停抽时长为6小时，初始在控制器1上设定抽油机4的运行时间为22.5分钟，摆动时间为7.5分钟；
步骤3)通过载荷传感器、位移传感器以及曲柄位置传感器采集抽油机载荷、位移及曲柄位置数据并传递给控制器1，确定抽油机运行时间及摆动时间；
步骤4)判断光杆示功图充满度，即抽油机的有效冲程占实际冲程的比例，当示功图充满度小于限定值，抽油机4开始摆动运行，根据设定的摆动时间摆动完毕之后，抽油机4正常启动运行，同时对比光杆示功图充满度是否达到限定值，当光杆示功图充满度小于限定值时，调整摆动时间，控制抽油机4继续摆动运行，待下一次抽油机4启动运行，再对比光杆示功图充满度是否达到限定值，直到抽油机4正常启动运行时，光杆示功图充满度大于限定值，得到抽油机4的初始运行时间及摆动时间；
如图4和图5所示，所述光杆示功图充满度是指抽油机的有效冲程占实际冲程的比例，其计算方法如下：
(a)将光杆示功图转化为对应的载荷-时间曲线y＝f(t)；
(b)计算
其中，tj∈{t0+0.1,t0+0.2,......t0+0.1M}
j＝1,2,…,M
M＝10n
n为抽油机摆动总时间，取整数；
(c)根据(b)得到的最大值找到tj与tj-1时间对应的位移差，即为有效冲程，求有效冲程占实际冲程的比即可得到光杆示功图充满度。
为避免在整个区间上找点易出错且影响计算速度，需要先对泵功图进行分区，将阀开启点的区域缩小，以0.1为时间间隔,总时间为整数n，计算载荷-时间关系曲线斜率的变化量最大值，即为游动阀开闭点，可归为非线性无约束最优化问题。
步骤5)抽油机4运行三天后对比产液量变化，如果产液量变化小于5％，则工作制度不变，如果产液量变化大于5％，增加抽油机4正常运行时间1分钟，减少摆动运行时间1分钟，以此类推，直到产液量变化小于5％，得到抽油机4的最终运行时间及摆动时间。
进一步的，所述步骤4)和步骤5)中，当抽油机4处于抽油状态时，通过控制器1和变频器2改变电动机3转速来调节电动机3的输出功率，降低高功率区的转速以降低输出功率、提高低功率区的转速以提高输出功率，实现对电动机3输出功率和输出扭矩的重新分布，使电动机3功率趋于平稳；
给定抽油机4冲次，通过对电机速度控制开展功率电机的输出转矩取决于被驱动负荷的大小和平衡扭矩大小，而负荷的大小取决于抽油机井下工况，在井下工况确定时，先跟踪一个周期电机转速和功率的初始状态曲线，见图2，通过改变电机转速来调节电机的输出功率，降低高功率区的转速以降低输出功率、提高低功率区的转速以提高输出功率，实现对电机输出功率和输出扭矩的重新分布，使电机功率趋于平稳，平直且绝对值低，达到“削峰填谷”的目的，即实现目标状态曲线，见图3，这是电机达到节能的核心。
根据电机输出功率P分布和电机输出轴转速分布，可计算得到，计算电机负载扭矩Tm分布。控制器根据电机负载扭矩和设定冲次n，计算电机转速ω分布和电流频率f分布。变频装置通过控制电流频率优化电机瞬时转速，实现“变转速、衡功率”运行。
当抽油机4处于摆动状态时，根据控制器1得到的光杆示功图数据判断冲程损失，由冲程损失大小决定光杆最大运动距离，得到曲柄最大摆动位置，实时调整电动机3运行速度。
实施例3：
本实施例提供了一种抽油机不停机间抽控制方法：
首先根据油井产液量情况，判断油井属于以下哪种情况：
当油井产量≤1t/d时，累计停抽时长为12小时；
当油井产量1t/d～1.5t/d时，累计停抽时长8小时；
当油井产量1.5t/d～2t/d时，累计停抽时长6小时。
以产液量小于1t/d为例，需累计停抽时长为12小时，以半小时为一个周期，开井15分钟，摆动15分钟。给定初始状态值开井15分钟，摆动15分钟，通过判断光杆示功图充满度，当示功图充满度小于限定值(参数可调)，如充满度小于70％时，抽油机开始摆动运行，15分钟后，抽油机正常启动运行，同时对比光杆示功图充满度是否达到70％，小于70％时，继续摆动运行，根据前后两次充满度预测液面恢复速度，调整摆动时间，待下一次抽油机启动运行，当正常运行15分钟后，示功图充满度仍然大于70％时，摆动运行15分钟，正常运行15分钟。运行三天后对比产液量变化，如果小于5％，则工作制度不变，如果大于5％，增加正常运行时间1分钟，减少摆动运行时间1分钟，时间调整为开井16分钟，摆动14分钟，以此类推。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种抽油机不停机间抽控制装置，其特征在于：包括依次电连接的控制器(1)、变频器(2)、电动机(3)和抽油机(4)，所述控制器(1)上设置有电参采集模块(5)，所述电动机(3)上设置有转速传感器(6)，所述抽油机(4)上设置有载荷传感器(7)、位移传感器(8)和曲柄位置传感器(9)。
2.如权利要求1所述的抽油机不停机间抽控制装置，其特征在于：所述电参采集模块(5)用于采集控制器(1)输入端的三相电流、电压、有功功率的电参数据并发送给控制器(1)。
3.如权利要求1所述的抽油机不停机间抽控制装置，其特征在于：所述载荷传感器(7)安装于抽油机(4)的悬绳器和方卡子之间。
4.如权利要求1所述的抽油机不停机间抽控制装置，其特征在于：所述位移传感器(8)安装于抽油机(4)的游梁下方。
5.如权利要求1所述的抽油机不停机间抽控制装置，其特征在于：所述曲柄位置传感器(9)安装于抽油机(4)的曲柄位置上。
6.如权利要求1所述的抽油机不停机间抽控制装置，其特征在于：所述转速传感器(6)、载荷传感器(7)、位移传感器(8)和曲柄位置传感器(9)都与控制器(1)之间通过无线传输数据。
7.一种抽油机不停机间抽控制方法，其特征在于：至少包括以下步骤：
步骤1)根据油井产液量情况，判断油井一天累计停抽时长；
步骤2)初步以半小时为一个抽油机工作周期，根据步骤1)得到的油井一天累计停抽时长占24小时的比例，确定抽油机运行时间及摆动时间；
步骤3)通过载荷传感器、位移传感器以及曲柄位置传感器采集抽油机载荷、位移及曲柄位置数据并传递给控制器(1)，得到载荷与时间、位移与时间曲线，进而得到井口光杆示功图；
步骤4)判断光杆示功图充满度，当示功图充满度小于限定值，抽油机(4)开始摆动运行，根据设定的摆动时间摆动完毕之后，抽油机(4)正常启动运行，同时对比光杆示功图充满度是否达到限定值，当光杆示功图充满度小于限定值时，调整摆动时间，控制抽油机(4)继续摆动运行，待下一次抽油机(4)启动运行，再对比光杆示功图充满度是否达到限定值，直到抽油机(4)正常启动运行时，光杆示功图充满度大于限定值，得到抽油机(4)的初始运行时间及摆动时间；
步骤5)抽油机(4)运行三天后对比产液量变化，如果产液量变化小于5％，则工作制度不变，如果产液量变化大于5％，增加抽油机(4)正常运行时间1分钟，减少摆动运行时间1分钟，以此类推，直到产液量变化小于5％，得到抽油机(4)的最终运行时间及摆动时间。
8.如权利要求7所述的抽油机不停机间抽控制方法，其特征在于：所述步骤1)中的判断方法如下：
当油井产量≤1t/d时，油井一天累计停抽时长为12小时；
当油井产量为1t/d～1.5t/d时，油井一天累计停抽时长8小时；
当油井产量为1.5t/d～2t/d时，油井一天累计停抽时长6小时。
9.如权利要求7所述的抽油机不停机间抽控制方法，其特征在于：所述步骤4)中光杆示功图充满度是指抽油机的有效冲程占实际冲程的比例，其计算方法如下：
(a)将光杆示功图转化为对应的载荷-时间曲线y＝f(t)；
(b)计算
其中，tj∈{t0+0.1,t0+0.2,......t0+0.1M}
j＝1,2,…,M
M＝10n
n为抽油机摆动总时间，取整数；
(c)根据(b)得到的最大值找到tj与tj-1时间对应的位移差，即为有效冲程，求有效冲程占实际冲程的比即可得到光杆示功图充满度。
10.如权利要求7所述的抽油机不停机间抽控制方法，其特征在于：所述步骤4)和步骤5)中，当抽油机(4)处于抽油状态时，通过控制器(1)和变频器(2)改变电动机(3)转速来调节电动机(3)的输出功率，降低高功率区的转速以降低输出功率、提高低功率区的转速以提高输出功率，实现对电动机(3)输出功率和输出扭矩的重新分布，使电动机(3)功率趋于平稳；当抽油机(4)处于摆动状态时，根据控制器(1)得到的光杆示功图数据判断冲程损失，由冲程损失大小决定光杆最大运动距离，得到曲柄最大摆动位置，实时调整电动机(3)运行速度。
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