CN109870902A - 基于冲程比和动态控制图的油井最大产量模式控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于冲程比和动态控制图的油井最大产量模式控制方法。通过对油井地面功图进行分析，计算油井有效冲程，分析冲程比变化情况，在泵效尽量高的前提下，维持抽油机以较低频率运行，即以高泵效、低能耗为原则，设计油井智能优化变频方案，并结合油井动态控制图评价结果对变频控制策略进行修正，使油井保持合理最大产量模式生产。传统变频控制模式下，抽油机井变频控制仍以人工决策为主的，难以实现抽油井的实时调节，本发明采用基于功图冲程比和油井动态控制图的抽油机井智能变频控制方法对油井进行实时优化调控，在最大限度发挥油藏潜力的同时对油井进行变频优化控制，降低采油能耗、提高系统效率，实现油田生产降本增效的目的。

Description

基于冲程比和动态控制图的油井最大产量模式控制方法

技术领域

本发明涉及油田抽油机井生产模式智能控制领域，具体地说是一种基于功图冲程比和油井动态控制图的抽油机井合理最大产量模式智能优化变频控制方法。

背景技术

随着油田开发的不断深入，油井产能降低，系统效率也不断下降，我国油田绝大部分油井为抽油机井，大多存在泵效底下的问题，特别是对于低产井则更为严重，系统运行效率低下导致巨大的能源浪费，增加了油田采油成本。随着抽油机技术的发展，自动化程度不断提高，变频控制技术在采油工程中逐步应用，但抽油机频率的调节仍以人工决策为主。近年来，随着油田智能化程度越来越高，对油井智能优化控制的要求更加迫切。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于功图冲程比和油井动态控制图的抽油机井合理最大产量模式智能优化变频控制方法。

通过对油井地面功图进行分析，计算油井有效冲程，分析冲程比变化情况，在泵效尽量高的前提下，维持抽油机以较低频率运行，即以高泵效、低能耗为原则，设计油井智能优化变频方案，并结合油井动态控制图评价结果对变频控制策略进行修正，使油井保持合理最大产量模式生产。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于冲程比和动态控制图的油井最大产量模式控制方法，包括以下步骤：

1)通过示功图数据分析，采用五点曲率法计算抽油井有效冲程；

2)根据有效冲程计算冲程比：

3)计算功图冲程比率K，对K值进行判断：

(1)若1-a≤K≤1+a，则认为本次示功图与上一次相比，冲程比没有发生改变，读取调节状态值，并对抽油机进行调频控制；其中a为冲程比率临界值；

(2)若K≤1-a，则认为，本次示功图与上一次相比，功图冲程比变小，此时读取调节状态值；并对抽油机进行调频控制；

(3)若K≥1+a，则认为，本次功图比与上一次相比，功图冲程比变大，此时读取调节状态值，并对抽油机进行调频控制；

所述通过示功图数据分析，采用五点曲率法计算抽油井有效冲程，具体步骤如下：

(1)对示功图数据进行均值滤波：

其中，S_i′为示功图位移点原始数据；F′为示功图载荷点原始数据；S_i为均值滤波处理后示功图位移值；F_j为均值滤波处理后示功图载荷值；m为滤波阶数；

(2)数据归一化：

s_i＝(S_i-S_min)/(S_max-S_min)

f_j＝(F_j-F_min)/(F_max-F_min)

S_min为位移点最小值，S_max为位移点最大值；F_min为载荷点最小值，F_max为载荷点最大值，s_i为归一化处理后位移值，f_j为归一化处理后载荷值；

(3)计算曲率：

示功图曲线上任意一点的曲率根据相邻的五个点P_i-2(s_i-2,f_i-2),P_i-1(s_i-1,f_i-1),P_i(s_i,f_i),P_i+1(s_i+1,f_i+1),P_i+2(s_i+2,f_i+2)间的几何关系得到：

K_i＝Δθ_i/Δl_i

其中，

(4)计算曲率变化量δK_i＝|K_i+1-K_i|；

曲率变化量最大点δK_i'＝(δK_i-1+δK_i+δK_i+1)/3；

(5)计算有效冲程：

通过对示功图分区，求取各区曲率变化量最大点，进而得到示功图的四个拐点，得到有效冲程。

所述根据有效冲程计算冲程比包括以下步骤：

冲程比i＝S_y/S_g；S_y为有效冲程，S_g为光杆冲程；

判断冲程比是否大于0；

若不大于0，则表示该功图数据错误，结束本次流程；

若大于0，则继续判断记录的上次功图冲程比是否大于0；若上次冲程比不大于0，则将上次功图冲程比记录改写为本次计算冲程比，结束本次流程；若上次冲程比大于0，则继续流程。

步骤(1)中，对抽油机进行调频控制具体如下：

若调节状态为0，即降频时，冲程比没有变化，则认为本次降频没有继续增加泵效，泵效已经达到最大值，此时，将电源频率上调一次，回到本次变频之前的状态，同时将调节状态值置1，即保持上次频率生产；

若调节状态为1，即在维持频率生产时，功图冲程比未改变，此时不进行任何变频处理，继续维持该频率生产，调节状态仍然为1；

若调节状态为2，即在升频时，功图冲程比未改变，此时认为升频幅度暂未完全开发油层供液能力，功图还未出现供液不足的情况，需继续升频，即将电源频率调高一次，同时将调节状态置2。

步骤(2)中，对抽油机进行调频控制具体如下：

若调节状态为0，即降频时功图冲程比变小，此时认为不符合客观规律，需报警，同时不进行变频处理，将调节状态置1；

若调节状态为1，即维持频率生产时，功图冲程比变小，此时意味着油层供液下降，需降频生产，即将电源频率下调一次，同时将调节状态置0；

若调节状态为2，即电源频率升高时，功图冲程比变小，停止继续提高电源频率，并将电源频率减小一次，回到上一次调整前的频率，维持生产，将调节状态置1。

步骤(3)中，对抽油机进行调频控制具体如下：

若调节状态为0，即电源频率降低时，功图冲程比变大，则认为随着油井冲次降低，油井泵效增加，此时暂未到达最大泵效，需继续降频，即将电源频率降低一次，同时，调节状态置0；

若调节状态为1，即在维持频率生产时，功图冲程比变大，则认为油层供液增加，需调高频率，即将电源频率升高一次，同时，调节状态置2；

若调节状态为2，即电源频率上升时，功图冲程比变大，此时认为不符合客观规律，需报警，同时不进行变频处理，将调节状态置1。

所述对变频结果进行修正具体为：采用动态控制图并读取此时的运行频率，对变频结果进行修正：

其中，f表示当前变频器频率，f_min表示抽油井电机允许最小频率，f_max表示抽油井电机允许最大频率。

所述对油井进行变频控制之后，对调节状态进行判定，判定调节状态是否为1，即保持；

若否，则将平衡判定指数N归0；若是，则将平衡判定指数N值加1；

再判定平衡判定指数N是否达到平衡判定阈值H；

若否，结束本次流程；若是，即认为变频已达到平衡状态，此时降频一次，以打破平衡，同时将平衡判定指数N归0，将调节状态置0，本次流程结束；等待下一循环。

本发明具有以下有益效果及优点：

1、油井地面功图和动态控制图的获取已经实现实时化，因此采用基于功图冲程比和油井动态控制图的抽油机井智能变频控制方法对油井进行实时优化，能够使油井始终保持合理最大产量模式生产，在最大限度发挥油藏潜力的同时对油井进行变频优化控制，降低采油能耗、提高系统效率，实现油田生产降本增效的目的；

2、通过过油井动态控制图对变频优化策略进行修正，消除失真功图和假平衡的影响，找到最大产量和最低能耗的平衡点，兼顾油井产量和效率，实现双重最优化。

3、采用基于均值滤波的示功图有效冲程的求取法，使冲程比的计算更加准确

4、通过确定油井运行频率的范围，防止因频率过大或过小而导致抽油井设备损坏，减小抽油井设备的故障率；

附图说明

图1是本发明的全流程图。

具体实施方式

本发明涉及一种基于功图冲程比和油井动态控制图的抽油机井合理最大产量模式智能优化变频控制方法。通过对油井地面功图进行分析，计算油井有效冲程，分析冲程比变化情况，在泵效尽量高的前提下，维持抽油机以较低频率运行，即以高泵效、低能耗为原则，设计油井智能优化变频方案，并结合油井动态控制图评价结果对变频控制策略进行修正，使油井保持合理最大产量模式生产。传统变频控制模式下，抽油机井变频控制仍以人工决策为主的，难以实现抽油井的实时调节，本发明采用基于功图冲程比和油井动态控制图的抽油机井智能变频控制方法对油井进行实时优化调控，在最大限度发挥油藏潜力的同时对油井进行变频优化控制，降低采油能耗、提高系统效率，实现油田生产降本增效的目的。

如图1所示，一种基于功图冲程比和油井动态控制图的抽油机井合理最大产量模式智能优化变频控制方法，包括以下步骤：

1.启动检测功能，进行初始化设置：将上次示功图冲程比、本次冲程比均赋值为0，将平衡数N赋值为0，将调节状态置2，即升频状态，记录当前电源频率。

2.定时检查功图：设置两次检测间的时间间隔T，每经过T时间就检测一次是否有新功图数据，如果有，进入后续流程，如果没有，继续等待。

3.通过示功图数据分析，采用五点曲率法计算抽油井有效冲程，具体步骤如下：

(1)对初始示功图数据进行均值滤波：

其中，P_i为示功图位移点；F_j为示功图载荷点；m为滤波阶数。

(2)数据归一化：

P_i＝(P_i-P_min)/(P_max-P_min)

F_j＝(F_j-F_min)/(F_max-F_min)

(3)计算曲率：

计算曲率是为了找示功图上的拐点，即固定阀和游动阀的开启、关闭点。示功图曲线上任意一点的曲率可根据相邻的五个点：P_i-2(s_i-2,f_i-2),P_i-1(s_i-1,f_i-1),P_i(s_i,f_i),P_i+1(s_i+1,f_i+1),P_i+2(s_i+2,f_i+2)间的几何关系计算。

K_i＝Δθ_i/Δl_i

其中，

(4)计算曲率变化量：

δK_i＝|K_i+1-K_i|

δK_i'＝(δK_i-1+δK_i+δK_i+1)/3

(5)计算有效冲程：

通过对示功图分区，求取各区曲率变化量最大点，进而求得示功图的四个拐点，得到有效冲程。

4.计算冲程比：判断计算冲程比是否大于0，若不大于0，则表示该功图数据错误，结束本次流程，若大于0，则继续判断记录的上次功图冲程比是否大于0，若上次冲程比不大于0，则将上次功图冲程比记录改写为本次计算数据，结束本次流程，若上次冲程比大于0，则继续流程。

其中冲程比i的计算方法如下：

i＝S_y/S_g

S_y—有效冲程，m；

S_g—光杆冲程，m。

5.计算功图冲程比率K，对K值进行判断，分为三种情况：1-a≤K≤1+a，K≤1-a，K≥1+a。

其中冲程比率K的计算方法如下：

K＝i/i′

a—冲程比率临界值；

i—本次冲程比；

i′—上次冲程比。

(1)1-a≤K≤1+a时

若1-a≤K≤1+a，则认为，本次功图与上一次相比，冲程比没有发生改变，此时需要读取调节状态值。

若调节状态为0，即降频时，冲程比没有变化，则认为本次降频没有继续增加泵效，泵效已经达到最大值，此时，将电源频率上调一次，回到本次变频之前的状态，使得油井在相同泵效下维持较高冲次生产，同时将调节状态值置1，即保持上次频率生产；

若调节状态为1，即在维持频率生产时，功图冲程比未改变，此时不进行任何变频处理，继续维持该频率生产，调节状态仍然为1；

若调节状态为2，即在升频时，功图冲程比未改变，此时认为升频幅度暂未完全开发油层供液能力，功图还未出现供液不足的情况，需继续升频。变频前，判断调整后频率是否超过抽油机井的最大频率，若是，则放弃本次调整，保持当前频率，将调节状态置1，若否，将电源频率调高一次，同时将调节状态置2；

(2)K≤1-a时

若K≤1-a，则认为，本次功图与上一次相比，功图冲程比变小，此时读取调节状态值。

若调节状态为0，即降频时功图冲程比变小，此时认为不符合客观规律，需报警，同时不进行变频处理，将调节状态置1；

若调节状态为1，即维持频率生产时，功图冲程比变小，此时意味着油层供液下降，需降频生产。变频前，判断调整后频率是否低于抽油机井的最小频率，若是，则放弃本次调整，保持当前频率，将调节状态置1，若否，将电源频率下调一次，同时将调节状态置0；

若调节状态为2，即电源频率升高时，功图冲程比变小，此时认为随着油井冲次的调高，油井抽汲能力已经大于油层供液能力，此时，应当停止继续提高电源频率，并将电源频率减小一次，回到上一次调整前的频率，维持生产，将调节状态置1。

(3)K≥1+a时

若K≥1+a，则认为，本次功图比与上一次相比，功图冲程比变大，此时读取调节状态值。若调节状态为0，即电源频率降低时，功图冲程比变大，则认为随着油井冲次降低，油井泵效增加，此时暂未到达最大泵效，需继续降频。变频前，判断调整后频率是否低于抽油机井的最小频率，若是，则放弃本次调整，保持当前频率，将调节状态置1，若否，将电源频率降低一次，同时，调节状态置0；

若调节状态为1，即在维持频率生产时，功图冲程比变大，则认为油层供液增加，需调高频率，加强开采。变频前，判断调整后频率是否大于抽油机井的最大频率，若是，则放弃本次调整，保持当前频率，将调节状态置1，若否，将电源频率升高一次，同时，调节状态置2；

若调节状态为2，即电源频率上升时，功图冲程比变大，此时认为不符合客观规律，需报警，同时不进行变频处理，将调节状态置1。

其中，K为功图冲程比率，即本次功图冲程比与上次冲程比的比；a为冲程比率超限敏感度，即每次冲程比率的最大允许值，超出即认为冲程比发生变化，没超出即认为冲程比不变，此数值可设置；N为平衡判定指数，用来判定变频过程是否达到平衡；H为平衡判定阈值，判定变频达到的临界值；调节状态为：0-降频、1-不变、2-升频。

6.调节平衡状态判断：判定调节状态是否为1，即保持，若否，则将平衡判定指数N归0，若是，则将平衡判定指数N值加1；再判定平衡判定指数N是否达到平衡判定阈值H，若否，结束本次流程，若是，即认为变频已达到平衡状态，进行下一流程循环。

7.根据动态控制图评价结果修正变频控制策略：当抽油井基本达到稳定以后，采用动态控制图对油井运行情况进行综合评价，同时读取此时的频率，对变频结果进行调整和修正，见表一。

表一

其中，最大最小频率可根据油田实际情况确定。需要考虑冲次的最大允许值受有杆泵设备工作特点的限制。在泵径和最大冲程长度一定的情况下，冲次增加，抽油机悬点载荷减小，使得示功图的下线接近零线位置。当冲次增加到一定数值时，悬点载荷下降到零，此时的冲次为该泵径和冲程条件下的最大允许冲次。如果冲次超过该值，抽油系统将产生严重的冲击振动，工作不正常而导致快速损坏。

8.根据变频调整策略，分为三种情况：

保持当前频率，升频，降频。

(1)保持当前频率

平衡数和调节状态不作调整，本次流程结束，等待下次检测。

(2)升频

此时升频一次，同时将平衡数N归0，将调节状态置2，本次流程结束，等待下次检测。

(3)降频

此时降频一次，同时将平衡数N归0，将调节状态置0，本次流程结束，等待下次检测。

Claims (8)

1.基于冲程比和动态控制图的油井最大产量模式控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)通过示功图数据分析，采用五点曲率法计算抽油井有效冲程；

2)根据有效冲程计算冲程比：

3)计算功图冲程比率K，对K值进行判断：

(1)若1-a≤K≤1+a，则认为本次示功图与上一次相比，冲程比没有发生改变，读取调节状态值，并对抽油机进行调频控制；其中a为冲程比率临界值；

(2)若K≤1-a，则认为，本次示功图与上一次相比，功图冲程比变小，此时读取调节状态值；并对抽油机进行调频控制；

(3)若K≥1+a，则认为，本次功图比与上一次相比，功图冲程比变大，此时读取调节状态值，并对抽油机进行调频控制。

2.根据权利要求1所述的基于冲程比和动态控制图的油井最大产量模式控制方法，其特征在于所述通过示功图数据分析，采用五点曲率法计算抽油井有效冲程，具体步骤如下：

(1)对示功图数据进行均值滤波：

其中，S′_i为示功图位移点原始数据；F′为示功图载荷点原始数据；S_i为均值滤波处理后示功图位移值；F_j为均值滤波处理后示功图载荷值；m为滤波阶数；

(2)数据归一化：

s_i＝(S_i-S_min)/(S_max-S_min)

f_j＝(F_j-F_min)/(F_max-F_min)

S_min为位移点最小值，S_max为位移点最大值；F_min为载荷点最小值，F_max为载荷点最大值，s_i为归一化处理后位移值，f_j为归一化处理后载荷值；

(3)计算曲率：

示功图曲线上任意一点的曲率根据相邻的五个点P_i-2(s_i-2,f_i-2),P_i-1(s_i-1,f_i-1),P_i(s_i,f_i),P_i+1(s_i+1,f_i+1),P_i+2(s_i+2,f_i+2)间的几何关系得到：

K_i＝Δθ_i/Δl_i

其中，

(4)计算曲率变化量δK_i＝|K_i+1-K_i|；

曲率变化量最大点δK_i'＝(δK_i-1+δK_i+δK_i+1)/3；

(5)计算有效冲程：

通过对示功图分区，求取各区曲率变化量最大点，进而得到示功图的四个拐点，得到有效冲程。

3.根据权利要求1所述的基于冲程比和动态控制图的油井最大产量模式控制方法，其特征在于所述根据有效冲程计算冲程比包括以下步骤：

冲程比i＝S_y/S_g；S_y为有效冲程，S_g为光杆冲程；

判断冲程比是否大于0；

若不大于0，则表示该功图数据错误，结束本次流程；

若大于0，则继续判断记录的上次功图冲程比是否大于0；若上次冲程比不大于0，则将上次功图冲程比记录改写为本次计算冲程比，结束本次流程；若上次冲程比大于0，则继续流程。

4.根据权利要求1所述的基于冲程比和动态控制图的油井最大产量模式控制方法，其特征在于步骤(1)中，对抽油机进行调频控制具体如下：

若调节状态为0，即降频时，冲程比没有变化，则认为本次降频没有继续增加泵效，泵效已经达到最大值，此时，将电源频率上调一次，回到本次变频之前的状态，同时将调节状态值置1，即保持上次频率生产；

若调节状态为1，即在维持频率生产时，功图冲程比未改变，此时不进行任何变频处理，继续维持该频率生产，调节状态仍然为1；

若调节状态为2，即在升频时，功图冲程比未改变，此时认为升频幅度暂未完全开发油层供液能力，功图还未出现供液不足的情况，需继续升频，即将电源频率调高一次，同时将调节状态置2。

5.根据权利要求1所述的基于冲程比和动态控制图的油井最大产量模式控制方法，其特征在于步骤(2)中，对抽油机进行调频控制具体如下：

若调节状态为0，即降频时功图冲程比变小，此时认为不符合客观规律，需报警，同时不进行变频处理，将调节状态置1；

若调节状态为1，即维持频率生产时，功图冲程比变小，此时意味着油层供液下降，需降频生产，即将电源频率下调一次，同时将调节状态置0；

若调节状态为2，即电源频率升高时，功图冲程比变小，停止继续提高电源频率，并将电源频率减小一次，回到上一次调整前的频率，维持生产，将调节状态置1。

6.根据权利要求1所述的基于冲程比和动态控制图的油井最大产量模式控制方法，其特征在于步骤(3)中，对抽油机进行调频控制具体如下：

若调节状态为0，即电源频率降低时，功图冲程比变大，则认为随着油井冲次降低，油井泵效增加，此时暂未到达最大泵效，需继续降频，即将电源频率降低一次，同时，调节状态置0；

若调节状态为1，即在维持频率生产时，功图冲程比变大，则认为油层供液增加，需调高频率，即将电源频率升高一次，同时，调节状态置2；

若调节状态为2，即电源频率上升时，功图冲程比变大，此时认为不符合客观规律，需报警，同时不进行变频处理，将调节状态置1。

7.根据权利要求1所述的基于动态控制图和示功图的抽油井变频控制方法，其特征在于所述对变频结果进行修正具体为：采用动态控制图并读取此时的运行频率，对变频结果进行修正：

其中，f表示当前变频器频率，f_min表示抽油井电机允许最小频率，f_max表示抽油井电机允许最大频率。

8.根据权利要求1所述的基于动态控制图和示功图的抽油井变频控制方法，其特征在于所述对油井进行变频控制之后，对调节状态进行判定，判定调节状态是否为1，即保持；

若否，则将平衡判定指数N归0；若是，则将平衡判定指数N值加1；

再判定平衡判定指数N是否达到平衡判定阈值H；

若否，结束本次流程；若是，即认为变频已达到平衡状态，此时降频一次，以打破平衡，同时将平衡判定指数N归0，将调节状态置0，本次流程结束；等待下一循环。