CN113107432A - 一种抽油机井自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抽油机井自动控制方法，涉及油田采油技术领域。该方法包括：采集电参数数据并进行降噪处理；寻找抽油机当前运行最优冲次；通过实测电流、电压、功率因数计算电功率，并计算电参数和电功率数据的特征值；通过上述特征值对抽油机井进行泵抽空判断，对抽油机进行实时自动控制，通过上述特征值还能诊断抽油机井皮带断裂、柱塞遇卡、抽油杆脱断三种紧急故障，实现紧急故障停井功能和报警；本发明的控制方法中还包括的低产高耗油井的自动间抽控制，自动寻找最佳停井时间和油井运行时间，为油田现场提供可参考的间抽制度；通过本发明的抽油机井自动控制方法，可以实现油田稳产降耗的目的。

Description

一种抽油机井自动控制方法

技术领域

本发明涉及油田采油技术领域，尤其涉及一种抽油机井自动控制方法。

背景技术

在油田生产过程中，由于不同的地层供液能力，抽油机井的产液能力也不尽相同，因此针对不同的抽油机井需要设置不同的抽汲参数，以达到冲次与供液能力相匹配的效果，不仅能保证产液量，还能降低能耗，提高经济效益。传统的抽油机参数调整普遍通过测量示功图进行：利用地面示功图计算井下泵功图，并通过泵功图计算产液量，然后根据产液量调整参数；计算示功图面积，经过分析对比调整参数。在此过程中，需要测量示功图，有线实时采集示功图需要安装位移传感器和载荷传感器，而且需要在抽油机铺设电缆，安装不便，不易维护；无线实时采集示功图，传输不稳定，而且闭环控制实时性差。目前很多油田现场通过变频器对电机进行调速，从而调节抽油机冲次，而变频器前的电参数有功功率与悬点载荷通过扭矩平衡可以建立紧密的联系，因此电参数可以反映井下工况，但是只利用电参数实现无传感器的自动控制却没有实现过。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种抽油机井自动控制方法，使用抽油机的电参数实现油井连续运行过程中井前实时闭环控制，根据油井供液情况实现间抽运行过程中启停时间自适应整定的智能间抽控制。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种抽油机井自动控制方法，包括使用抽油机的电参数实现油井连续运行过程中井前实时闭环控制和根据油井供液情况实现间抽运行过程中启停时间自适应整定的智能间抽控制；

所述油井连续运行过程中井前实时闭环控制的具体步骤如下：

步骤1：抽油机运行过程中，高速采集有杆泵抽油机井变频器前的输入电流、电压、有功功率和功率因数；

步骤2：将步骤1测得的有功功率进行均值滤波，消除电网噪声干扰，并获得一个完整周期有功功率曲线；

步骤3：通过获得的有功功率曲线，提取有功功率数据的特征值，对当前抽油机井的运行冲次进行寻优，使抽油机井在最优冲次下运行；

步骤4：对抽油机井进行实时连续控制；

抽油机以最优冲次运行时，以得到的电功率特征值为设定值，被控对象为电机，通过控制变频器实现电机调速，计算实测的每个周期有功功率特征值为被控量，检测泵抽空情况，对抽油机井进行实时监测与优化控制；

步骤5：对抽油机井进行紧急故障控制；

通过现场输入抽油机井的抽油泵直径、泵挂深度、实际冲程、平衡半径、抽油机几何尺寸、平衡配重、曲柄旋转方向，通过状态重构机理模型建立紧急故障时抽油机井运行过程，并生成对应的电流、电压和电功率的电参数样本；

步骤6：计算上述电功率样本的四个特征值，包括一个周期的电流平均值、电流最大值、功率平均值和功率最大值，并生成皮带断裂、抽油杆脱断、柱塞遇卡三种紧急故障的特征阈值及诊断规则，获得实测电功率的四个特征值后进行诊断，并对抽油机井进行停井控制并警示；

所述根据油井供液情况实现间抽运行过程中启停时间自适应整定的智能间抽控制的具体步骤如下：

步骤11：停井控制；抽油机运行期间，当检测到抽油机井抽空后，控制抽油机停止运行，进行摆动，确定此时抽油机井运行时长；

步骤12：起抽控制，其步骤如下：

步骤12.1：给定初始停井时长t₀，t₀后起抽，根据步骤1运行时长的确定方法记录抽油机运行时间T₀；

步骤12.2：停井时长寻优；延长停井时长，步长为15min，t₀＝t₀+15min，依据步骤1运行时长的确定方法记录此时抽油机运行时长T，若T＞1.25T₀，T₀是运行时长的最佳值，则执行步骤12.3；若T≤1.25T₀，则执行步骤12.4；

步骤12.3：更新T₀，令T₀＝T，返回执行步骤12.2；

步骤12.4：停止寻优；以当前记录的停井时长t₀为间抽井的最佳停井时长，并使间抽井以停井时长为t₀，步骤1确定的运行时长为抽油时长的间抽制度运行。

进一步地，步骤3的具体过程如下：

步骤3.1：获得变频器控制电路电压输出的最小值V_min和最大值V_max，对应抽油机运行允许最低冲次n_min和最高冲次n_max，冲次与电压为线性关系，满足以下关系：

其中，V为变频器控制电路当前输出电压，n为抽油机当前运行冲次；通过测量变频器控制电路输出获得当前抽油机运行冲次，通过控制电路调整抽油机井运行参数；

步骤3.2：根据步骤3.1获取变频器控制电路输出电压，并计算出抽油机当前运行冲次n，采集抽油机的输入功率并获取任何一个周期的电功率power；计算当前电功率的特征值，包括平均功率avg、均方根值rmse、电功率曲线与横坐标围成的面积W；

步骤3.3：改变抽油机运行冲次进行寻优，步长为0.2，单位为冲程/分钟；

步骤3.3.1：向上调整冲次得到新的冲次n_cur，待抽油机运行平稳后，截取一个周期电功率计算冲次n_cur下电功率的特征值avg_cur、rmse_cur、W_cur；

步骤3.3.2：若特征值avg_cur、rmse_cur、W_cur同时满足以下关系：

则最优冲次为n，此时应该向上调整冲次；继续计算电功率特征值并按照步骤3.3.2进行寻找，直到达到允许最高冲次n_max或不满足公式(2)；

步骤3.3.3：若特征值W_cur满足以下关系：

则最优冲次为n_cur，此时继续向下调整冲次；继续计算电功率特征值并按照步骤3.3.3寻找，直到达到允许最低冲次n_min或不满足公式(3)；

步骤3.4：上述过程完成后，得到此时抽油机井应该运行的最优冲次，并记录当前冲次下电功率最大值maxP，电流最大值maxI，电流平均值avgI。

进一步地，在冲次寻优过程中，开始寻优时，抽油机运行冲次附近进行，范围小于等于2，单位冲程/分钟。

进一步地，步骤4的具体方法如下：

以最佳冲次获得的实测有功功率计算得到的特征值，记为avg_best、rmse_best、W_best，在抽油机井运行时，实时采集电参数，并实时计算每个周期有功功率的特征值，记为avg_perT、rmse_perT、W_perT，如果同时满足以下关系：

则证明泵抽空，此时需调整变频器输出向下调整冲次，步长为0.25，单位冲程/分钟，并更新avg_best、rmse_best、W_best，然后继续计算当前冲次下的电功率特征值，倘若不满足公式(4)中的任何一个，证明泵的充满程度良好，则停止调整，继续进行监测，使抽油机井始终在最优冲次下运行。

进一步地，检测到泵抽空后，仍对之后的多个周期功率特征值进行判断，如果均满足泵抽空条件，再调节抽油机冲次。

进一步地，所述步骤11中检测到抽油机井抽空的方法与所述步骤4中判断泵抽空的方法相同。

进一步地，步骤6的过程如下：

实时采集抽油机井的电参数，计算并记录一个周期的电流平均值avgI_n、电流最大值max I_n、功率平均值avgP_n和功率最大值max P_n；诊断规则为：

当出现皮带断裂时，电机空载，电流平均值异常减小，若avgI_n小于正常工况时电流平均值avgI的1/2，则判断皮带断裂；当出现柱塞遇卡和抽油杆脱断时，avgP_n会急剧减小，但max P_n大于正常运行时maxP的2倍，max I_n大于正常运行时maxI的2倍；

若检测到以上紧急故障，则控制器控制停井并给出具体故障警示。

进一步地，在检测到抽油机井有紧急故障时，在判断多个周期的电功率均满足紧急故障规则后，控制变频器动作进行停井，并给出警示且只能手动操作消除警示。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的抽油机井自动控制方法，实时性好、可靠性强、经济便捷，通过分析冲程周期内的电参数特征变化趋势，确定油井的供液情况与抽油机运行情况，根据分析结果实现抽油井的冲次实时调节，间抽制度的合理制定，紧急故障的处理与报警，提高智能化，实现井下供排协调，节约能源，降低生产成本，提高经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例提供的抽油机井自动控制方法流程图；

图2为本发明实施例提供的实测电功率变化曲线；

图3为本发明实施例提供的实测电功率曲线计算的周期做功变化曲线；

图4为本发明实施例提供的通过本控制方法调整冲次后的电功率变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种抽油机井自动控制方法，如图1所示，包括使用抽油机的电参数实现油井连续运行过程中井前实时闭环控制和根据油井供液情况实现间抽运行过程中启停时间自适应整定的智能间抽控制。

所述油井连续运行过程中井前实时闭环控制的具体步骤如下：

步骤1：抽油机运行过程中，高速采集有杆泵抽油机井变频器前的输入电流、电压、有功功率和功率因数。

步骤2：将步骤1测得的有功功率进行均值滤波，消除电网噪声干扰，并获得一个完整周期有功功率曲线。

步骤3：通过获得的有功功率曲线，提取有功功率数据的特征值，对当前抽油机井的运行冲次进行寻优，使抽油机井在最优冲次下运行，具体过程如下：

步骤3.1：获得变频器控制电路电压输出的最小值V_min和最大值V_max，对应抽油机运行允许最低冲次n_min和最高冲次n_max，冲次与电压为线性关系，满足以下关系：

其中，V为变频器控制电路当前输出电压，n为抽油机当前运行冲次；通过测量变频器控制电路输出获得当前抽油机运行冲次，通过控制电路调整抽油机井运行参数。

步骤3.2：根据步骤3.1获取变频器控制电路输出电压，并计算出抽油机当前运行冲次n，采集抽油机的输入功率并获取任何一个周期的电功率power；计算当前电功率的特征值，包括平均功率avg、均方根值rmse、电功率曲线与横坐标围成的面积W。

步骤3.3：改变抽油机运行冲次进行寻优，步长为0.2，单位为冲程/分钟。

首先向上调整冲次得到新的冲次n_cur，待抽油机运行平稳后，截取一个周期电功率计算冲次n_cur下电功率的特征值avg_cur、rmse_cur、W_cur。

若特征值avg_cur、rmse_cur、W_cur同时满足以下关系：

则最优冲次为n，此时应该向上调整冲次；继续计算电功率特征值并按照步骤3.3.2进行寻找，直到达到允许最高冲次n_max或不满足公式(2)。

若特征值W_cur满足以下关系：

则最优冲次为n_cur，此时继续向下调整冲次；继续计算电功率特征值并按照步骤3.3.3寻找，直到达到允许最低冲次n_min或不满足公式(3)。

在冲次寻优过程中，开始寻优时，抽油机运行冲次附近进行，范围小于等于2，单位冲程/分钟(SPM)。

步骤3.4：上述过程完成后，得到此时抽油机井应该运行的最优冲次，并记录当前冲次下电功率最大值maxP，电流最大值maxI，电流平均值avgI。

步骤4：对抽油机井进行实时连续控制。

抽油机以最优冲次运行时，以得到的电功率特征值为设定值，被控对象为电机，通过控制变频器实现电机调速，计算实测的每个周期有功功率特征值为被控量，检测泵抽空情况，对抽油机井进行实时监测与优化控制。具体方法如下：

以最佳冲次获得的实测有功功率计算得到的特征值，记为avg_best、rmse_best、W_best，在抽油机井运行时，实时采集电参数，并实时计算每个周期有功功率的特征值，记为avg_perT、rmse_perT、W_perT，如果同时满足以下关系：

则证明泵抽空，如图2和图3所示，图2为某抽油井抽油机冲次为4SPM时的实测电功率变化曲线所示，电功率曲线逐渐呈现出供液不足的形势，图3为计算的实际抽油机周期做功变化曲线，可以看到抽油机做功明显下降且满上述关系。此时需调整变频器输出向下调整冲次，步长为0.25，单位冲程/分钟(SPM)，并更新avg_best、rmse_best、W_best，然后继续计算当前冲次下的电功率特征值，倘若不满足公式(4)中的任何一个，证明泵的充满程度良好，则停止调整，继续进行监测，使抽油机井始终在最优冲次下运行。在此过程中，检测到泵抽空后，仍对之后的多个周期功率特征值进行判断，如果均满足泵抽空条件，再控制变频器调节抽油机冲次。

控制结果如图4所示，此时控制方法将冲次下降至3SPM时的电功率变化曲线，可以看出电功率曲线逐渐恢复原始形状，由于冲次下降，机械损耗减小，电功率整体下降，达到稳产降耗目的。

步骤5：对抽油机井进行紧急故障控制。通过现场输入抽油机井的抽油泵直径、泵挂深度、实际冲程、平衡半径、抽油机几何尺寸、平衡配重、曲柄旋转方向，通过状态重构机理模型建立紧急故障时抽油机井运行过程，并生成对应的电流、电压和电功率的电参数样本。

步骤6：计算上述电功率样本的四个特征值，包括一个周期的电流平均值、电流最大值、功率平均值和功率最大值，并生成皮带断裂、抽油杆脱断、柱塞遇卡三种紧急故障的特征阈值及诊断规则，获得实测电功率的四个特征值后进行诊断，并对抽油机井进行停井控制并警示，其过程如下：

实时采集抽油机井的电参数，计算并记录一个周期的电流平均值avgI_n、电流最大值max I_n、功率平均值avgP_n和功率最大值max P_n。诊断规则为：

当出现皮带断裂时，电机空载，电流平均值异常减小，若avgI_n小于正常工况时电流平均值avgI的1/2，则判断皮带断裂；当出现柱塞遇卡和抽油杆脱断时，avgP_n会急剧减小，但max P_n大于正常运行时maxP的2倍，max I_n大于正常运行时maxI的2倍。

若检测到以上紧急故障，则控制器控制停井并给出具体故障警示。此外，在检测到抽油机井有紧急故障时，在判断多个周期的电功率均满足紧急故障规则后，控制变频器动作进行停井，并给出警示且只能手动操作消除警示。

所述根据油井供液情况实现间抽运行过程中启停时间自适应整定的智能间抽控制的具体步骤如下：

步骤11：停井控制。抽油机运行期间，根据上述步骤4中判断泵抽空的方法，当检测到抽油机井抽空后，控制抽油机停止运行，进行摆动，确定此时抽油机井运行时长。

步骤12：起抽控制，其步骤如下：

步骤12.1：给定初始停井时长t₀，t₀后起抽，根据步骤1运行时长的确定方法记录抽油机运行时间T₀。

步骤12.2：停井时长寻优；延长停井时长，步长为15min，t₀＝t₀+15min，依据步骤1运行时长的确定方法记录此时抽油机运行时长T，若T＞1.25T₀，T₀是运行时长的最佳值，则执行步骤12.3；若T≤1.25T₀，则执行步骤12.4。

步骤12.3：更新T₀，令T₀＝T，返回执行步骤12.2。

步骤12.4：停止寻优；以当前记录的停井时长t₀为间抽井的最佳停井时长，并使间抽井以停井时长为t₀，步骤1确定的运行时长为抽油时长的间抽制度运行。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种抽油机井自动控制方法，其特征在于：包括使用抽油机的电参数实现油井连续运行过程中井前实时闭环控制和根据油井供液情况实现间抽运行过程中启停时间自适应整定的智能间抽控制；

所述油井连续运行过程中井前实时闭环控制的具体步骤如下：

步骤1：抽油机运行过程中，高速采集有杆泵抽油机井变频器前的输入电流、电压、有功功率和功率因数；

步骤2：将步骤1测得的有功功率进行均值滤波，消除电网噪声干扰，并获得一个完整周期有功功率曲线；

步骤3：通过获得的有功功率曲线，提取有功功率数据的特征值，对当前抽油机井的运行冲次进行寻优，使抽油机井在最优冲次下运行；

步骤4：对抽油机井进行实时连续控制；

抽油机以最优冲次运行时，以得到的电功率特征值为设定值，被控对象为电机，通过控制变频器实现电机调速，计算实测的每个周期有功功率特征值为被控量，检测泵抽空情况，对抽油机井进行实时监测与优化控制；

步骤5：对抽油机井进行紧急故障控制；

通过现场输入抽油机井的抽油泵直径、泵挂深度、实际冲程、平衡半径、抽油机几何尺寸、平衡配重、曲柄旋转方向，通过状态重构机理模型建立紧急故障时抽油机井运行过程，并生成对应的电流、电压和电功率的电参数样本；

步骤6：计算上述电功率样本的四个特征值，包括一个周期的电流平均值、电流最大值、功率平均值和功率最大值，并生成皮带断裂、抽油杆脱断、柱塞遇卡三种紧急故障的特征阈值及诊断规则，获得实测电功率的四个特征值后进行诊断，并对抽油机井进行停井控制并警示；

所述根据油井供液情况实现间抽运行过程中启停时间自适应整定的智能间抽控制的具体步骤如下：

步骤11：停井控制；抽油机运行期间，当检测到抽油机井抽空后，控制抽油机停止运行，进行摆动，确定此时抽油机井运行时长；

步骤12：起抽控制，其步骤如下：

步骤12.1：给定初始停井时长t₀，t₀后起抽，根据步骤1运行时长的确定方法记录抽油机运行时间T₀；

步骤12.2：停井时长寻优；延长停井时长，步长为15min，t₀＝t₀+15min，依据步骤1运行时长的确定方法记录此时抽油机运行时长T，若T＞1.25T₀，T₀是运行时长的最佳值，则执行步骤12.3；若T≤1.25T₀，则执行步骤12.4；

步骤12.3：更新T₀，令T₀＝T，返回执行步骤12.2；

步骤12.4：停止寻优；以当前记录的停井时长t₀为间抽井的最佳停井时长，并使间抽井以停井时长为t₀，步骤1确定的运行时长为抽油时长的间抽制度运行。

2.根据权利要求1所述的抽油机井自动控制方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程如下：

步骤3.1：获得变频器控制电路电压输出的最小值V_min和最大值V_max，对应抽油机运行允许最低冲次n_min和最高冲次n_max，冲次与电压为线性关系，满足以下关系：

其中，V为变频器控制电路当前输出电压，n为抽油机当前运行冲次；通过测量变频器控制电路输出获得当前抽油机运行冲次，通过控制电路调整抽油机井运行参数；

步骤3.2：根据步骤3.1获取变频器控制电路输出电压，并计算出抽油机当前运行冲次n，采集抽油机的输入功率并获取任何一个周期的电功率power；计算当前电功率的特征值，包括平均功率avg、均方根值rmse、电功率曲线与横坐标围成的面积W；

步骤3.3：改变抽油机运行冲次进行寻优，步长为0.2，单位为冲程/分钟；

步骤3.3.1：向上调整冲次得到新的冲次n_cur，待抽油机运行平稳后，截取一个周期电功率计算冲次n_cur下电功率的特征值avg_cur、rmse_cur、W_cur；

步骤3.3.2：若特征值avg_cur、rmse_cur、W_cur同时满足以下关系：

则最优冲次为n，此时应该向上调整冲次；继续计算电功率特征值并按照步骤3.3.2进行寻找，直到达到允许最高冲次n_max或不满足公式(2)；

步骤3.3.3：若特征值W_cur满足以下关系：

则最优冲次为n_cur，此时继续向下调整冲次；继续计算电功率特征值并按照步骤3.3.3寻找，直到达到允许最低冲次n_min或不满足公式(3)；

步骤3.4：上述过程完成后，得到此时抽油机井应该运行的最优冲次，并记录当前冲次下电功率最大值maxP，电流最大值maxI，电流平均值avgI。

3.根据权利要求2所述的抽油机井自动控制方法，其特征在于：在冲次寻优过程中，开始寻优时，抽油机运行冲次附近进行，范围小于等于2，单位冲程/分钟。

4.根据权利要求3所述的抽油机井自动控制方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法如下：

以最佳冲次获得的实测有功功率计算得到的特征值，记为avg_best、rmse_best、W_best，在抽油机井运行时，实时采集电参数，并实时计算每个周期有功功率的特征值，记为avg_perT、rmse_perT、W_perT，如果同时满足以下关系：

则证明泵抽空，此时需调整变频器输出向下调整冲次，步长为0.25，单位冲程/分钟，并更新avg_best、rmse_best、W_best，然后继续计算当前冲次下的电功率特征值，倘若不满足公式(4)中的任何一个，证明泵的充满程度良好，则停止调整，继续进行监测，使抽油机井始终在最优冲次下运行。

5.根据权利要求4所述的抽油机井自动控制方法，其特征在于：检测到泵抽空后，仍对之后的多个周期功率特征值进行判断，如果均满足泵抽空条件，再调节抽油机冲次。

6.根据权利要求5所述的抽油机井自动控制方法，其特征在于：所述步骤11中检测到抽油机井抽空的方法与所述步骤4中判断泵抽空的方法相同。

7.根据权利要求1所述的抽油机井自动控制方法，其特征在于：步骤6的过程如下：

实时采集抽油机井的电参数，计算并记录一个周期的电流平均值avgI_n、电流最大值maxI_n、功率平均值avgP_n和功率最大值max P_n；诊断规则为：

当出现皮带断裂时，电机空载，电流平均值异常减小，若avgI_n小于正常工况时电流平均值avgI的1/2，则判断皮带断裂；当出现柱塞遇卡和抽油杆脱断时，avgP_n会急剧减小，但maxP_n大于正常运行时maxP的2倍，max I_n大于正常运行时maxI的2倍；

若检测到以上紧急故障，则控制器控制停井并给出具体故障警示。

8.根据权利要求7所述的抽油机井自动控制方法，其特征在于：在检测到抽油机井有紧急故障时，在判断多个周期的电功率均满足紧急故障规则后，控制变频器动作进行停井，并给出警示且只能手动操作消除警示。

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