CN113700638B - 一种适用于esp生产挖潜的边缘计算智能调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法，步骤如下：ESP的变频器内置控制器将设定的泵入口压力值与油井的下边界条件进行比较得到最小允许的泵入口压力值，并根据矫正近似产液指数计算得到其对应的最大产液量；根据ESP电泵机组压力平衡关系式，计算得到其对应的最大扬程值；通过该ESP变频下的泵特性曲线，计算得到达到最大产液量所需的目标频率值，然后ESP的变频器内置控制器将ESP的运行频率调频至所述目标频率值。本发明通过泵工况和井口压力计监测的数据，计算出油井最大产能方案，实现ESP变频器的自动调频，达到ESP生产挖潜的智能调控，保证稳定调产。

Description

一种适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法

技术领域

本发明涉及石油开采设备潜油电泵机组自动控制技术领域，尤其涉及一种适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法。

背景技术

潜油电泵机组(ESP)出厂时仅提供有一组额定频率下的特性曲线，该特性曲线可通过相似原理推算至变频特性曲线，但海上平台井况复杂，不同温度、压力、流体性质下实际特性曲线同标准特性曲线相比有很大的偏差；同时对油井产能认识不足，存在生产潜能未充分发挥的情况，导致无法合理准确的进行调产，导致部分油井产能发挥不足，影响生产时效和油井采收率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法。

本发明的另一个目的是提供一种基于上述适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法的潜油电泵机组(ESP)。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法，包括以下步骤：

步骤1：ESP的变频器内置控制器将设定的泵入口压力值与油井的下边界条件(即油井抽空时的泵入口压力值)进行比较，取二者中较大的一个值作为最小允许的泵入口压力值P_min，并关联现产液量Q_now及现泵入口压力值P_now，然后根据矫正近似产液指数k计算得到所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max；

在步骤1中，所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max，通过下述公式计算得到：

Q_max＝k×(P_now-P_min)+Q_now (公式1)；

在步骤1中，所述矫正近似产液指数k，通过下述过程得到：

(1)ESP的变频器内置控制器获取近期m个ESP频率为f_m时的实际产液量Q'_m，获取对应实际产液量Q'_m时间的泵入口压力值P_im和泵出口压力值P_dm，然后根据液体压强公式计算得到ESP频率为f_m时的实际扬程H'_m；

(2)ESP的变频器内置控制器根据其变频下的泵特性曲线计算得到实际扬程H'_m对应的理论产液量Q_{f m}，然后将ESP频率为f_m时的实际产液量Q'_m与理论产液量Q_{f m}对比得到m个ESP频率为f_m时的排量矫正系数K_m，取其平均值为该ESP的模拟计量系数K；

(3)ESP的变频器内置控制器重新获取n个实时的ESP频率为f_n时的泵入口压力值P_in和泵出口压力值P_dn，然后根据该ESP变频下的泵特性曲线和模拟计量系数K计算得到对应的模拟计量实际产液量近似值Q'_n，进一步计算得到n个单位泵出入口压力差下的模拟计量实际产液量近似值Q'_n的变化值，即n个产液指数k_n，取其平均值为该ESP的矫正近似产液指数k；

其中，m和n均为大于0的自然数。

在步骤1中，所述实际产液量Q'_m通过井口计量流量计的历史计量数据或再次重新计量数据获得，所述泵入口压力值P_im和泵出口压力值P_dm通过ESP井下机组挂装的泵工况仪获得；

在步骤1中，ESP频率为f_m时的实际扬程H'_m通过下述公式计算得到：

其中，ρ为油井井液密度，g为重力加速度；

在步骤1中，ESP频率为f_m时的排量矫正系数K_m，通过下述公式计算得到：

在步骤1中，所述泵入口压力值P_in、泵出口压力值P_dn通过ESP井下机组挂装的泵工况仪获得；

在步骤1中，ESP频率为频率f_n下的模拟计量实际产液量近似值Q'_n，通过下述过程计算得到：

①根据液体压强公式计算得到ESP频率为f_n时的实际扬程H'_n，具体如下：

其中，ρ为油井井液密度，g为重力加速度；

②将ESP的频率f_n和①中计算得到的实际扬程H'_n带入到ESP变频下的泵特性曲线，计算得到ESP频率为f_n时的理论产液量Q_fn；

③根据①和②通过下述公式计算得到模拟计量实际产液量近似值Q'_n：

Q’_n＝K×Q_fn (公式5)；

在步骤1中，ESP频率为f_n时的产液指数k_n，通过下述公式计算得到：

步骤2：ESP的变频器内置控制器根据所述最小允许的泵入口压力值P_min和该ESP电泵机组压力平衡关系式，计算得到所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大扬程值H_max；

在步骤2中，所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大扬程值H_max，通过下述公式(即该ESP电泵机组压力平衡关系式)计算得到：

/>

其中，ρ为油井井液密度，g为重力加速度；P_油压为油管压力，即流动压力把油气从井底经过油管举升到井口后的剩余压力；P_液柱为液柱压力，多项管流由于加速度和重力产生的压力；P_摩阻为流动摩阻压力，即油管中的摩擦损失产生的压力；P_油压、P_液柱、P_摩阻三者之和即为泵出口压力值。

步骤3：ESP的变频器内置控制器根据所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max及其对应的最大扬程值H_max，通过该ESP变频下的泵特性曲线(即：将所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max及其对应的最大扬程值H_max，带入到该ESP变频下的泵特性曲线公式中)，计算得到达到所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max所需的目标频率值f_max，然后ESP的变频器内置控制器将ESP的运行频率调频至所述目标频率值f_max。

在上述方法中，所述ESP变频下的泵特性曲线，通过下述过程推导得到：

(1)已知通过清水实验得到的ESP额定频率下的泵特性曲线Q-H关系式：

H＝aQ⁴+bQ³+cQ²+dQ+e (公式8)；

(2)Q_f是ESP频率为f下的理论产液量，H_f是ESP频率为f下的理论扬程，ESP频率为f下的理论产液量Q_f、理论扬程H_f与额定频率下的理论产液量Q、理论扬程H的石油行业标准关系式分别为：

(3)根据(1)和(2)得到ESP变频下的泵特性曲线Q_f-H_f关系式为：

其中，a、b、c、d、e为已知值，为电泵机组的出厂性质参数，会在电泵机组的说明书中写明。

本发明还公开了基于上述适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法的潜油电泵机组(ESP)。

上述潜油电泵机组(ESP)实时监测井底油压，用于保证ESP机组在设定的边界条件范围内稳定运行。

本发明还公开了上述方法在控制ESP电泵机组自动调频中的应用。

与现有技术相比，本发明的方法在泵工况、井口流量计和变频器构成的电泵监测系统的基础上，能够通过泵工况和井口压力计监测的数据，通过ESP的变频器内预设的算法进行边缘计算，推送出油井最大产能方案，实现ESP变频器的自动调频，达到ESP生产挖潜的智能调控，保证稳定调产；另外，通过井口计量流量计计量油井的实际产液量的周期很长，频次一般为一周一次，而通过泵工况仪监测泵入口压力值和泵出口压力值的间隔周期为天，本发明的方法能在前期计量和监测的数据基础上对油井的产液量进行实时调控，时效性显著提高。

附图说明

图1为本发明适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法的流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以渤海油田某一电泵井为例，该井的油井井液密度ρ为0.972g/m³，该井的下边界条件(即油井抽空时的泵入口压力值)为1MPa；该井使用的ESP设备型号为B15172-2700，其说明书中记载的出厂性质参数为：a＝1×10^-8，b＝2×10^-5，c＝0.0048，d＝0.3515，e＝1828；该井的生产频率为50Hz(即现泵入口压力值P_now)。

本发明的ESP变频下的泵特性曲线，通过下述过程推导得到：

(1)已知通过清水实验得到的ESP额定频率下的泵特性曲线Q-H关系式：

H＝aQ⁴+bQ³+cQ²+dQ+e (公式8)；

(2)Q_f是ESP频率为f下的理论产液量，H_f是ESP频率为f下的理论扬程，ESP频率为f下的理论产液量Q_f、理论扬程H_f与额定频率下的理论产液量Q、理论扬程H的石油行业标准关系式分别为：

(3)根据(1)和(2)得到ESP变频下的泵特性曲线Q_f-H_f关系式为：

其中，a＝1×10^-8，b＝2×10^-5，c＝0.0048，d＝0.3515，e＝1828。

实施例1

本发明的一种适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法，包括以下步骤：

步骤1：用户通过ESP的输入设备手动输入一个泵入口压力值(0.5MPa)，ESP的变频器内置控制器将用户输入的泵入口压力值与油井的下边界条件(1MPa)进行比较，取二者中较大的一个值作为最小允许的泵入口压力值P_min(即P_min＝1MPa)，并关联现产液量Q_now及现泵入口压力值P_now，然后根据矫正近似产液指数k计算得到所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max；

其中，所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max，通过下述公式计算得到：

Q_max＝k×(P_now-P_min)+Q_now (公式1)；

该步骤获取的相关数据及计算结果如下表所示：

步骤2：ESP的变频器内置控制器根据所述最小允许的泵入口压力值P_min和该ESP电泵机组压力平衡关系式，计算得到所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大扬程值H_max；

其中，所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大扬程值H_max，通过下述公式(即该ESP电泵机组压力平衡关系式)计算得到：

其中，ρ为油井井液密度，g为重力加速度，P_油压为油管压力，即流动压力把油气从井底经过油管举升到井口后的剩余压力；P_液柱为液柱压力，多项管流由于加速度和重力产生的压力；P_摩阻为流动摩阻压力，即油管中的摩擦损失产生的压力；P_油压、P_液柱、P_摩阻三者之和即为泵出口压力值。

该步骤获取的相关数据及计算结果如下表所示：

/>

步骤3：ESP的变频器内置控制器根据所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max及其对应的最大扬程值H_max，通过该ESP变频下的泵特性曲线(即：将所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max及其对应的最大扬程值H_max，带入到该ESP变频下的泵特性曲线公式中)，计算得到达到所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max所需的目标频率值f_max，然后ESP的变频器内置控制器将ESP的运行频率调频至所述目标频率值f_max；

其中，计算得到达到所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max所需的目标频率值f_max为59Hz。

本发明的方法在泵工况、井口流量计和变频器构成的电泵监测系统的基础上，能够通过泵工况和井口压力计监测的数据，通过ESP的变频器内预设的算法进行边缘计算，推送出油井最大产能方案，实现ESP变频器的自动调频，达到ESP生产挖潜的智能调控，保证稳定调产；另外，通过井口计量流量计计量油井的实际产液量的周期很长，频次一般为一周一次，而通过泵工况仪监测泵入口压力值和泵出口压力值的间隔周期为天，本发明的方法能在前期计量和监测的数据基础上对油井的产液量进行实时调控，时效性显著提高。

实施例2

本发明实施例1中的矫正近似产液指数k，通过下述过程得到：

(1)ESP的变频器内置控制器获取近期5个ESP频率为f_m(50Hz)时的实际产液量Q'_m，获取对应实际产液量Q'_m时间的泵入口压力值P_im和泵出口压力值P_dm，然后根据液体压强公式计算得到ESP频率为f_m(50Hz)时的实际扬程H'_m；其中：

所述实际产液量Q'_m通过井口计量流量计的历史计量数据或再次重新计量数据获得，所述泵入口压力值P_im和泵出口压力值P_dm通过ESP井下机组挂装的泵工况仪获得；

ESP频率为f_m时的实际扬程H'_m通过下述公式计算得到：

其中，ρ为油井井液密度，g为重力加速度；

该步骤获取的相关数据及计算结果如下表所示：

(2)：ESP的变频器内置控制器根据其变频下的泵特性曲线计算得到实际扬程H'_m对应的理论产液量Q_fm，然后将ESP频率为f_m(50Hz)时的实际产液量Q'_m与理论产液量Q_fm对比得到5个ESP频率为f_m(50Hz)时的排量矫正系数K_m，取其平均值为该ESP的模拟计量系数K；

其中，ESP频率为f_m时的排量矫正系数K_m，通过下述公式计算得到：

该步骤获取的相关数据及计算结果如下表所示：

(3)：ESP的变频器内置控制器重新获取5个实时的ESP频率为f_n(50Hz)时的泵入口压力值P_in和泵出口压力值P_dn，然后根据该ESP变频下的泵特性曲线和模拟计量系数K计算得到对应的模拟计量实际产液量近似值Q'_n，进一步计算得到5个单位泵出入口压力差下的模拟计量实际产液量近似值Q'_n的变化值，即5个产液指数k_n，取其平均值为该ESP的矫正近似产液指数k；其中：

所述泵入口压力值P_in、泵出口压力值P_dn通过ESP井下机组挂装的泵工况仪获得；

ESP频率为频率f_n下的模拟计量实际产液量近似值Q'_n，通过下述过程计算得到：

①根据液体压强公式计算得到ESP频率为f_n时的实际扬程H'_n，具体如下：

其中，ρ为油井井液密度，g为重力加速度；

②将ESP的频率f_n(50Hz)和(1)中计算得到的实际扬程H'_n带入到ESP变频下的泵特性曲线，计算得到ESP频率为f_n(50Hz)时的理论产液量Q_fn；

③根据①和②通过下述公式计算得到模拟计量实际产液量近似值Q'_n：

Q'_n＝K×Q_fn (公式5)；

ESP频率为f_n(50Hz)时的产液指数k_n，通过下述公式计算得到：

该步骤获取的相关数据及计算结果如下表所示：

实施例3

本发明的一种基于实施例1或2所述的适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法的潜油电泵机组(ESP)。

本发明的适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法以程序代码的形式写入ESP的变频器内置控制器中，在ESP的变频器内置控制器中执行该程序代码，自动调频至最小允许的泵入口压力值对应的最大产液量所需的目标频率值。本发明的ESP实时监测井底油压，用于保证ESP机组在设定的边界条件范围内稳定运行。

本发明公开和提出的方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (8)

1.一种适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：ESP的变频器内置控制器将设定的泵入口压力值与油井的下边界条件进行比较，取二者中较大的一个值作为最小允许的泵入口压力值P_min，并关联现产液量Q_now及现泵入口压力值P_now，然后根据矫正近似产液指数k计算得到所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max；

其中，所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max，通过下述公式计算得到：

Q_max＝k×(P_now-P_min)+Q_now；

所述矫正近似产液指数k，通过下述过程得到：

(1)ESP的变频器内置控制器获取近期m个ESP频率为f_m时的实际产液量Q'_m，获取对应实际产液量Q'_m时间的泵入口压力值P_im和泵出口压力值P_dm，然后根据液体压强公式计算得到ESP频率为f_m时的实际扬程H'_m；

(2)ESP的变频器内置控制器根据其变频下的泵特性曲线计算得到实际扬程H'_m对应的理论产液量Q_fm，然后将ESP频率为f_m时的实际产液量Q'_m与理论产液量Q_fm对比得到m个ESP频率为f_m时的排量矫正系数K_m，取其平均值为该ESP的模拟计量系数K；

(3)ESP的变频器内置控制器重新获取n个实时的ESP频率为f_n时的泵入口压力值P_in和泵出口压力值P_dn，然后根据该ESP变频下的泵特性曲线和模拟计量系数K计算得到对应的模拟计量实际产液量近似值Q'_n，进一步计算得到n个单位泵出入口压力差下的模拟计量实际产液量近似值Q'_n的变化值，即n个产液指数k_n，取其平均值为该ESP的矫正近似产液指数k；

其中，m和n均为大于0的自然数；

步骤2：ESP的变频器内置控制器根据所述最小允许的泵入口压力值P_min和该ESP电泵机组压力平衡关系式，计算得到所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大扬程值H_max；

步骤3：ESP的变频器内置控制器根据所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max及其对应的最大扬程值H_max，通过该ESP变频下的泵特性曲线，计算得到达到所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大产液量Q_max所需的目标频率值f_max，然后ESP的变频器内置控制器将ESP的运行频率调频至所述目标频率值f_max。

2.根据权利要求1所述的适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法，其特征在于，所述ESP变频下的泵特性曲线，通过下述过程推导得到：

(1)已知通过清水实验得到的ESP额定频率下的泵特性曲线Q-H关系式：

H＝aQ⁴+bQ³+cQ²+dQ+e；

(2)Q_f是ESP频率为f下的理论产液量，H_f是ESP频率为f下的理论扬程，ESP频率为f下的理论产液量Q_f、理论扬程H_f与额定频率下的理论产液量Q、理论扬程H的石油行业标准关系式分别为：

(3)根据(1)和(2)得到ESP变频下的泵特性曲线Q_f-H_f关系式为：

其中，a、b、c、d、e为已知值，为电泵机组的出厂性质参数。

3.根据权利要求1所述的适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法，其特征在于，在步骤1中，所述实际产液量Q'_m通过井口计量流量计的历史计量数据或再次重新计量数据获得，所述泵入口压力值P_im和泵出口压力值P_dm通过ESP井下机组挂装的泵工况仪获得；ESP频率为f_m时的实际扬程H'_m通过下述公式计算得到：

其中，ρ为油井井液密度，g为重力加速度。

4.根据权利要求1所述的适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法，其特征在于，在步骤1中，ESP频率为f_m时的排量矫正系数K_m，通过下述公式计算得到：

5.根据权利要求1所述的适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法，其特征在于，在步骤1中，所述泵入口压力值P_in、泵出口压力值P_dn通过ESP井下机组挂装的泵工况仪获得；ESP频率为频率f_n下的模拟计量实际产液量近似值Q'_n，通过下述过程计算得到：

①根据液体压强公式计算得到ESP频率为f_n时的实际扬程H'_n，具体如下：

其中，ρ为油井井液密度，g为重力加速度；

②将ESP的频率f_n和①中计算得到的实际扬程H'_n带入到ESP变频下的泵特性曲线，计算得到ESP频率为f_n时的理论产液量Q_fn；

③根据①和②通过下述公式计算得到模拟计量实际产液量近似值Q'_n：Q'_n＝K×Q_fn。

6.根据权利要求1所述的适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法，其特征在于，在步骤1中，ESP频率为f_n时的产液指数k_n，通过下述公式计算得到：

7.根据权利要求1所述的适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法，其特征在于，在步骤2中，所述最小允许的泵入口压力值P_min对应的最大扬程值H_max，通过下述公式计算得到：

其中，ρ为油井井液密度，g为重力加速度，P_油压为油管压力，即流动压力把油气从井底经过油管举升到井口后的剩余压力；P_液柱为液柱压力，多项管流由于加速度和重力产生的压力；P_摩阻为流动摩阻压力，即油管中的摩擦损失产生的压力；P_油压、P_液柱、P_摩阻三者之和即为泵出口压力值。

8.基于权利要求1至7任一项所述的一种适用于ESP生产挖潜的边缘计算智能调控方法的潜油电泵机组。

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