潘國輝，劉松林，張曉娟，劉繼波，王 華

（中國石化江蘇油田分公司采油一廠，江蘇揚州 225265）

1 總體思路

抽油機智能控制系統(tǒng)主要由電流矢量變頻器、位置傳感器、變速控制模塊、控制電路、液晶顯示器和無線示功儀組成，這些組成部分的邏輯關(guān)系（見圖1）。抽油機拖動裝置，位置傳感器外安裝在抽油機變速箱上，示功儀安裝在驢頭懸點位置，其余部分都安裝在控制柜內(nèi)，裝置在抽油機上的安裝示意圖（見圖2）。

圖1 抽油機智能控制系統(tǒng)

圖2 智能控制裝置安裝示意圖

2 參數(shù)檢測與控制

2.1 電參數(shù)測量

為計算抽油機平衡度、抽油機系統(tǒng)效率、檢驗調(diào)控效果，電動機的工作電參數(shù)是必需的數(shù)據(jù)，所以智能控制模塊集成了電參數(shù)測量功能[1，2]，測量功能采用專業(yè)電能計量芯片ADE7878 實現(xiàn)。具體功能有：測量三相電機電流、電壓、有功、無功、視功、功率因數(shù)的數(shù)據(jù)和連續(xù)曲線，計量當(dāng)日的有功電能、無功電能、視功電能。

2.2 抽油機位置檢測

在抽油機的運行過程中，控制模塊需要實時掌握抽油機的運行位置，以實施對抽油機的精確控制。抽油機位置的檢測是通過位置開關(guān)和變頻器的輸出頻率計算得出。

分析抽油機的運行規(guī)律，抽油機的運行有以下幾個特點：（1）在一個周期的運行過程中，從上行的死點位置開始，電動機每轉(zhuǎn)動一圈抽油機運行到的位置是確定的；（2）抽油機運行一個完整的沖次，電機的總轉(zhuǎn)數(shù)是固定的；（3）同步永磁電機的轉(zhuǎn)速與電源的頻率呈正比。根據(jù)抽油機的運行特點，抽油機的位置與變頻器的輸出頻率呈線性積分關(guān)系，以抽油機的下死點為起點，能夠根據(jù)變頻器的輸出頻率計數(shù)得出抽油機的位置，將這一關(guān)系以表格形式存儲起來。位置測量時，通過對變頻器的時間積分獲得轉(zhuǎn)數(shù)，然后查表得出位置數(shù)據(jù)。

2.3 抽油機周期內(nèi)調(diào)速

建立抽油機周期內(nèi)的控制模型是一個專業(yè)復(fù)雜的過程，需要根據(jù)油井的基本參數(shù)結(jié)合油井的特點以及調(diào)控的目的綜合設(shè)計。設(shè)計一種轉(zhuǎn)換算法，將控制模型轉(zhuǎn)換成控制模塊可執(zhí)行的控制數(shù)據(jù)。這里規(guī)定控制模型是一個以歸一下時間為橫坐標(biāo)，懸點位移為縱坐標(biāo)的圖形。轉(zhuǎn)換算法能夠根據(jù)控制模型，再結(jié)合油井的沖次計算出懸點速度和時間的關(guān)系圖，控制圖形結(jié)合位移與變頻器周期累加圖形得出變頻器周期累加與速度的關(guān)系圖；這兩個關(guān)系圖結(jié)合可以得出時間和變頻器周期累加圖形；從而最終得出時間和變頻器頻率圖形。最后利用時間頻率圖形控制變頻器輸出頻率實現(xiàn)控制模型的控制效果。

2.4 抽油機沖次控制

智能控制模塊設(shè)計了多種油井沖次控制方案：

（1）設(shè)定油井沖次，控制模塊按設(shè)定沖次控制油井運行；

（2）鎖定泵效，此種方案需要在抽油機上安裝無線計量示功儀，控制模塊以無線方式獲取功圖、泵效數(shù)據(jù)，定期檢查當(dāng)前泵與設(shè)定泵效的差值，當(dāng)差值超過設(shè)定閥值時，控制模塊控制調(diào)整油井沖次，泵效高于設(shè)定泵效時，加快油井的沖次，泵效低于設(shè)定泵效時降低油井的沖次；

（3）產(chǎn)量最大化，此種方案需要在抽油機上安裝無線計量示功儀，控制模塊持續(xù)獲取示功儀計量的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，定時改變油井的沖次，當(dāng)連續(xù)兩個同方向的沖次改變使產(chǎn)量降低時，改變沖次的調(diào)整方向，直到油井產(chǎn)量再次降低，通過這一過程找到油井最大產(chǎn)量的沖次，然后控制模塊按照尋找到的最大產(chǎn)量沖次運行，直到產(chǎn)量數(shù)據(jù)變化超過設(shè)定閥值，重新進行最大產(chǎn)量尋找過程。

2.5 油井閉環(huán)控制

控制模塊控制抽油井的依據(jù)是該油井的功圖、泵效和產(chǎn)量，控制模塊定時獲取這些數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的分析，然后調(diào)整抽油井的運行，控制模塊不斷重復(fù)這一過程，完成對油井的閉環(huán)控制。這一過程局限于井口范圍，不需要遠端控制。閉環(huán)控制的實現(xiàn)依托于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線計量示功儀技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能將井口的各種無線設(shè)備如智能控制模塊、無線計量示功儀、流量檢測、壓力儀連接在同一個傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，這些設(shè)備能夠互相通信，控制模塊能夠獲取無線計量示功儀的所有數(shù)據(jù)，無線計量示功儀具備測量示功圖、計算泵效和產(chǎn)量的功能。這兩項技術(shù)使控制模塊具備控制油井的直接數(shù)據(jù)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

在11-10 井是一個低產(chǎn)、低效井，控制柜安裝前油井沖次為3 次/分，產(chǎn)量為2.5 m3左右。同時這口井安裝了無線計量示功儀和網(wǎng)關(guān)，使控制柜和計量示功儀能夠互通，控制柜可以工作在“閉環(huán)控制”狀態(tài)。系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用后，油井的產(chǎn)量保持略有上升，動力費用下降30 %以上。