油井抽空电力智能控制系统设计方案

1油井抽空电力智能控制系统设计方案1引言目前我国有80000多口采用有杆抽油机系统的油井，并且每年还要增加大约5000口新油井，在这些油井的生产成本中，抽油机的耗电量一直占有相当大的比重，特别是对低产井和间开井，抽油机的耗能量直接决定着油井开发方案的制定和实施。由于油层中的原油储量降低，开采过程中出现了含水上升和供液不足的现象，这两种情况的直接后果是单吨产量的能耗升高和抽油机的摩损维护费用提高。间歇式抽取是一种解决以上问题的好办法，其设计思想是待井位所在油层的原油汇集充满时抽取，这样便解决了抽空和含水高的问题。如何准确识别和判断井下原油汇集状态成为实现该设计思想的关键。我们设计的油井抽空电力智能控制系统能够通过对抽油机驱动电机的供电参数变化情况进行分析，即对抽油机是否处于抽空和含水过高的状态进行判断，从而确定抽油机启停时间和周期，减少抽油机的无功运行时间和机械磨损，达到节能降耗、提高采油效率的目的。2油井抽空智能控制原理2.1抽油机抽空状态的识别抽油杆所承受的负荷变化与液击和泵抽空的产生有直接关系。因此，只要准确检测出抽油杆所承受的负荷变化就可以正确识别油井发生液击和泵抽空的状态，并通过检测拖动抽油机的电机输入功率的变化进行判断。异步电动机运行时必须从电网中吸收无功功率，这是因为异步电动机的励磁电流必须由电源提供。故它的功率因数cosφ永远小于1。电动机空载时功率因数很低，约等于0.2。当输出功率增加时，定子电流中的有功分量增加，因此功率因数提高；当接近额定负载时，功率因数最高。因此，电机功率因数cosφ的变化可以间接反映出抽油杆所承受的负荷变化。图1产生液击前后功率因数积分随时间的变化图图1是某油井24小时内一个冲程周期内功率因数的积分值随时间变化的图形2(节选了其中出现抽空的部分)，其间曾出现了两次液击现象，对应于功率因数较高的部分。从这个图形我们很容易辨别出液击现象发生的时间。虽然，这个数值随时间也存在一些波动，但发生液击后的变化是明显的，利用计算机的数字滤波技术，很容易准确判断出油井发生液击。2.2抽油机抽空的控制原理考虑到在实际应用中由于地质情况的变化、以及各种环境因素的影响，必须做到系统具有自动识别的能力，自动适应不同的地质条件以及油井本身的不同变化(如含砂、结蜡等)。为了达到这个目的，将每个行程周期检测到的参数进行综合分析、比较、优化，并把油井自身的变化规律记录到系统中，对这些记录进行动态优化和实时调控。这样各种状态的数据都是相对较短的一段时间记录下来的，在这样一段时间里油井的工况变化相对较小，因此，再进行比较判断时就有比较高的准确性和可靠性。当系统根据一个冲程周期内功率因数积分值的变化，判断出油井发生液击后，就控制抽油机停止工作，等待油井恢复；当油井的液面恢复到可以使泵完全充满时系统将再次启动抽油机进行工作。而油井停机恢复的时间是否合理，是抽空控制是否成功的关键。停机恢复时间太长，会损失一定的产量；停机恢复时间太短，会造成抽油机启动频繁，达不到降低设备损耗的目的。油井抽空智能控制系统在首次运行时，系统会自动记录油井从正常生产到发生液击乃至抽空现象，以及从抽空再次恢复到正常生产的一个完整周期的时间。也就是说，系统第一次投入运行后开始识别油井是否发生液击现象，当检测到油井发生液击现象后，记录下油井可正常运转的时间T1；此时系统不会控制抽油机停机，继续让抽油机运转，直到系统检测到油井能够再次正常抽取时，再记录下已运行的时间T2；如图2所示。然后系统根据这两个时间值，计算出该油井的初始“抽空指数”（系统用于衡量一口油井供液能力好坏的参数）α。图2系统首次运行记录时间示意图油井的“抽空指数”α按下式计算上式中Ψ(x)为一个取值函数：3系统投入正常运行，当再次检测到油井发生液击现象时开始记录时间T3，并根据油井的“抽空指数”α，计算出应该停机恢复的时间T4：T4=fTAB(α,T3)+30式中fTAB(x,y)为一个二维模糊运算函数，T3、T4的单位为分钟。从图2中可以看出，T4要比连续运行时出现液击乃至抽空的时间稍长，这是为了保证抽油泵能够达到一个合理的沉没度而设计的。整个计算过程是动态的，系统每次控制抽油机启停后都会得到一个新的“抽空指数”αi，根据这个参数，结合抽油机每次运转的时间T3，动态调整油井的停机恢复时间T4。如果因为某种原因导致上一次油井停机恢复时间不合理，经过几个启停周期后，系统会自动修正，使油井停机恢复时间趋近于合理。考虑到对电机的保护，计算抽油机启停时间时，要求油井最短恢复时间不小于30分钟；保证电机再次启动的时间间隔大于30分钟。同时，考虑到对其它抽油设备的保护，每天抽油机的启停次数不大于6次。由于一些油井因为油管漏失等因素，造成当油井停机恢复较长时间后，再次投入生产时存在一段时间出现“抽空”的假象，因此，智能抽空控制系统要在启动后自动识别这种假象，延时一定时间才开始进行“抽空”判别，这样才能保证系统识别的可靠性。3油井抽空智能控制系统设计方案3.1总体思路以MCS51系列单片机作为系统的控制核心，对抽油机的电机功率因数进行实时监测，及时控制抽油机停止或运行，并采用模糊控制算法动态调整抽油机的停机时间，以达到增产节能的控制效果；同时通过无线数传电台或者无线局域网与油井监控中心建立联接，实现远程无线集中监控功能。用电压互感器与电流互感器对抽油机的电机输入电压和电流进行检测，并根据二者的相位差由微处理器计算出功率因数—cosφ，并以此参数作为判断抽油井工况的主要依据。用负荷传感器与冲程传感器对抽油井光杆负荷及对应的冲程进行检测，用以绘制示功图，作为微处理器判断油井工作状态的辅助依据。此示功图可通过远程传输上传到控制中心的微机上，便于分析井下工作情况。为了避免在抽油机自动启动过程中造成意外事故，需要设计语音告警电路，4在抽油机自动启动前3分钟进行时间为30秒的语音告警，以通知井边的工作人员离开现场。系统设计有完善的保护功能，可识别过压、欠压、缺相、过流、皮带断裂等故障并能自动控制停机，避免事故的进一步扩大，以保证抽油机的正常运行。3.2系统功能实现该系统是由数据采集单元、单片机控制单元和无线传输设备组成，通过传感器对油井各项技术参数进行实时监测采集，并将数据通过无线传输设备传到油田中心控制室，以便对油井工况进行远程监控管理。系统基本原理框图如下：图3智能控制系统基本原理框图系统设计原理是以抽油机的电压、电流为监测对象,由于抽油机的电压、电流均较大,必须经过信号调理。我们采取的措施是电压经过电压互感器、电流经过电流互感器采集信号,经过光电隔离,两路信号进行过零比较,产生两路相位不同的方波,该方波经过鉴相处理,得到两路信号的相位差方波,通过该波形即可获得电压、电流的延时时间,得到抽油机的功率因数。抽油机电压、电流的相位关系示例如图4所示。图4鉴相示例图经过鉴相后的脉冲信号输入到单片机外部中断INT0,控制启动计数器t1,中断抽油泵电压互感器电流互感器光电隔离过零比较器鉴相处理单片机系统数据处理、存储、控制油泵运行无线传输模块，与上位机通讯5INT0采取下降沿触发方式,t1以方式2自动重装数值,在脉冲信号的高电平时间内,对机器周期的内部脉冲进行计数,当外部脉冲信号由高电平转变为低电平时,即产生下降沿时,INT0产生中断请求,在INT0的中断程序内关闭t1,对结果进行处理,基准时间与计数值的乘积便是外部脉冲高电平的时间t。对该数据处理后,得到功率因数,不断地动态刷新EEPROM内的数据,建立曲线。单片机检测到的功率因数与曲线比较,当满足控制条件时,自动关闭抽油机,等待下一个满抽时间的到来。控制程序流程图如图5所示。图5控制程序流程图功率因数的实时数据存放于EEPROM中，由单片机进行积分、滤波、拟合,建立起抽油机功率因数随时间变化的实时曲线。通过监测功率因数实时曲线的跳变，判断油井是否发生液击现象；同时通过对抽空指数的计算，得到油井的停机恢复时间；从而实现抽油机的自动关停和重新启动。保证了每一次抽吸过程都有较高的充满度，实现抽油机工作全过程的动态优化，充分发挥油井的最大生产能力，达到节电增产的目的。4效益分析该系统能够发挥油井最大生产能力，达到增产节能的目的，并能够自动检测油井和电机的各项参数，通过通信设备实现油井集中监控功能。据有关文献报道，安装同类控制系统前后产量和用电对比如表1：表1安装抽油井智能抽空控制系统前后产量及用电比较(测试48小时)6安装之前产液量（吨）/天泵工作时间（小时）/天泵效（％）用电量（度）/天电位产量用电（度）/吨4.352413.2521652.2安装之后产液量(吨)/天泵工作时间（小时）/天泵效（％）用电量（度）/天电位产量用电（度）/吨4.049.3712.3184.320.8测试结果抽取率（％）提高泵效（％）单位产量用电每吨节省（％）9318.360.1结论1、针对24小时连续抽取油井，液量抽取率达93%；2、泵效提高18.3%；3、单位产量用电每吨降低60.1%，有效节约电能。