一種抽油機不停機間抽控制裝置及方法與流程

本發明涉及機采系統數字化設備領域，具體涉及一種抽油機不停機間抽控制裝置及方法。

背景技術：

長慶油田屬典型的“三低”油田，低產井較多，截至2014年底，日產液小于1.2m³的油井1萬口，占總開井數22.2％。由于受油藏低孔低滲特征及地層原始壓力等的影響，低產低效油井儲層物性差地層能量不足，使得油層滲流能力較小；低產低效油井一般液量小，壓力恢復緩慢，續流時間長，流體滲流速度小，導致其液面以穩定緩慢的速度恢復；另外，如果油井連續開抽，流體液面會快速降低至一定值，其沉沒度趨近于零，供液能力小，泵效極低，通常小于10％，致使泵筒長時間處于干磨狀態。針對這部分井，通常根據動液面恢復情況，建立相應合理的間開制度，使油井實施間開生產，這樣對于降低機采系統耗電量，提高機采效率具有重要的意義。

但油井遠程自動間抽控制存在一定問題：一是液面波動較大，影響產量。目前間抽井動液面波動范圍一般控制在100～200米，經過現場試驗，影響產量在10％以內，動液面波動范圍控制越小產量影響越小。二是易造成井筒結蠟過載卡井，抽油桿上下往復運動防止油管內結蠟，油井抽吸的過程也是刮蠟的過程，停抽后容易在油管內壁結蠟。三是存在安全隱患，抽油機停止工作再次啟動時，設備自動運轉容易造成人員和牲畜的傷害。

技術實現要素：

本發明的目的是克服油井遠程自動間抽控制存在的問題，提供一種抽油機不停機間抽控制裝置及方法。

本發明的技術方案是提供了一種抽油機不停機間抽控制裝置，包括依次電連接的控制器、變頻器、電動機和抽油機，所述控制器上設置有電參采集模塊，所述電動機上設置有轉速傳感器，所述抽油機上設置有載荷傳感器、位移傳感器和曲柄位置傳感器。

所述電參采集模塊用于采集控制器輸入端的三相電流、電壓、有功功率的電參數據并發送給控制器。

所述載荷傳感器安裝于抽油機的懸繩器和方卡子之間。

所述位移傳感器安裝于抽油機的游梁下方。

所述曲柄位置傳感器安裝于抽油機的曲柄位置上。

所述轉速傳感器、載荷傳感器、位移傳感器和曲柄位置傳感器都與控制器之間通過無線傳輸數據。

一種抽油機不停機間抽控制方法，至少包括以下步驟：

步驟1)根據油井產液量情況，判斷油井一天累計停抽時長；

步驟2)初步以半小時為一個抽油機工作周期，根據步驟1)得到的油井一天累計停抽時長占24小時的比例，計算抽油機運行時間及擺動時間，初始在控制器(1)上設定抽油機(4)的運行時間及擺動時間各為15分鐘；

步驟3)通過載荷傳感器、位移傳感器以及曲柄位置傳感器采集抽油機載荷、位移及曲柄位置數據并傳遞給控制器(1)，確定抽油機運行時間及擺動時間；

步驟4)判斷光桿示功圖充滿度，即抽油機的有效沖程占實際沖程的比例，當示功圖充滿度小于限定值，抽油機(4)開始擺動運行，根據設定的擺動時間擺動完畢之后，抽油機(4)正常啟動運行，同時對比光桿示功圖充滿度是否達到限定值，當光桿示功圖充滿度小于限定值時，調整擺動時間，控制抽油機(4)繼續擺動運行，待下一次抽油機(4)啟動運行，再對比光桿示功圖充滿度是否達到限定值，直到抽油機(4)正常啟動運行時，光桿示功圖充滿度大于限定值，得到抽油機(4)的初始運行時間及擺動時間；

步驟5)抽油機(4)運行三天后對比產液量變化，如果產液量變化小于5％，則工作制度不變，如果產液量變化大于5％，增加抽油機(4)正常運行時間1分鐘，減少擺動運行時間1分鐘，以此類推，直到產液量變化小于5％，得到抽油機(4)的最終運行時間及擺動時間。

所述步驟1)中的判斷方法如下：

當油井產量≤t/d時，油井一天累計停抽時長為小時；

當油井產量為t/d～.t/d時，油井一天累計停抽時長小時；

當油井產量為.t/d～t/d時，油井一天累計停抽時長小時。

所述步驟4)中光桿示功圖充滿度是指抽油機的有效沖程占實際沖程的比例，其計算方法如下：

(a)將光桿示功圖轉化為對應的載荷-時間曲線y＝f(t)；

(b)計算

其中，tj∈{t0+0.1,t0+0.2,......t0+0.1m}

j＝1,2,…,m

m＝10n

n為抽油機擺動總時間，取整數；

(c)根據(b)得到的最大值找到tj與tj-1時間對應的位移差，即為有效沖程，求有效沖程占實際沖程的比即可得到光桿示功圖充滿度。

所述步驟4)和步驟5)中，當抽油機處于抽油狀態時，通過控制器和變頻器改變電動機轉速來調節電動機的輸出功率，降低高功率區的轉速以降低輸出功率、提高低功率區的轉速以提高輸出功率，實現對電動機輸出功率和輸出扭矩的重新分布，使電動機功率趨于平穩；當抽油機處于擺動狀態時，根據控制器得到的光桿示功圖數據判斷沖程損失，由沖程損失大小決定光桿最大運動距離，得到曲柄最大擺動位置，實時調整電動機運行速度。

本發明的有益效果：

本發明的這種抽油機不停機間抽控制裝置及方法對于低液量、間歇出液井，根據實際出液情況給出最合理的控制方法，滿足油井的供產協調，實現了精細化控制，提高油井系統運行效率，降低能耗，實現井場自動、安全、無人值守間抽運行，解決了現場人工間抽管理難度大、費時費力的問題。

以下將結合附圖對本發明做進一步詳細說明。

附圖說明

圖1是本發明抽油機不停機間抽控制裝置的結構示意圖；

圖2是本發明一個周期電機轉速和功率的初始狀態曲線圖；

圖3是本發明電機轉速和功率實現目標狀態的曲線圖；

圖4是本發明抽油機的載荷-時間曲線；

圖5是本發明抽油機的光桿示功圖。

附圖標記說明：1、控制器；2、變頻器；3、電動機；4、抽油機；5、電參采集模塊；6、轉速傳感器；7、載荷傳感器；8、位移傳感器；9、曲柄位置傳感器。

具體實施方式

實施例1：

為了克服油井遠程自動間抽控制存在的問題，本實施例提供了一種如圖1所示的抽油機不停機間抽控制裝置，包括依次電連接的控制器1、變頻器2、電動機3和抽油機4，所述控制器1上設置有電參采集模塊5，所述電動機3上設置有轉速傳感器6，所述抽油機4上設置有載荷傳感器7、位移傳感器8和曲柄位置傳感器9。

本發明提供的這種抽油機不停機間抽控制裝置的工作原理如下：

轉速傳感器6、載荷傳感器7、位移傳感器8和曲柄位置傳感器9通過無線傳輸將電動機轉速及抽油機的載荷、位移、曲柄位置數據發送給控制器，同時電參采集模塊5采集控制器1輸入端的三相電流、電壓、有功功率的電參數據并發送給控制器1，實現對抽油機4運轉狀態監控，控制器1根據這些數據進行分析計算，自適應調整油井抽吸和不停機擺動的工作制度，計算電動機3運行及停止時間、電機轉速、轉速ω分布和電流頻率f分布，并將參數發送給變頻器2，變頻器2通過控制電流頻率、工作時間等控制電動機3運行，達到控制抽油機4工作制度的目的。

本發明的這種抽油機不停機間抽控制裝置實現了精細化控制，提高油井系統運行效率，降低能耗，實現井場自動、安全、無人值守間抽運行，解決了現場人工間抽管理難度大、費時費力的問題。

進一步的，為了保證數據精確，所述載荷傳感器7安裝于抽油機4的懸繩器和方卡子之間。所述位移傳感器8安裝于抽油機4的游梁下方。所述曲柄位置傳感器9安裝于抽油機4的曲柄位置上。

實施例2：

在實施例1的基礎上，本實施例提供了一種抽油機不停機間抽控制方法，對于低液量、間歇出液井，根據實際出液情況給出最合理的控制方法，滿足油井的供產協調，至少包括以下步驟：

步驟1)根據油井產液量情況，判斷油井一天累計停抽時長；

當油井產量≤1t/d時，油井一天累計停抽時長為12小時；

當油井產量為1t/d～1.5t/d時，油井一天累計停抽時長8小時；

當油井產量為1.5t/d～2t/d時，油井一天累計停抽時長6小時。

步驟2)初步以半小時為一個抽油機工作周期，根據步驟1)得到的油井一天累計停抽時長占24小時的比例，確定抽油機運行時間及擺動時間，比如，當油井一天累計停抽時長為12小時，初始在控制器1上設定抽油機4的運行時間及擺動時間各為15分鐘；當油井一天累計停抽時長為8小時，初始在控制器1上設定抽油機4的運行時間為20分鐘，擺動時間為10分鐘；當油井一天累計停抽時長為6小時，初始在控制器1上設定抽油機4的運行時間為22.5分鐘，擺動時間為7.5分鐘；

步驟3)通過載荷傳感器、位移傳感器以及曲柄位置傳感器采集抽油機載荷、位移及曲柄位置數據并傳遞給控制器1，確定抽油機運行時間及擺動時間；

步驟4)判斷光桿示功圖充滿度，即抽油機的有效沖程占實際沖程的比例，當示功圖充滿度小于限定值，抽油機4開始擺動運行，根據設定的擺動時間擺動完畢之后，抽油機4正常啟動運行，同時對比光桿示功圖充滿度是否達到限定值，當光桿示功圖充滿度小于限定值時，調整擺動時間，控制抽油機4繼續擺動運行，待下一次抽油機4啟動運行，再對比光桿示功圖充滿度是否達到限定值，直到抽油機4正常啟動運行時，光桿示功圖充滿度大于限定值，得到抽油機4的初始運行時間及擺動時間；

如圖4和圖5所示，所述光桿示功圖充滿度是指抽油機的有效沖程占實際沖程的比例，其計算方法如下：

(a)將光桿示功圖轉化為對應的載荷-時間曲線y＝f(t)；

(b)計算

其中，tj∈{t0+0.1,t0+0.2,......t0+0.1m}

j＝1,2,…,m

m＝10n

n為抽油機擺動總時間，取整數；

(c)根據(b)得到的最大值找到tj與tj-1時間對應的位移差，即為有效沖程，求有效沖程占實際沖程的比即可得到光桿示功圖充滿度。

為避免在整個區間上找點易出錯且影響計算速度，需要先對泵功圖進行分區，將閥開啟點的區域縮小，以0.1為時間間隔,總時間為整數n，計算載荷-時間關系曲線斜率的變化量最大值，即為游動閥開閉點，可歸為非線性無約束最優化問題。

步驟5)抽油機4運行三天后對比產液量變化，如果產液量變化小于5％，則工作制度不變，如果產液量變化大于5％，增加抽油機4正常運行時間1分鐘，減少擺動運行時間1分鐘，以此類推，直到產液量變化小于5％，得到抽油機4的最終運行時間及擺動時間。

進一步的，所述步驟4)和步驟5)中，當抽油機4處于抽油狀態時，通過控制器1和變頻器2改變電動機3轉速來調節電動機3的輸出功率，降低高功率區的轉速以降低輸出功率、提高低功率區的轉速以提高輸出功率，實現對電動機3輸出功率和輸出扭矩的重新分布，使電動機3功率趨于平穩；

給定抽油機4沖次，通過對電機速度控制開展功率電機的輸出轉矩取決于被驅動負荷的大小和平衡扭矩大小，而負荷的大小取決于抽油機井下工況，在井下工況確定時，先跟蹤一個周期電機轉速和功率的初始狀態曲線，見圖2，通過改變電機轉速來調節電機的輸出功率，降低高功率區的轉速以降低輸出功率、提高低功率區的轉速以提高輸出功率，實現對電機輸出功率和輸出扭矩的重新分布，使電機功率趨于平穩，平直且絕對值低，達到“削峰填谷”的目的，即實現目標狀態曲線，見圖3，這是電機達到節能的核心。

根據電機輸出功率p分布和電機輸出軸轉速分布，可計算得到，計算電機負載扭矩tm分布。控制器根據電機負載扭矩和設定沖次n，計算電機轉速ω分布和電流頻率f分布。變頻裝置通過控制電流頻率優化電機瞬時轉速，實現“變轉速、衡功率”運行。

當抽油機4處于擺動狀態時，根據控制器1得到的光桿示功圖數據判斷沖程損失，由沖程損失大小決定光桿最大運動距離，得到曲柄最大擺動位置，實時調整電動機3運行速度。

實施例3：

本實施例提供了一種抽油機不停機間抽控制方法：

首先根據油井產液量情況，判斷油井屬于以下哪種情況：

當油井產量≤1t/d時，累計停抽時長為12小時；

當油井產量1t/d～1.5t/d時，累計停抽時長8小時；

當油井產量1.5t/d～2t/d時，累計停抽時長6小時。

以產液量小于1t/d為例，需累計停抽時長為12小時，以半小時為一個周期，開井15分鐘，擺動15分鐘。給定初始狀態值開井15分鐘，擺動15分鐘，通過判斷光桿示功圖充滿度，當示功圖充滿度小于限定值(參數可調)，如充滿度小于70％時，抽油機開始擺動運行，15分鐘后，抽油機正常啟動運行，同時對比光桿示功圖充滿度是否達到70％，小于70％時，繼續擺動運行，根據前后兩次充滿度預測液面恢復速度，調整擺動時間，待下一次抽油機啟動運行，當正常運行15分鐘后，示功圖充滿度仍然大于70％時，擺動運行15分鐘，正常運行15分鐘。運行三天后對比產液量變化，如果小于5％，則工作制度不變，如果大于5％，增加正常運行時間1分鐘，減少擺動運行時間1分鐘，時間調整為開井16分鐘，擺動14分鐘，以此類推。

以上例舉僅僅是對本發明的舉例說明，并不構成對本發明的保護范圍的限制，凡是與本發明相同或相似的設計均屬于本發明的保護范圍之內。