阅读说明：本技术 一种油田游梁式抽油机智能间抽控制系统及其控制方法 (Intelligent intermittent pumping control system and method for oil field beam pumping unit ) 是由 张岩 刘涛 刘天宇 李大建 辛宏 姚洋 石海霞 牛彩云 陆梅 甘庆明 康雁飞 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种油田游梁式抽油机智能间抽控制系统及其控制方法,基于对游梁式抽油机曲柄位置、电机转速和电参监测分析,通过电功图反演光杆示功图及控制器综合分析,计算出能够保证低液量油井高效运行的间抽制度,由控制器输出给电机执行,实现了游梁式抽油机智能间抽控制。此外,其主要是通过光杆示功图去修正电功图,并使得修正后的电功图的充满度达到一定的下限值,同时达到该下限值的电功图的张数在间抽周期内所有电功图张数中的占比达到特定的目标值,则表明该间抽制度/周期是合理的,进一步地,低液量油井可以按照此间抽周期进行间抽采油,实现抽油机的高效运行,同时也解决了产量下降和机采系统效率偏低的问题。(The invention provides an intelligent intermittent pumping control system of a beam-pumping unit in an oil field and a control method thereof. In addition, the positive electric diagram is mainly corrected through the polished rod indicator diagram, the fullness of the corrected electric diagram reaches a certain lower limit value, and the proportion of the number of the electric diagrams reaching the lower limit value in all the number of the electric diagrams in the interval pumping period reaches a specific target value, so that the interval pumping system/period is reasonable.)

一种油田游梁式抽油机智能间抽控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于油田采油技术领域，具体涉及一种油田游梁式抽油机智能间抽控制系统及其控制方法。

背景技术

在石油采油作业过程中，当油井的渗透能力低于抽油机设计抽油能力的时候，油井则处于供液不足的状态。为了节约电能，减少抽油机的机械磨损，提高设备的效率，目前一般采用的控制方法是对抽油机进行自动间歇控制，即当探测到油井处于供液不足的状态时，控制抽油机停止运行，进入倒计时状态，等待油井动液面自然恢复；当事先确定的停机时间结束后再重新控制抽油机开机工作；如此反复进行。

然而，与高产液量油井相比，由于人工间抽制度的不科学，在一定程度上造成了产量的下降或机采系统效率偏低的问题，此外，现有的各类间抽控制优化系统，还无法保证低液量油井实现“既能稳产量、又能降能耗”高效运行。

发明内容

本发明实施方式提供了一种油田游梁式抽油机智能间抽控制系统及其控制方法，其目的一是确保低液量油井在间抽采油时，无法实现高效运行的问题；目的二是解决低液量油井在间抽采油时，造成的产量下降和机采系统效率偏低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种油田游梁式抽油机智能间抽控制系统，包括依次电连接的数据库服务器、上位机、井场RTU和控制器，控制器电连接显示器和电动机，电动机连接并驱动游梁式抽油机，游梁式抽油机的驴头连接光杆，电动机上安装转速传感器和电参传感器，游梁式抽油机的曲柄上安装曲柄位置传感器，光杆上安装载荷位移传感器；

转速传感器、电参传感器、曲柄位置传感器和载荷位移传感器分别与控制器连接。

进一步地，电参传感器包括测量电动机电压的电压传感器、测量电动机电流的电流传感器、测量电动机功率因数的功率因数传感器。

优选地，数据库服务器内存储有以下数据：间抽停经允许值P，油井日产液V_日产液，原油体积含水率n_w，水的密度ρ_w，不含水原油的密度ρ_o，套管内径ф_套，油管外径ф_油，抽油泵径D_p，冲程S，冲刺n_冲，冲程损失λ，抽油泵漏失量Q_漏，泵吸入口气液比R，泵余隙容积系数K，抽油泵的沉没压力P_s，抽油泵排出口压力P_d，多变过程指数n。

本发明还提供了一种利用油田游梁式抽油机智能间抽控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1，上位机调取数据库服务器内存储的数据，根据调取的数据计算间抽制度初始值；

步骤S2，间抽制度初始值被上位机发送至井场RTU，控制器从井场RTU调取间抽制度初始值；

步骤S3，控制器根据载荷位移传感器传输的载荷位移数据绘制光杆示功图，并反映在显示器；

步骤S4，控制器根据转速传感器、电参传感器、曲柄位置传感器传输的数据绘制电机电功图，并反映在显示器上；

步骤S5，根据光杆示功图修正电机电功图；

步骤S6，自定义电功图达标率和目标值，若电功图达标率在目标值的阈值范围内，则表明间抽制度合理，游梁式抽油机可将间抽制度初始值作为间抽周期进行间抽采油；若电功图达标率在目标值的阈值范围外，则表明间抽制度不合理，调整间抽制度初始值，不断重复步骤二～步骤六，直至电功图达标率最终达到目标值。

进一步地，步骤S1的间抽制度初始值包括停井时间t的初始值和开井时间t'的初始值,根据以下公式联合求取：

式中：P—间抽停井允许值，其值为0.5×105Pa；V_日产液—油井日产液，m³/d；t—停井时间上限值，h；n_w—原油体积含水率；ρ_w—水的密度，kg/m³；ρ_o—不含水原油密度，kg/m³；ф_套—套管内径，m；ф_油—油管外径，m；

式中：D_p—抽油泵径，m；S—冲程，m；n_冲—冲次，min^-1；λ—冲程损失，m；Q_漏—抽油泵漏失量，m³/d；η_充—抽油泵充满系数；

式中：R—泵吸入口气液比，m³/m³；K—泵余隙容积系数；P_s—抽油泵的沉没压力，Pa；P_d—抽油泵排出口压力，Pa；n—多变过程指数，n≈1.1。

优选地，步骤S3绘制光杆示功图包括：

S301.载荷位移传感器采集抽油过程中的不同光杆位置和载荷，并发送至控制器；

S302.控制器绘制出光杆位置S_θ与光杆载荷N_θ的关系图，即光杆示功图，反映在显示器。

进一步地，步骤S4绘制电机电功图包括：

S401.曲柄位置传感器采集不同曲柄位置θ，转速传感器采集不同曲柄位置θ的电机转速分布ω_θ，电参传感器采集不同曲柄位置θ的电动机的电流分布I_θ、不同曲柄位置θ的电动机的电压分布U_θ和不同曲柄位置θ的电动机的功率因数分布cosθ；

S402.根据以下公式计算电机扭矩分布T_θ：

式中：U_θ—不同曲柄位置θ的电动机的电压分布；I_θ—不同曲柄位置θ的电动机的电流分布；cosθ—不同曲柄位置θ的电动机的功率因数分布；ω_θ—不同曲柄位置θ的电机转速分布；

S403.查看游梁式抽油机使用说明书中的抽油机光杆位置因数和扭矩因数表，记录抽油机光杆位置因数γ_θ，根据公式五建立不同曲柄位置θ与光杆位置S_θ的关系，公式五如下：

S_θ＝S×γ_θ 公式五

式中：S_θ—光杆位置，m；S—冲程，m；γ_θ—光杆位置因数；

S404.建立电机扭矩分布T_θ与光杆位置S_θ的对应关系，绘制出光杆位置S_θ与电机扭矩T_θ的关系图，即电机电功图，反映在显示器。

优选地，步骤S5的根据光杆示功图修正电机电功图，具体为：

查看显示器，观察显示器中光杆示功图和电机电功图的相对位置，以光杆示功图为标准，调整电机电功图的冲程S，使得光杆示功图和电机电功图的边界点重合，然后拆掉载荷位移传感器，完成对电机电功图的修正。

进一步地，步骤S6具体包括：

S601.将电功图达标率定义为最近的间抽周期内电功图充满度≥70％的电功图张数与该间抽周期内所有电功图的占比，电功图充满度是指同一间抽周期内电功图与光杆示功图的占比；

S602.将最近的间抽周期内90％≥电功图达标率≥70％作为目标值，若电功图达标率在目标值的阈值范围内，则表明间抽制度合理，游梁式抽油机可将间抽制度初始值作为间抽周期进行间抽采油；

S603.若电功图达标率在目标值的阈值范围外，则表明间抽制度不合理，以±5％的浮动范围调整间抽制度初始值，不断重复步骤二～步骤六，使电功图达标率在±5％的范围内浮动，直至电功图达标率最终达到目标值。

本发明的有益效果如下：

本发明保护的油田游梁式抽油机智能间抽控制系统及其控制方法，主要是通过光杆示功图去修正电功图，并使得修正后的电功图的充满度达到一定的下限值，同时达到该下限值的电功图的张数在间抽周期内所有电功图张数中的占比达到特定的目标值，则表明该间抽制度/周期是合理的，进一步地，低液量油井可以按照此间抽周期进行间抽采油，实现抽油机的高效运行，同时也解决了产量下降和机采系统效率偏低的问题。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并结合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是油田游梁式抽油机智能间抽控制系统的结构示意图。

图2是同一坐标系下，修正前的光杆示功图和电功图的示意图。

图3是同一坐标系下，修正后的光杆示功图和电功图的示意图。

图4是步骤S6的优化逻辑算法示意图。

附图标记说明：

1.电动机；2.抽油机；3.光杆；4.转速传感器；5.电参传感器；6.曲柄位置传感器；7.载荷位移传感器；8.控制器；9.显示器；10.数据库服务器；11.上位机；12.井场RTU。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

现参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

第一实施方式

本发明的第一实施方式涉及一种油田游梁式抽油机智能间抽控制系统，如图1所示，包括依次电连接的数据库服务器10、上位机11、井场RTU12和控制器8，控制器8电连接显示器9和电动机1，电动机1连接并驱动游梁式抽油机2，游梁式抽油机2的驴头连接光杆3，电动机1上安装转速传感器4和电参传感器5，游梁式抽油机2的曲柄上安装曲柄位置传感器6，光杆3上安装载荷位移传感器7；

转速传感器4、电参传感器5、曲柄位置传感器6和载荷位移传感器7分别与控制器8连接。

具体地，数据库服务器10内存储有油田采集的基础数据，上位机11调取数据库服务器10内存储的数据，根据调取的数据计算间抽制度初始值，间抽制度初始值被上位机11发送至井场RTU12，控制器8从井场RTU12调取间抽制度初始值，控制器8根据载荷位移传感器7传输的载荷位移数据绘制光杆示功图，并反映在显示器9，与此同时，控制器8根据转速传感器4、电参传感器5、曲柄位置传感器6传输的数据绘制电机电功图，并反映在显示器9上。

优选地，本发明中控制器8采用的是哈尔滨索菲电器技术有限公司生产的SFC索式抽油机系统优化运行综合控制仪型号的控制器。

因此，油田游梁式抽油机智能间抽控制系统主要用于采集、传输和存储数据，此外，还有一项重要的功能，则是用于计算和绘制光杆示功图和电机电功图，并利用光杆示功图修正电机电功图，以此达到合理的间抽制度。

第二实施方式

与第一实施方式不同的是，本实施方式中，电参传感器5包括测量电动机1电压的电压传感器、测量电动机1电流的电流传感器、测量电动机1功率因数的功率因数传感器。

此外，进一步地，数据库服务器10内存储有以下数据：间抽停经允许值P，油井日产液V_日产液，原油体积含水率n_w，水的密度ρ_w，不含水原油的密度ρ_o，套管内径ф_套，油管外径ф_油，抽油泵径D_p，冲程S，冲刺n_冲，冲程损失λ，抽油泵漏失量Q_漏，泵吸入口气液比R，泵余隙容积系数K，抽油泵的沉没压力P_s，抽油泵排出口压力P_d，多变过程指数n。

以上数据均是可以测量、赋予值或者查表得到的，均是本领域技术人员在工作中常用的基础数据，因此都可以作为已知数据使用。

第三实施方式

在油田游梁式抽油机智能间抽控制系统的基础上，本发明还保护了一种利用油田游梁式抽油机智能间抽控制系统的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤S1，上位机11调取数据库服务器10内存储的数据，根据调取的数据计算间抽制度初始值；

步骤S2，间抽制度初始值被上位机11发送至井场RTU12，控制器8从井场RTU12调取间抽制度初始值；

步骤S3，控制器8根据载荷位移传感器7传输的载荷位移数据绘制光杆示功图，并反映在显示器9；

步骤S4，控制器8根据转速传感器4、电参传感器5、曲柄位置传感器6传输的数据绘制电机电功图，并反映在显示器9上；

步骤S5，根据光杆示功图修正电机电功图；

步骤S6，自定义电功图达标率和目标值，若电功图达标率在目标值的阈值范围内，则表明间抽制度合理，游梁式抽油机2可将间抽制度初始值作为间抽周期进行间抽采油；若电功图达标率在目标值的阈值范围外，则表明间抽制度不合理，调整间抽制度初始值，不断重复步骤二～步骤六，直至电功图达标率最终达到目标值。

本实施方式与常规间抽控制方法不同的是，在绘制好光杆示功图和电机电功图后，并不是直接使用，而是要用光杆示功图修正(也可以成为校正)电机电功图，修正的原则是，若电功图达标率在目标值的阈值范围内，则表明间抽制度合理，游梁式抽油机2可将间抽制度初始值作为间抽周期进行间抽采油；若电功图达标率在目标值的阈值范围外，则表明间抽制度不合理，调整间抽制度初始值，不断重复步骤二～步骤六，直至电功图达标率最终达到目标值。

之所以用光杆示功图修正电机电功图，是因为光杆示功图的数值为理论值，得到的示功图也是理想状态下的图，因此可以作为标准图，而电功图由于是载荷位移传感器7测量得来的数值，存在一定误差，如果误差被修正，那么修正后得到的间抽制度初始值即为合理的数值，进一步可以确保游梁式抽油机间抽后充分发挥泵抽性能。

第四实施方式

本发明还保护了一种利用油田游梁式抽油机智能间抽控制系统的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤S1，上位机11调取数据库服务器10内存储的数据，根据调取的数据计算间抽制度初始值，间抽制度初始值包括停井时间t的初始值和开井时间t'的初始值,根据以下公式联合求取：

式中：P—间抽停井允许值，其值为0.5×105Pa；V_日产液—油井日产液，m³/d；t—停井时间，h；n_w—原油体积含水率；ρ_w—水的密度，kg/m³；ρ_o—不含水原油密度，kg/m³；ф_套—套管内径，m；ф_油—油管外径，m；

式中：D_p—抽油泵径，m；S—冲程，m；n_冲—冲次，min^-1；λ—冲程损失，m；Q_漏—抽油泵漏失量，m³/d；η_充—抽油泵充满系数；

式中：R—泵吸入口气液比，m³/m³；K—泵余隙容积系数；P_s—抽油泵的沉没压力，Pa；P_d—抽油泵排出口压力，Pa；n—多变过程指数，n≈1.1。

步骤S2，间抽制度初始值被上位机11发送至井场RTU12，控制器8从井场RTU12调取间抽制度初始值；

步骤S3，控制器8根据载荷位移传感器7传输的载荷位移数据绘制光杆示功图，并反映在显示器9，具体包括：

S301.载荷位移传感器7采集抽油过程中的不同光杆3位置和载荷，并发送至控制器8；

S302.控制器8绘制出光杆位置S_θ与光杆载荷N_θ的关系图，即光杆示功图，反映在显示器9。

步骤S4，控制器8根据转速传感器4、电参传感器5、曲柄位置传感器6传输的数据绘制电机电功图，并反映在显示器9上，具体包括：

S401.曲柄位置传感器6采集不同曲柄位置θ，转速传感器4采集不同曲柄位置θ的电机转速分布ω_θ，电参传感器5采集不同曲柄位置θ的电动机1的电流分布I_θ、不同曲柄位置θ的电动机1的电压分布U_θ和不同曲柄位置θ的电动机1的功率因数分布cosθ；

S402.根据以下公式计算电机扭矩分布T_θ：

式中：U_θ—不同曲柄位置θ的电动机1的电压分布；I_θ—不同曲柄位置θ的电动机1的电流分布；cosθ—不同曲柄位置θ的电动机1的功率因数分布；ω_θ—不同曲柄位置θ的电机转速分布；

S403.查看游梁式抽油机2使用说明书中的抽油机光杆位置因数和扭矩因数表，记录抽油机光杆位置因数γ_θ，根据公式五建立不同曲柄位置θ与光杆位置S_θ的关系，公式五如下：

S_θ＝S×γ_θ 公式五

式中：S_θ—光杆位置，m；S—冲程，m；γ_θ—光杆位置因数；

S404.建立电机扭矩分布T_θ与光杆位置S_θ的对应关系，绘制出光杆位置

S_θ与电机扭矩T_θ的关系图，即电机电功图，反映在显示器9。

步骤S5，根据光杆示功图修正电机电功图，具体为：

查看显示器9，观察显示器9中光杆示功图和电机电功图的相对位置，参照图2和图3，以光杆示功图为标准，调整电机电功图的冲程S，使得光杆示功图和电机电功图的边界点重合，然后拆掉载荷位移传感器7，完成对电机电功图的修正。

步骤S6，自定义电功图达标率和目标值，若电功图达标率在目标值的阈值范围内，则表明间抽制度合理，游梁式抽油机2可将间抽制度初始值作为间抽周期进行间抽采油；若电功图达标率在目标值的阈值范围外，则表明间抽制度不合理，调整间抽制度初始值，不断重复步骤二～步骤六，直至电功图达标率最终达到目标值，如图4所示，具体包括：

S601.将电功图达标率定义为最近的间抽周期内电功图充满度≥70％的电功图张数与该间抽周期内所有电功图的占比，电功图充满度是指同一间抽周期内电功图与光杆示功图的占比；

S602.将最近的间抽周期内90％≥电功图达标率≥70％作为目标值，若电功图达标率在目标值的阈值范围内，则表明间抽制度合理，游梁式抽油机2可将间抽制度初始值作为间抽周期进行间抽采油；

S603.若电功图达标率在目标值的阈值范围外，则表明间抽制度不合理，以±5％的浮动范围调整间抽制度初始值，不断重复步骤二～步骤六，使电功图达标率在±5％的范围内浮动，直至电功图达标率最终达到目标值。

需要特别说明的是，在步骤4中，光杆示功图和电功图均是以S_θ作为横坐标，即都是采集不同曲柄位置θ下的光杆位移，所不同的是，光杆示功图的S_θ是通过公式五计算得到的，而电功图的S_θ是通过载荷位移传感器7检测得到的，这两者最大的区别在于，由于公式五中的光杆位置因数是查表所得，计算得到的S_θ则为理论值，也就是理想状态下的数值，而载荷位移传感器7采集的位置信息，由于安装位置和检测精度的问题，必然存在一定的误差，而该误差在物理上是无法直接消除的，因此，本发明利用光杆示功图去修正电功图，在校正电功图的同时，也调整了间抽制度初始值，也就是停井时间t和开井时间t'，具体地，以下将举例具体说明如何修正电功图，并得到合理的间抽制度初始值，详细过程如下：

间抽周期＝停井时间t和开井时间t'，假设每10min绘制一张电功图，而最近一个(上一个)间抽周期内出的电功图有100张，其中，电功图充满度≥70％的有80张，电功图充满度是指同一时间同一位置下，同时出的电功图与光杆示功图的面积比例，那么就说明电功图达标率为80/100×100％＝80％，明显地，90％≥电功图达标率80％≥70％，即电功图达标率在目标值的阈值范围内，表明该间抽制度合理，游梁式抽油机2可将间抽制度初始值作为间抽周期进行间抽采油；

假设每10min绘制一张电功图，而最近一个(上一个)间抽周期内出的电功图有100张，其中，电功图充满度≥70％的有65张，电功图充满度是指同一时间同一位置下，同时出的电功图与光杆示功图的面积比例，那么就说明电功图达标率为65/100×100％＝65％，明显地，65％小于70％，即电功图达标率在目标值的阈值范围外，表明该间抽制度不合理，此时，调整停井时间t和开井时间t'，按±5％的范围逐步优化，如图4所示，停井时间t调整为t×1.05，开井时间t'调整为t'×0.95，不断重复步骤二～步骤六，通过自学习使间抽制度最终达到目标值要求。

综上所述，本发明提供的这种油田游梁式抽油机智能间抽控制方法，基于对游梁式抽油机曲柄位置、电机转速和电参监测分析，通过电功图反演光杆示功图及控制器综合分析，计算出能够保证低液量油井高效运行的间抽制度，由控制器输出给电机执行，进而实现了游梁式抽油机智能间抽控制，实现了抽油机的高效运行，同时也解决了产量下降和机采系统效率偏低的问题。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。