本發(fā)明屬于抽油機(jī)控制，尤其涉及一種抽油機(jī)參數(shù)優(yōu)化方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、抽油機(jī)是油田生產(chǎn)最常用的機(jī)械系統(tǒng)，點(diǎn)多面廣且數(shù)量龐大，抽油機(jī)經(jīng)過能效監(jiān)測，診斷各環(huán)節(jié)工況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，然后通過優(yōu)化抽油機(jī)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行。其中，抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和平衡模塊位置的調(diào)整控制是較為復(fù)雜的被控對(duì)象，抽油機(jī)產(chǎn)量和電參數(shù)等因素的變化都會(huì)對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和平衡模塊位置造成很大的影響，對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和平衡模塊位置進(jìn)行優(yōu)化，無論是建模還是控制都比較困難。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，僅從單井的運(yùn)行工況角度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，尚無從井組和區(qū)塊整體角度的優(yōu)化模型及優(yōu)化調(diào)節(jié)方法。

3、隨著數(shù)字化油田建設(shè)的深入及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油田生產(chǎn)上的逐步推廣應(yīng)用，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)龐大數(shù)量的現(xiàn)狀復(fù)雜的單井抽油機(jī)組及井組(區(qū)塊)整體機(jī)組進(jìn)行更為快速、科學(xué)和全面的綜合能效評(píng)價(jià)和智能診斷，并及時(shí)對(duì)工況進(jìn)行尋優(yōu)控制，是節(jié)能管控精細(xì)化管理的迫切需求。

4、中國發(fā)明專利cn115566964公開了一種游粱式抽油機(jī)變頻控制系統(tǒng)及其方法，利用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)設(shè)計(jì)了專門直接轉(zhuǎn)矩控制單元以生成優(yōu)化的逆變器模塊驅(qū)動(dòng)機(jī)制，根據(jù)逆變器直流側(cè)兩個(gè)電容電壓差經(jīng)過設(shè)計(jì)的三電平滯環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)基于不同開關(guān)矢量表的系統(tǒng)的三種工作模式切換。上述方法不能實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)設(shè)備參數(shù)優(yōu)化過程，不能確定最優(yōu)生產(chǎn)參數(shù)，不能指導(dǎo)抽油機(jī)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種抽油機(jī)參數(shù)優(yōu)化方法及其應(yīng)用，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何優(yōu)化油機(jī)設(shè)備參數(shù)，使抽油機(jī)經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種抽油機(jī)參數(shù)優(yōu)化方法及其應(yīng)用，包括

3、步驟s1：對(duì)采集到的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行能效評(píng)價(jià)；

4、步驟s2：根據(jù)能效評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；

5、步驟s3：以區(qū)塊內(nèi)抽油機(jī)系統(tǒng)碳的排放量最小和區(qū)塊內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益最高，建立多目標(biāo)函數(shù)；

6、步驟s4：建立與抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)和油井產(chǎn)量相應(yīng)的模型約束條件；

7、步驟s5:根據(jù)多目標(biāo)函數(shù)和模型約束條件，建立抽油機(jī)參數(shù)優(yōu)化模型，并求解得出最優(yōu)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)；

8、步驟s6:根據(jù)最優(yōu)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)抽油機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的節(jié)能降耗

9、進(jìn)一步的，所述步驟s3中，以區(qū)塊內(nèi)抽油機(jī)系統(tǒng)碳的排放量最小和區(qū)塊內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益最高，建立多目標(biāo)函數(shù)。

10、根據(jù)權(quán)利要求2所述的抽油機(jī)參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，假設(shè)i表示某一采油區(qū)塊所有抽油機(jī)的集合，用i表示抽油機(jī)序號(hào)，則有i∈i，在時(shí)間周期t內(nèi)，有t∈t；

11、以區(qū)塊內(nèi)抽油機(jī)系統(tǒng)碳的排放量最小建立目標(biāo)函數(shù)，如下：

12、minm碳排＝e碳排·pe·10-3

13、式中：minm碳排為區(qū)塊內(nèi)抽油機(jī)系統(tǒng)碳排放量最小值，單位ton；m碳排為區(qū)塊內(nèi)抽油機(jī)系統(tǒng)碳排放量，單位ton；e碳排為電網(wǎng)碳的排放因子，ton/(mwh)；pe為區(qū)塊內(nèi)抽油機(jī)系統(tǒng)的耗電量，單位kwh。

14、進(jìn)一步的，區(qū)塊內(nèi)抽油機(jī)系統(tǒng)的耗電量計(jì)算公式如下：

15、

16、式中：βi,t為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)動(dòng)力設(shè)備電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)功率利用率，％；pi,t,e為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)動(dòng)力設(shè)備電動(dòng)機(jī)的額定功率，單位kw；pi,t,0為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)動(dòng)力設(shè)備電動(dòng)機(jī)的空載功率，單位kw；ηi,t,e為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)動(dòng)力設(shè)備電動(dòng)機(jī)的額定效率，％。

17、進(jìn)一步的，針對(duì)游梁式機(jī)械采油系統(tǒng)，當(dāng)抽油設(shè)備、套壓、油壓和采出油物性參數(shù)已知時(shí)，區(qū)塊內(nèi)抽油機(jī)系統(tǒng)的耗電量是與抽油機(jī)的沖程s、抽油機(jī)的沖次n、曲柄平衡重量wc、抽油機(jī)平衡半徑rc和桿柱組合{d,l}之間的函數(shù)，由此區(qū)塊內(nèi)抽油機(jī)系統(tǒng)的耗電量可改寫成如下：

18、

19、式中：pi,t為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)動(dòng)力設(shè)備電動(dòng)機(jī)的耗電量，單位kw；si,t為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)的沖程，單位m；ni,t為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)的沖次，單位min-1；wc,i,t為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)的曲柄平衡重量，單位kg；rc,i,t為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)的平衡半徑，單位m；{d,l}i,t為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)的桿柱組合。

20、進(jìn)一步的，在僅考慮油田原油出售和購電支出情況下，以區(qū)塊內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益最大作為優(yōu)化目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)如下：

21、

22、式中：max?f為經(jīng)濟(jì)效益最大值；co為原油的出售價(jià)格，單位元/ton；qi,t為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)產(chǎn)量，單位ton；ce為購電價(jià)格，單位元/kwh。

23、進(jìn)一步的，步驟s4中，所述模型約束條件包括油井產(chǎn)量約束、懸點(diǎn)載荷約束、曲柄軸凈扭矩約束、平衡度約束、沖次約束、上下沖程時(shí)長約束和桿柱強(qiáng)度約束。

24、進(jìn)一步的，油井產(chǎn)量約束如下：

25、qi,t-q0,i≥0

26、qi,t-1.5q0,i≤0

27、

28、

29、式中：q0,i為第i臺(tái)抽油機(jī)設(shè)備的額定生產(chǎn)量，單位ton。d0,i為第i臺(tái)抽油機(jī)系統(tǒng)的抽油泵直徑，mm；s0,i為第i臺(tái)抽油機(jī)系統(tǒng)的懸點(diǎn)沖程長度，m；n0,i為第i臺(tái)抽油機(jī)系統(tǒng)的懸點(diǎn)沖次，min-1；a0,i為第i臺(tái)抽油機(jī)系統(tǒng)的泵排量系數(shù)。

30、進(jìn)一步的，第i臺(tái)抽油機(jī)懸點(diǎn)位置的最大載荷不應(yīng)大于抽油機(jī)的最大允許載荷，懸點(diǎn)載荷約束如下：

31、pi,t,max-[pi,t,max]≤0

32、式中：pi,t,max為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)懸點(diǎn)的最大載荷；[pi,t,max]為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)懸點(diǎn)的最大允許載荷。

33、進(jìn)一步的，第i臺(tái)抽油機(jī)工作時(shí)，曲柄軸最大凈扭矩應(yīng)小于最大允許扭矩，所述曲柄軸凈扭矩約束如下：

34、mi,t,max-[mi,t,max]≤0

35、式中：mi,t,max，t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)懸點(diǎn)的最大載荷；[mi,t,max]為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)的最大允許扭矩。

36、進(jìn)一步的，將第i臺(tái)抽油機(jī)的動(dòng)力設(shè)備電動(dòng)機(jī)的功率平衡度設(shè)定為85％～100％，平衡度約束如下：

37、

38、

39、式中：pi,t,down為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)的懸點(diǎn)下沖程電機(jī)的輸入功率；pi,t,up為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)的懸點(diǎn)上沖程電機(jī)的輸入功率。

40、進(jìn)一步的，沖次約束如下：

41、ni,t,min≤ni,t,0≤ni,t,max

42、ni,t,min≤ni,t,f≤ni,t,max

43、式中：ni,t,0為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)設(shè)備變頻控制前的沖次；ni,t,f為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)設(shè)備變頻控制后的沖次；ni,t,min為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)運(yùn)行的最小沖次約束；ni,t,max為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)運(yùn)行的最大沖次約束。

44、進(jìn)一步的，所述上下沖程時(shí)長約束如下：

45、

46、

47、式中：ti,t,up為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)上沖程所需要的時(shí)間；ti,t,down為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)下沖程所需要的時(shí)間。

48、進(jìn)一步的，第i臺(tái)抽油機(jī)在生產(chǎn)時(shí)需要校核強(qiáng)度，所述桿柱強(qiáng)度約束如下；

49、σi,t,max-[σmax]≤0

50、[σmax]＝k(0.25σb+0.5625σi,t,min)

51、式中：σi,t,max為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)桿頂位置處最大應(yīng)力，單位mpa；[σmax]為最大許用應(yīng)力，單位mpa；k為使用條件系數(shù)；σb為材料抗拉強(qiáng)度極限，單位mpa；σi,t,min為t時(shí)刻第i臺(tái)抽油機(jī)桿頂位置處最小應(yīng)力，單位mpa。

52、進(jìn)一步的，所述步驟s5中，所述抽油機(jī)參數(shù)優(yōu)化模型為：

53、minm碳排＝e碳排·pe·10-3

54、

55、

56、進(jìn)一步的，所述步驟s5中，采用枚舉法和遺傳算法相結(jié)合的方法求解抽油機(jī)參數(shù)優(yōu)化模型。

57、進(jìn)一步的，最優(yōu)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)包括抽油機(jī)的沖程、抽油機(jī)的沖次、曲柄平衡重量、抽油機(jī)平衡半徑和電動(dòng)機(jī)輸入功率。

58、本發(fā)明提供了一種抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡控制方法，使用上述抽油機(jī)參數(shù)優(yōu)化方法，根據(jù)最優(yōu)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低抽油機(jī)載荷的波動(dòng)程度，減輕傳動(dòng)和桿柱的機(jī)械疲勞程度，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的運(yùn)行效率的提高；根據(jù)最優(yōu)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的電機(jī)扭矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的優(yōu)化控制。

59、本發(fā)明提供了一種抽油機(jī)平衡模塊控制方法，使用上述抽油機(jī)參數(shù)優(yōu)化方法，通過對(duì)抽油機(jī)參數(shù)優(yōu)化模型求解，得到最優(yōu)平衡度設(shè)定值，利用最優(yōu)平衡度設(shè)定值調(diào)整平衡塊位置。

60、本發(fā)明提供了一種抽油機(jī)參數(shù)優(yōu)化方法，通過對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的能效評(píng)價(jià)，自動(dòng)預(yù)警能效低的抽油機(jī)井，并對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以區(qū)塊內(nèi)抽油機(jī)系統(tǒng)碳的排放量最小和區(qū)塊內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益最高，建立多目標(biāo)函數(shù)，建立油井產(chǎn)量約束、懸點(diǎn)載荷約束、曲柄軸凈扭矩約束、平衡度約束、沖次約束、上下沖程時(shí)長約束和桿柱強(qiáng)度約束，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和模型約束條件，建立抽油機(jī)參數(shù)優(yōu)化模型，并求解得出最優(yōu)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而為單井及井組(區(qū)塊)提供可行的考慮產(chǎn)出情況經(jīng)濟(jì)效益的節(jié)能技改方案和節(jié)能運(yùn)行方案；應(yīng)用最優(yōu)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，配套變頻調(diào)節(jié)和平衡塊伺服調(diào)節(jié)等硬件裝置，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)單井及井組(區(qū)塊)的節(jié)能運(yùn)行智能控制。

61、本發(fā)明一種抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡控制方法，在抽油機(jī)工作制的每一個(gè)工作周期內(nèi)對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化控制，根據(jù)最優(yōu)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低抽油機(jī)載荷的波動(dòng)程度，減輕傳動(dòng)和桿柱的機(jī)械疲勞程度，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的運(yùn)行效率的提高；根據(jù)最優(yōu)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的電機(jī)扭矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的優(yōu)化控制，以解決現(xiàn)有抽油機(jī)參數(shù)難以計(jì)算，控制延遲性問題。

62、本發(fā)明一種抽油機(jī)平衡模塊控制方法，通過對(duì)抽油機(jī)參數(shù)優(yōu)化模型求解，得到最優(yōu)平衡度設(shè)定值，利用最優(yōu)平衡度設(shè)定值調(diào)整平衡塊位置。