本實(shí)用新型屬于機(jī)采系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種游梁式抽油機(jī)間歇抽油控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

對于供液不足和低產(chǎn)低效井，以及開采中后期的低滲透井，隨著地層壓力的不斷降低，油井供液能力不足的現(xiàn)象十分普遍，由于供排不平衡，抽油機(jī)長期處于低效工作狀態(tài)，能量浪費(fèi)嚴(yán)重，設(shè)備無效磨損加劇，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益很低，出現(xiàn)了許多效率低下，甚至“負(fù)效益”的機(jī)械采油井，如何讓抽油機(jī)高效、節(jié)能的工作，成了亟待解決的問題。

從提高泵效和節(jié)能的角度來看，間歇抽油工作方式是一種極其有效的方式，克服了供液不足不能滿足抽油設(shè)備連續(xù)工作的問題，從而提高了泵效，但間歇抽油需要一段時(shí)間的液面恢復(fù)，在此過程中井筒壓力升高，隨之而來的是井筒與地層間壓差的減少以及地層滲流量的減少。因此，如何使抽油機(jī)井既能在高效狀態(tài)下運(yùn)行，同時(shí)又盡可能地發(fā)揮地層潛力。

通過油井調(diào)參，如加大泵掛深度，以提供較大的生產(chǎn)壓差；加長沖程、慢充數(shù)、小泵徑，可以提高油井的提液量，但是一旦油井出現(xiàn)調(diào)參困難，即調(diào)參余地不太大時(shí)，長時(shí)間抽油所帶來的負(fù)面影響將會(huì)加劇。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種游梁式抽油機(jī)間歇抽油控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際出液情況給出最合理的控制方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)采系統(tǒng)效率的提升、及能耗降低的目標(biāo)。

本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：

一種油井間抽控制系統(tǒng)，包括抽油機(jī)和控制器，所述控制器通過電動(dòng)機(jī)與所述抽油機(jī)連接，用于驅(qū)動(dòng)所述抽油機(jī)，所述抽油機(jī)上設(shè)置有載荷傳感器和位移傳感器，所述載荷傳感器和位移傳感器分別與所述控制器連接，用于將所述抽油機(jī)井抽油桿的載荷和位移測量信息實(shí)時(shí)發(fā)送給所述控制器，所述控制器連接有變頻裝置，所述變頻裝置與所述電動(dòng)機(jī)連接，用于變頻控制所述電動(dòng)機(jī)的啟停，實(shí)現(xiàn)間抽控制。

進(jìn)一步的，所述控制器包括井口采集器和RTU控制單元，所述井口采集器分別與所述載荷傳感器和位移傳感器連接，用于將所述載荷傳感器和位移傳感器的信息發(fā)送給所述RTU控制單元，所述RTU控制單元與所述變頻裝置連接，用于通過所述變頻裝置控制所述抽油機(jī)工作。

進(jìn)一步的，所述電動(dòng)機(jī)上設(shè)置有轉(zhuǎn)速傳感器和電參采集模塊，所述轉(zhuǎn)速傳感器和電參采集模塊分別與所述控制器連接，用于將所述電動(dòng)機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速以及電流電壓值發(fā)送給所述控制器。

進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)置在所述電動(dòng)機(jī)的輸出軸上，與所述RTU控制單元無線連接，用于將所述電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)送給所述RTU控制單元。

進(jìn)一步的，所述電參采集模塊設(shè)置在所述電動(dòng)機(jī)電壓端，與所述RTU控制單元連接，用于將所述電動(dòng)機(jī)的電流電壓值發(fā)送給所述RTU控制單元。

進(jìn)一步的，所述控制器上還設(shè)置有顯示單元和操作單元，所述顯示單元和操作單元分別與所述RTU控制單元連接，用于顯示和操作控制。

進(jìn)一步的，所述載荷傳感器設(shè)置在所述抽油機(jī)的井口懸繩器上。

進(jìn)一步的，所述位移傳感器設(shè)置在所述抽油機(jī)的游梁下方。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型至少具有以下有益效果：

本實(shí)用新型一種油井間抽控制系統(tǒng)，通過抽油機(jī)上的載荷傳感器和位移傳感器，分別采集抽油機(jī)井抽油桿載荷和位移的測量值，控制器根據(jù)采集到的所有信息通過變頻裝置控制電動(dòng)機(jī)的啟停，由控制器運(yùn)算并給出最優(yōu)控制策略，再將運(yùn)行參數(shù)發(fā)送至變頻裝置，根據(jù)實(shí)際出液情況通過變頻裝置對電機(jī)進(jìn)行合理控制，最終實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能運(yùn)行控制，滿足油井的供產(chǎn)協(xié)調(diào)，利用沖次智能調(diào)整和智能動(dòng)態(tài)間抽控制，從而實(shí)現(xiàn)油井的節(jié)能降耗以及減少運(yùn)行設(shè)備的損耗，隨動(dòng)控制滿足了一個(gè)沖程周期內(nèi)油井的精細(xì)化控制，進(jìn)一步提高油井系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低能耗。

進(jìn)一步的，控制器采用RTU控制單元分別獲取電動(dòng)機(jī)和抽油機(jī)的工作信息，具有通訊距離較長，能夠用于各種環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，模塊結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展，使用廣泛的特點(diǎn)。

進(jìn)一步的，通過轉(zhuǎn)速傳感器和電參采集模塊分別采集電動(dòng)機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速以及電流電壓值，實(shí)現(xiàn)對抽油機(jī)自動(dòng)啟停和剎車控制。

進(jìn)一步的，控制器上設(shè)置的顯示單元和操作單元便于日常操作。

進(jìn)一步的，通過安裝在井口懸繩器上的載荷傳感器和游梁下方的位移傳感器，對抽油機(jī)井抽油桿載荷和位移進(jìn)行測量，能夠采集載荷與時(shí)間、位移與時(shí)間曲線，計(jì)算獲得井口示功圖。

綜上所述，本系統(tǒng)根據(jù)停抽時(shí)間和抽油時(shí)間對間歇抽油制度進(jìn)行優(yōu)選，通過仿真分析，結(jié)合給定的允許產(chǎn)量下降界限，就可以確定最長停抽周期以及所對應(yīng)的抽油周期，根據(jù)示功圖判斷得到的油井供液情況，自動(dòng)學(xué)習(xí)、逐步逼近油井的最佳間抽時(shí)間。

下面通過附圖和實(shí)施例，對本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

【附圖說明】

圖1為本實(shí)用新型控制系統(tǒng)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型控制系統(tǒng)產(chǎn)液量為1t/d油井對應(yīng)的間開時(shí)間曲線圖；

圖3為本實(shí)用新型間開控制流程圖。

【具體實(shí)施方式】

游梁式抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)由游梁式抽油機(jī)上安裝的各種傳感器、變頻裝置和控制器組成。在電機(jī)位置安裝轉(zhuǎn)速傳感器和電參采集模塊，在抽油機(jī)上安裝載荷、位移傳感器，將各種傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制器，由控制器運(yùn)算并給出最優(yōu)控制策略，再將運(yùn)行參數(shù)發(fā)送至變頻裝置，變頻裝置對電機(jī)進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能運(yùn)行控制。

請參閱圖1所示，本實(shí)用新型公開了一種油井間抽控制系統(tǒng)，包括抽油機(jī)和控制器，所述控制器通過電動(dòng)機(jī)與所述抽油機(jī)連接，用于驅(qū)動(dòng)所述抽油機(jī)，所述抽油機(jī)上設(shè)置有載荷傳感器和位移傳感器，所述載荷傳感器和位移傳感器分別與所述控制器連接，用于將所述抽油機(jī)井抽油桿的載荷和位移測量信息實(shí)時(shí)發(fā)送給所述控制器，所述控制器連接有變頻裝置，所述變頻裝置與所述電動(dòng)機(jī)連接，用于變頻控制所述電動(dòng)機(jī)的啟停，實(shí)現(xiàn)間抽控制。

其中，所述控制器包括井口采集器、RTU控制單元、顯示單元和操作單元，所述井口采集器分別與所述載荷傳感器和位移傳感器連接，用于將所述載荷傳感器和位移傳感器的信息發(fā)送給所述RTU控制單元，所述RTU控制單元與所述變頻裝置連接，用于通過所述變頻裝置控制所述抽油機(jī)工作。所述電動(dòng)機(jī)上設(shè)置有轉(zhuǎn)速傳感器和電參采集模塊，所述轉(zhuǎn)速傳感器和電參采集模塊分別與所述控制器連接，用于將所述電動(dòng)機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速以及電流電壓值發(fā)送給所述控制器，所述顯示單元和操作單元分別與所述RTU控制單元連接，用于顯示和操作控制。

所述轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)置在所述電動(dòng)機(jī)的輸出軸上，與所述RTU控制單元無線連接，用于將所述電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)送給所述RTU控制單元。所述電參采集模塊設(shè)置在所述電動(dòng)機(jī)電壓端，與所述RTU控制單元連接，用于將所述電動(dòng)機(jī)的電流電壓值發(fā)送給所述RTU控制單元。

本系統(tǒng)采用控制抽油機(jī)間歇抽油，通過間歇泵抽工作模式協(xié)調(diào)井底供排平衡，動(dòng)態(tài)選取抽油機(jī)間抽標(biāo)準(zhǔn)和停機(jī)時(shí)間，運(yùn)用對比優(yōu)化的方法，合理控制抽油機(jī)啟停，發(fā)揮油井最大潛能，使有桿泵抽油井實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的最大化，能量消耗的最小化和檢泵周期的最長化。

本實(shí)用新型一種油井間抽控制系統(tǒng)的具體控制方法如下：

S1、在井口懸繩器上安裝載荷傳感器，在游梁下方安裝位移傳感器，采集抽油機(jī)井抽油桿載荷和位移信息；

通過安裝在井口懸繩器上的載荷傳感器和游梁下方的位移傳感器，對抽油機(jī)井抽油桿載荷和位移進(jìn)行測量，采集載荷與時(shí)間、位移與時(shí)間曲線。通過計(jì)算獲得井口示功圖，采集頻率根據(jù)油田產(chǎn)量和出液規(guī)律，確定每一口油井巡測一組示功圖數(shù)據(jù)的頻率，對低產(chǎn)井宜采用10分鐘的頻率，且一天采集的有效功圖數(shù)不少于110張，一個(gè)沖程周期內(nèi)等時(shí)間間隔測取數(shù)據(jù)組點(diǎn)數(shù)不少于200個(gè)。

S2、在電動(dòng)機(jī)上安裝轉(zhuǎn)速傳感器和電參采集模塊，同步采集電動(dòng)機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)三相電流和電壓信息；

在電動(dòng)機(jī)上安裝電參采集模塊，通過電壓和電流采集電路對電動(dòng)機(jī)的三相電流、電壓進(jìn)行同步采集，一個(gè)沖程周期內(nèi)等時(shí)間間隔測取數(shù)據(jù)組點(diǎn)數(shù)不少于200個(gè)。通過三相電能質(zhì)量分析芯片計(jì)算電機(jī)功率。在電動(dòng)機(jī)軸輸出端安裝轉(zhuǎn)速傳感器，同步采集電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速，一個(gè)沖程周期內(nèi)等時(shí)間間隔測取數(shù)據(jù)組點(diǎn)數(shù)不少于200個(gè)。

S3、將步驟S1和S2采集的信息發(fā)送給控制器，控制器計(jì)算電動(dòng)機(jī)的參數(shù)信息后發(fā)送給變頻裝置，建立油井產(chǎn)量計(jì)算模型，根據(jù)抽油和停抽時(shí)間確定間歇抽油制度，由變頻裝置通過控制電流頻率和工作時(shí)間控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，進(jìn)行油井間抽控制。

載荷和位移電信號(hào)通過電纜線傳至井口采集器，上傳至RTU控制單元進(jìn)行運(yùn)算求解功圖數(shù)據(jù)，電參采集模塊將計(jì)算的電動(dòng)機(jī)功率上傳至RTU控制單元，電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至RTU控制單元。RTU控制單元通過運(yùn)算，計(jì)算電動(dòng)機(jī)運(yùn)行及停止時(shí)間、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速ω分布和電流頻率f分布。并將參數(shù)發(fā)送給變頻裝置，變頻裝置通過控制電流頻率、工作時(shí)間等控制電機(jī)運(yùn)行，進(jìn)行油井間抽控制。

油井間抽控制方法具體如下：

請參閱圖3所示，利用功圖法間開控制技術(shù)，實(shí)時(shí)測量載荷、位移數(shù)據(jù)，如果抽油機(jī)停機(jī)，確定抽油機(jī)當(dāng)前停機(jī)時(shí)長，如果當(dāng)前時(shí)長大于停機(jī)時(shí)長，啟動(dòng)抽油機(jī)，否則返回對載荷、位移進(jìn)行實(shí)測；如果抽油機(jī)未停機(jī)，確定設(shè)定的載荷點(diǎn)不被包含在功圖中并且該狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間是否大于設(shè)定時(shí)間，如果不大于，返回繼續(xù)對載荷、位移進(jìn)行實(shí)測，如果大于，則確定抽油機(jī)啟動(dòng)后運(yùn)行的時(shí)間與最短運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，如果啟動(dòng)后運(yùn)行時(shí)間小于最短運(yùn)行時(shí)間，返回繼續(xù)對載荷、位移進(jìn)行實(shí)測，如果啟動(dòng)后運(yùn)行時(shí)間大于最短運(yùn)行時(shí)間，確定抽油機(jī)啟動(dòng)后運(yùn)行的時(shí)間與設(shè)置時(shí)間的關(guān)系，如果啟動(dòng)后運(yùn)行時(shí)間大于設(shè)置時(shí)間，確定停機(jī)時(shí)長等于上次停機(jī)時(shí)長+步長，抽油機(jī)停機(jī)，返回實(shí)時(shí)測量載荷、位移數(shù)據(jù)，如果啟動(dòng)后運(yùn)行時(shí)間小于設(shè)置時(shí)間，確定停機(jī)時(shí)長等于上次停機(jī)時(shí)長-步長，抽油機(jī)停機(jī)，返回實(shí)時(shí)測量載荷、位移數(shù)據(jù)。

建立油井流入特性曲線模型

根據(jù)達(dá)西定律，對于平面徑向流動(dòng)，單相滲流的油井產(chǎn)量計(jì)算模型為：

式中：h——地層有效厚度，m；r_e——油井供油邊緣半徑，m；r_w——井眼半徑，m；k——地層滲透率，μm²；h——油層厚度，m；p_wf——流壓，MPa；p_r——油層靜壓，MPa；p——壓力，MPa；K_o——油相相對滲透率；B_o——原油體積系數(shù)，m³/m³；μ_o——地層油粘度，mPa.s。

p_wf＞p_b的情況如下：

當(dāng)?shù)貙又兄淮嬖趩蜗嗔鲃?dòng)時(shí)，油井產(chǎn)量公式為

Q_o＝J(p_r-p_wf) (2)

式中：Q_o——油井產(chǎn)量，m³/d；J——采油指數(shù)，m³/(s·Pa)。

pb＞pr＞pwf的情況如下：

當(dāng)飽和壓力高于靜壓時(shí)，油井產(chǎn)量為

式中：Q_m為流動(dòng)壓力為零時(shí)的產(chǎn)量，m³/d。

pr＞pb＞pwf的情況如下：

當(dāng)飽和壓力低于靜壓時(shí)，油井產(chǎn)量為

式中：Q_b——流壓等于飽和壓力時(shí)的產(chǎn)量，m³/d；p_b——飽和壓力，Pa。

對于公式(2)～(4)所示的傳統(tǒng)油井流入特性曲線，其特征為油井產(chǎn)量隨流壓的下降而增加；隨流壓的增加而減少。顯然，若油井遵循傳統(tǒng)流入特性曲線，當(dāng)采用間歇抽油制度時(shí)，由于液面恢復(fù)會(huì)導(dǎo)致流壓增加，則間歇抽油制度會(huì)降低油井產(chǎn)量。

間歇抽油制度優(yōu)選具體如下：

間歇抽油制度包括兩個(gè)參數(shù)：一是停抽時(shí)間T_S；二是抽油時(shí)間T_P。

在停抽周期T_S內(nèi)，井口不產(chǎn)液。由于油井動(dòng)液面處于恢復(fù)狀態(tài)，因此流壓一直處于增加狀態(tài)并高于連續(xù)抽油的流壓，導(dǎo)致地層流入油套環(huán)空的液量有所降低；在抽油周期T_P內(nèi)，抽油泵將油套環(huán)空內(nèi)流體抽汲到油管內(nèi)并舉升到地面，井口產(chǎn)液。在抽油泵抽汲舉升原油的同時(shí)，地層內(nèi)流體連續(xù)流入到油套環(huán)空內(nèi)。雖然抽油泵抽汲液體導(dǎo)致液面逐漸降低，但由于在抽油過程中，液面仍然高于連續(xù)抽油的液面，即流壓高于連續(xù)抽油的流壓，因此在抽油過程中，地層流入井筒的液量也有所所降低。

停抽過程中液面恢復(fù)高度的仿真模型具體如下：

在停抽周期T_S內(nèi)，任意時(shí)刻液面高度滿足如下方程：

式中：H_d0—連續(xù)抽油時(shí)的動(dòng)液面，m；A_c—油套環(huán)空過流面積，m²；T—計(jì)算時(shí)刻，d；H_d—時(shí)刻t的動(dòng)液面，m；p_wf—時(shí)刻t的流壓，Pa；Q(p_wf)—時(shí)刻t與流壓p_wf對應(yīng)的地層流入井筒的瞬時(shí)流量，m³/d。

油井流壓不僅與動(dòng)液面H_d有關(guān)，而且與油藏參數(shù)、地層流入井筒的瞬時(shí)流量、井身結(jié)構(gòu)有關(guān)。本項(xiàng)目采用多相流模型計(jì)算流壓，具體計(jì)算方法見附錄Ⅰ。

由上述模型可以計(jì)算出液面恢復(fù)高度H_d、流壓p_wf、地層流入井筒的瞬時(shí)流量Q隨時(shí)間t的變化規(guī)律，進(jìn)而可以計(jì)算出如下參數(shù)：

a)停抽周期內(nèi)地層流入井筒的液量相對于連續(xù)抽油流入液量所下降的百分?jǐn)?shù)；

b)停抽周期末液面恢復(fù)后的高度H_dmin。

抽油周期與抽油周期內(nèi)油井產(chǎn)量的仿真模型具體如下：

在抽油周期T_P內(nèi)，任意時(shí)刻液面高度：

式中：p_s—時(shí)刻t抽油泵的沉沒壓力，Pa；H_dmin起抽瞬時(shí)的最小液面深度，m；Q_p(p_s)—時(shí)刻t與沉沒壓力p_s對應(yīng)的抽油泵排量，即油井瞬時(shí)產(chǎn)量，m³/d。

瞬時(shí)產(chǎn)量Q_p(p_s)由下式計(jì)算：

式中：D—抽油泵柱塞直徑，m；S—懸點(diǎn)沖程長度，m；n—沖次，min^-1；α—抽油泵排量系數(shù)。

抽油泵排量系數(shù)由下式計(jì)算：

α＝α_Sα_Fα_Lα_V (8)

式中：α_S—柱塞有效沖程系數(shù)；α_F—充滿系數(shù)；α_L—泵的漏失系數(shù)；α_V—沉沒壓力條件下溶氣原油的體積系數(shù)。

其中：

式中：S_pump—柱塞沖程長度，m；K—余隙系數(shù)，K＝S₀/S；S₀—余隙長度，m；R—泵吸入口氣液比，m³/m³；p_s—抽油泵吸入口沉沒壓力，MPa；p_d—抽油泵排出口排出壓力，MPa；n—天然氣多變過程指數(shù)；n_w—含水率；A_P—柱塞橫截面積，m²；ΔQ—在柱塞的一個(gè)沖程過程中，液體經(jīng)柱塞與泵筒之間的間隙漏失量，m³；B_ops—泵吸入口條件下，泵筒內(nèi)原油的體積系數(shù)；B_wps—泵吸入口條件下，水的體積系數(shù)。

柱塞與泵筒之間的間隙漏失量由下式計(jì)算：

式中：D——柱塞直徑，m；Δp——上沖程柱塞上下壓差，Pa；δ——柱塞與泵筒之間的平均半徑內(nèi)隙，m；L_C——柱塞長度，m；e——柱塞中心線相對于泵筒中心線的偏心距，m；ε——相對偏心率，ε＝e/δ；T_u——柱塞一個(gè)上沖程所對應(yīng)的時(shí)間，s；μ——油井液體的動(dòng)力粘度，Pa·s。

根據(jù)上述模型，可以確定如下參數(shù)：

a)抽油周期T_P：液面由H_dmin下降到連續(xù)抽油液面所經(jīng)歷的時(shí)間；

b)油井產(chǎn)量：首先計(jì)算出抽油周期T_P內(nèi)的產(chǎn)液量，并根據(jù)停抽周期T_S和抽油周期T_P確定油井平均日產(chǎn)液量。

實(shí)施例

請參閱圖2所示，根據(jù)間抽控制仿真模型，可算出日產(chǎn)液為Q＝1t/d的油井，要保證產(chǎn)液量損失率小于5％時(shí)，見停抽周期內(nèi)流入流體平均流量及其下降率小于14個(gè)小時(shí)，正常抽汲大于8小時(shí)。

通過仿真分析，結(jié)合給定的允許產(chǎn)量下降界限，就可以確定最長停抽周期以及所對應(yīng)的抽油周期。

以產(chǎn)量下降率不大于5％為標(biāo)準(zhǔn)，對不同產(chǎn)液量油井的間抽制度進(jìn)行優(yōu)選。不同產(chǎn)量區(qū)間的制度為：

當(dāng)油井產(chǎn)量≤1t/d時(shí)，累計(jì)停抽時(shí)長為12小時(shí)；

當(dāng)油井產(chǎn)量1t/d～1.5t/d時(shí)，累計(jì)停抽時(shí)長8小時(shí)；

當(dāng)油井產(chǎn)量1.5t/d～2t/d時(shí)，累計(jì)停抽時(shí)長6小時(shí)。

在設(shè)定的初始間抽時(shí)間的基礎(chǔ)上，根據(jù)示功圖判斷得到的油井供液情況，自動(dòng)學(xué)習(xí)、逐步逼近油井的最佳間抽時(shí)間。油井供液能力發(fā)生變化，系統(tǒng)也將及時(shí)自動(dòng)調(diào)整間抽時(shí)間。

以上內(nèi)容僅為說明本實(shí)用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡是按照本實(shí)用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本實(shí)用新型權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。