Research of Frequency Conversion Control System Technology Based on Comprehensive Diagnosis of Oil Wells TAN Chao-dong1，LIU Bai-liang2，YANG Fu-qing1，TAN Ge-qin3，ZHANG Jie3                         （1. MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，China University of Petroleum, Beijing 102249，China; 2.Dagang Oil Company of Petrochina Tianjin  300280；3. Beijing Yadan Petroleum Technology Co.，Ltd.，Beijing 102200，China）

      Abstract：The paper puts forwards a new Frequency Conversion Control System of oil wells and a Frequency Conversion Control Technology of data acquisition and control optimization terminal. The system consists of data acquisition and control terminal, converter processing unit and frequency converter, can acquire and transmit dynamometer cards, pressure, temperature, electrical parameters and other data of oil wells, diagnoses the working condition comprehensively, and optimizes best Frequency Scheme according to the comprehensive diagnosis results but not adjusts the frequency of motor only according to dynamic level like before. Field application indicates that the acquisition data is reliable, analysis of work condition is accurate, frequency adjustment is scientific, and achieves to improve the well production and equipment efficiency.       Key words：oil well；comprehensive diagnosis；data acquisition；frequency control       我國(guó)油田85%以上的油井采用機(jī)械采油方式，而其中60%的油井為低效抽油，普遍存在抽油能力大于油井出油能力及泵效低下的問(wèn)題，在低產(chǎn)井上尤其嚴(yán)重。因此，油井變頻控制就成為了必然。若不進(jìn)行有效的變頻控制或不能準(zhǔn)確地執(zhí)行變頻控制，一方面會(huì)造成低泵效、高能耗、低效益；另一方面當(dāng)油井供液能力小于泵排量時(shí)，會(huì)發(fā)生泵空和液擊的現(xiàn)象，對(duì)采油設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞。因此，進(jìn)行有效和準(zhǔn)確的變頻控制對(duì)于維護(hù)油井正常生產(chǎn)運(yùn)行及節(jié)約能源具有重大意義。       目前采用的變頻控制方式是利用次聲波對(duì)井下動(dòng)液面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建立動(dòng)液面回波識(shí)別模型與計(jì)算方法，利用相關(guān)的計(jì)算機(jī)控制軟件來(lái)完成對(duì)采油設(shè)備的變頻控制。但是，影響采油設(shè)備工作狀況和油井產(chǎn)能狀況的因素不只是動(dòng)液面，以動(dòng)液面做為變頻優(yōu)化的基礎(chǔ)依據(jù)本身就是片面的。在動(dòng)液面不是主要因素，動(dòng)液面之外的因素對(duì)油井產(chǎn)能起著主要制約作用的情況下，按照該方式進(jìn)行變頻控制就不能在全面了解油井工況的條件下盲目地進(jìn)行變頻操作，否則不僅引發(fā)油井采油設(shè)備工作的更加紊亂，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的油井生產(chǎn)事故。       該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程油井設(shè)備和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集和傳輸，在無(wú)人值守情況下及時(shí)掌握油井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)變化，在此基礎(chǔ)上由遠(yuǎn)程變頻控制單元利用功圖、壓力、溫度和電參量等數(shù)據(jù)對(duì)油井工況進(jìn)行綜合診斷[1-2]，依據(jù)油井綜合診斷結(jié)果選擇最佳變頻方案，再利用優(yōu)化方法對(duì)變頻參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采油設(shè)備的最高效變頻控制，達(dá)到避免事故發(fā)生和提高設(shè)備效率的應(yīng)用效果。 1  系統(tǒng)組成        油井變頻控制系統(tǒng)由用戶(hù)端、數(shù)據(jù)采集控制終端、變頻器和變頻處理單元組成，采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑–DMA或GPRS），適用于具有“用戶(hù)多，分布分散”特點(diǎn)的油井的數(shù)據(jù)采集，其構(gòu)架如圖1所示。

圖1  油井變頻控制系統(tǒng)構(gòu)架

1.1  用戶(hù)終端       用戶(hù)終端與變頻處理單元連接，包括參數(shù)配置單元和Web發(fā)布單元（圖1中未示出）。用戶(hù)終端對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能、參數(shù)（如用戶(hù)參數(shù)，油井分類(lèi)參數(shù)和時(shí)間間隔參數(shù)等）進(jìn)行配置，使整個(gè)系統(tǒng)按照最合理的方式運(yùn)行。同時(shí)可以分配用戶(hù)、角色、權(quán)限等，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全。 1.2  變頻處理單元       變頻處理單元用于接收基本數(shù)據(jù)和變頻反饋信息，并根據(jù)基本數(shù)據(jù)、變頻反饋信息、預(yù)存基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和綜合診斷，并根據(jù)綜合診斷結(jié)果確定變頻參數(shù)，并發(fā)送變頻指令至數(shù)據(jù)采集控制終端，如圖1所示。       變頻控處理單元通過(guò)數(shù)據(jù)采集控制終端自動(dòng)實(shí)時(shí)采集工況數(shù)據(jù)，無(wú)需人工干預(yù)；通過(guò)數(shù)據(jù)接收單元和數(shù)據(jù)分析單元，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)分析，生成各種分析報(bào)表。綜合診斷單元再根據(jù)該數(shù)據(jù)分析結(jié)果、基本數(shù)據(jù)、變頻反饋信息和預(yù)存基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合診斷，以獲取綜合診斷結(jié)果；變頻優(yōu)化單元再根據(jù)綜合診斷結(jié)果，首先判斷是否需要對(duì)變頻參數(shù)進(jìn)行變頻優(yōu)化，若判斷結(jié)果為是，則可采用RL模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[3]對(duì)變頻參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，將優(yōu)化后的優(yōu)化變頻參數(shù)傳送至變頻控制單元。變頻控制單元根據(jù)歷史變頻參數(shù)對(duì)優(yōu)化變頻參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證通過(guò)，則發(fā)送變頻指令將優(yōu)化變頻參數(shù)傳送至數(shù)據(jù)采集控制終端；若驗(yàn)證未通過(guò)，則拒絕執(zhí)行本次優(yōu)化變頻參數(shù)，將頻率轉(zhuǎn)速等優(yōu)化變頻參數(shù)發(fā)送給變頻優(yōu)化單元重新進(jìn)行變頻優(yōu)化。此外，變頻處理單元中的存儲(chǔ)單元用于各個(gè)單元的相關(guān)數(shù)據(jù)，信息發(fā)布單元可提取存儲(chǔ)單元的記錄進(jìn)行瀏覽或查詢(xún)，其流程如圖2 所示。

圖2   變頻處理單元流程

1.3   數(shù)據(jù)采集控制終端       數(shù)據(jù)采集控制終端用于采集油井的基本數(shù)據(jù)、變頻器的變頻反饋信息，并將基本數(shù)據(jù)和變頻反饋信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送；接收變頻處理單元傳送的變頻指令以及其他控制指令（如急停/報(bào)閘指令），并發(fā)送至變頻器。數(shù)據(jù)采集控制終端可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集和傳輸，在無(wú)人值守情況下及時(shí)掌握油井的采油動(dòng)態(tài)變化，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3   數(shù)據(jù)采集控制終端結(jié)構(gòu) 

數(shù)據(jù)采集控制終端的功能如下： 1） 電參量采集功能。能采集到油井電動(dòng)機(jī)的電壓，電流，功率和功率因素。 2） 功圖數(shù)據(jù)采集功能。 3） 壓力/溫度數(shù)據(jù)采集功能。 4） 現(xiàn)場(chǎng)液晶顯示功能。 5） 集成GPRS/CDMA數(shù)據(jù)發(fā)送功能。 6） 現(xiàn)場(chǎng)變頻控制功能。 7)  內(nèi)置可方便更換的高能電池，在每天上傳2次數(shù)據(jù)的情況下，連續(xù)工作時(shí)間不小于12個(gè)月。 1.4  變頻器       變頻器用于接收數(shù)據(jù)采集控制終端傳送的變頻指令，根據(jù)該變頻指令對(duì)該油井電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。變頻器還包括電源管理單元，用于為變頻器供電，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4  變頻器結(jié)構(gòu)示意

      變頻器工作原理為：信息收發(fā)單元接收數(shù)據(jù)采集控制終端發(fā)送的變頻指令并發(fā)送至變頻管理單元；變頻管理單元再將接收到的變頻指令傳送至變頻驅(qū)動(dòng)單元；變頻驅(qū)動(dòng)單元接收變頻指令，對(duì)油井電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻，并且傳送該變頻器自身的運(yùn)行信息；反饋管理單元用于接收變頻驅(qū)動(dòng)單元傳送的變頻反饋信息，并傳送至信息收發(fā)單元；信息收發(fā)單元還用于發(fā)送該變頻反饋信息至數(shù)據(jù)采集控制終端。       數(shù)據(jù)接收單元和存儲(chǔ)單元可采用油田Internet主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)分析單元、綜合診斷單元、變頻優(yōu)化單元、變頻控制單元和信息發(fā)布單元可采用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

圖5  油井變頻控制系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)模擬圖

      其中，可通過(guò)GPRS或CDMA網(wǎng)絡(luò)、油田Internet主機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制終端與服務(wù)器之間的雙向通信，一方面數(shù)據(jù)采集控制終端將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到油田Internet主機(jī)，進(jìn)而傳遞回服務(wù)器；另一方面，服務(wù)器接收用戶(hù)終端發(fā)出的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和變頻等指令，通過(guò)油田Internet主機(jī)將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和變頻指令發(fā)送到數(shù)據(jù)采集控制終端。油田Internet主機(jī)將數(shù)據(jù)采集控制終端傳上來(lái)的頻率轉(zhuǎn)速等編碼數(shù)據(jù)解析處理后存到存儲(chǔ)單元中。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸、解析、存儲(chǔ)過(guò)程都有統(tǒng)一的協(xié)議和規(guī)范，來(lái)保證系統(tǒng)的一致性、兼容性和擴(kuò)展性。 2  系統(tǒng)功能       該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)油井工況的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)分析及間抽、采集密度、開(kāi)關(guān)井、遠(yuǎn)程變頻等遠(yuǎn)程控制功能，并且這些功能在油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了顯著的效益[4-6]。 1） 實(shí)現(xiàn)油井功圖、電參量、壓力、溫度和變頻反饋信息的自動(dòng)實(shí)時(shí)采集、解析、入庫(kù)，無(wú)需人工干預(yù)[4]。 2） 系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析，生成各種分析報(bào)表。 3） 實(shí)現(xiàn)對(duì)油井工況的綜合診斷，在綜合診斷基礎(chǔ)上進(jìn)行變頻優(yōu)化設(shè)計(jì)。 4） 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻參數(shù)的精細(xì)化優(yōu)化設(shè)計(jì)。 5） 實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的遠(yuǎn)程變頻控制，形成一個(gè)從數(shù)據(jù)采集到遠(yuǎn)程變頻控制的閉環(huán)。 6） 通過(guò)用戶(hù)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)油井運(yùn)行參數(shù)、采集方式的設(shè)置。 7） 使用Web發(fā)布功能，實(shí)現(xiàn)相關(guān)人員利用瀏覽器了解油井的工況和各種報(bào)表數(shù)據(jù)的瀏覽；利用用戶(hù)、權(quán)限的合理分配，讓使用人員了解權(quán)限范圍內(nèi)的信息。 8) 數(shù)據(jù)采集控制終端（RTU）使用的主芯片是MSP430系列，它的最大優(yōu)勢(shì)在于低功耗，適用于油井停機(jī)停電報(bào)警無(wú)外部供電、采用高能電池長(zhǎng)期供電的應(yīng)用要求。 3  結(jié)論       本文提出了一種油井變頻控制優(yōu)化技術(shù)，特別涉及一種基于網(wǎng)絡(luò)的油井變頻控制系統(tǒng)和低功耗的數(shù)據(jù)采集控制終端。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程油井采油動(dòng)態(tài)資料數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集和傳輸，對(duì)油井工況進(jìn)行綜合診斷，采用RL模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)變頻參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且通過(guò)變頻處理單元的處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)采油設(shè)備的最高效變頻控制，形成一個(gè)從數(shù)據(jù)采集到遠(yuǎn)程變頻控制的閉環(huán)，達(dá)到避免事故發(fā)生和提高系統(tǒng)效率的最佳應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)： [1]  Gibbs S G，Neely A B． Computer Diagnosis of Down-Hole Conditions in Sucker-rod Pumping Well[J]．JPT, January 1966:91-98 [2]  T．A．Everitt．An Improved Finite Difference Calculation of Down-Hole Dynamometer Cards for Sucker Rod Pumps[R]．  SPE18189, 1989 [3] 丁  寶. RL模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其在采油控制中的應(yīng)用[J]. 控制工程，2002，9(6)：57-59. [4] 檀朝東，羅曉明，檀朝鑾. 油水井遠(yuǎn)程監(jiān)控液量自動(dòng)計(jì)量及分析系統(tǒng)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械. 2007，36(1)：49-52. [5] 任宏彪，張大志，張勇軍. 基于S7-300型PLC的變頻自動(dòng)送鉆系統(tǒng)模糊控制[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械， 2010，39（4）：24-27. [6] 姜民政，王  慧，高  源，等.變速驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)井運(yùn)行參數(shù)變化規(guī)律研究[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械， 2010，39（10）：4-7.