智能采油控制系统研究Word文件下载.doc

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由于目前许多井上已经配备了变频器，本文采用通过控制变频器的方法来调节抽油机的冲程次数。

课题研究的系统由单片机C8051F015和各种接口组成。

在变送器的选型和接口设计，模糊控制器设计，人机对话界面设计上作了很多工作。

关键词：

有杆抽油，单片机C8051F015，模糊控制，节电

StudyonControlSystemofIntelligenceOilExtraction

Abstract

Nowadaystheoilpumpswithsucker-rodarestillthemainfacilitiesforoilrecoveringinourcounty．Oilpumpswithsucker-rod，beampumpingunit，oil—welpumpconsumealotofenergy．Attheendofoil—pumping（namedterminaloilwell）thestroke’Sefficiencyisverylowforthedecreaseofproduction．thelowfluidlevelandtheinstabilityfluidlevel．Itleadstotheincreaseofelectricitycostandwastealotofenergy．Owingtooilpumpsexcessenergy，thenullpumpbecomesmoreandmoreserious．So，itisnecessarythatwecoulddevelopanewintelligenceenergysavingdevicetochangethestroke’Sstateinlongtermlowefficiency．Itshouldletthestrokematchtheloadtoassurancepumpedoilduringeverypumping，reducenullpumpingandnullwork．Itwillreducethecostofelectricityandthelossofmachine，

decreasethecostofmaintenanceandincreasethelifeofoilpumps．

Thepremiseofintelligencepumpingisthevolumeofpumps’productionandtheliquidlevelofoilwell．Itisdifficultytomeasuretheliquidlevelofoilwell．Recenetly，therearenotanywaystomeasureoilliquidlevel．Butmeteringpumps’productionCantelltheliquidlevelofoilwell．Themeasurementdeviceofweighoilcanmeasureoilproductionwiththewayofweighoil．Itcanmeasureon—line．ThepowertransducerCanmeasuretheconsumptionofelectricityenery．Thepaperusethewayoffuzzycontroltolettheoilpumps’numberofstroke

inaproperrange．Duetothemassapplicationoftheconverter，thepaperusethemethordof

controltheconvertertosettheoilpumps’numberofstroke．

Thesystemofthispaperresearchmakeupofvariousinterfaceandthesingle—chipmicrocomputerC8051F015．Ittakealottimeinthelectotypetransducer，designfuzzycontrollerandman．machineinteraction

KeyWords：

Oilpumpwithsucker-rod，Single-chipmicrocomputerC8051F015tFuzzy

control，Power-saving.

独创性说明

本人郑重声明：

所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工

作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方

外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得

沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。

与我一同

工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表

示了谢意。

签名：

日期：

关于论文使用授权的说明

本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：

学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；

学校可以公

布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论

文。

（保密的论文在解密后应遵循此规定）

沈阳工业大学硕十学位论文

1绪论

1．1背景和意义

在过去的几十年罩，我国石油行业迅速发展，使我国迅速甩掉了石油落后帽子，创造了可观的国民经济产值。

但从国内石油生产状况来看，由于受资源条件限制，我国石油丌采成本较高。

随着石油系统的重组改制和我国加入WTO，石油企业面l临非常激烈的市场竞争。

由于我国高速的经济发展需要大量的原油，因此许多低产油井仍在继续采油。

如何使这类抽油机在基本不影响产量的情况下大幅度节能，是一个急待解决的课题。

当前油田的生产目标是降低生产成本，提高原油产量。

在各种人工举升采油方法中，目前应用最多的是往复驱动柱塞式抽油机，在这类抽油机中，游梁式抽油机又占了主导地位。

近年来为了满足大泵、深抽、长冲程及节能的需求，国内各抽油机生产厂家开发了各种新型抽油机，如异相型、Iii『置型、气平衡型、旋转驴头型、链条型、双驴头型、异型游梁型、偏轮型、二次平衡型等几十种新型抽油机。

为了减小抽油机上下冲程负荷的波动，游梁式抽油机一般都配有平衡块。

抽油机电机的负荷是一周期性脉动负荷，并迭加有瞬间的冲击。

抽油机电机的负荷曲线上有两个峰值，分别为抽油机上下冲程的“死点”。

抽油机自由停车后再启动时，总是从死点处启动，因此抽油机电机要求启动转矩大。

为了保证足够大的启动转矩，抽油机电机选择应留有一定的余量。

另外，泵挂深度、动液面、含水粘稠度和井口回压等也对载荷有较大的影响，使得电动机余量进一步增大Ⅲ。

运行时平均负荷率很低，一般在20％左右，负荷率高的也不过才30％。

低负荷运行造成功率因数低，效率低，电能浪费大，造成“大马拉小车”的状况。

尤其是随着我国油用石油的开采，大部分油井都到了中后期，地层压力下降，造成有些油井必然产液能力不足，这类油井采用抽油机采油时，由于产抽不平衡，油井动液面会逐渐降低，当液面低于管式泵体时，抽油泵将长期处于低效工作，必然会发生空抽现象，即每次只能抽取很少甚至完全抽不到油。

空抽首先会造成电能的大量浪费；

其次由于抽油设备长期连续运行，机械损耗大、加速设备老化，随之也增加了维护费用和停机维修时间；

更严重的情况下会由于液击而导致抽油杆的断裂口。

因此这类油井应当及时降低抽油机的工作频率甚至停止抽油机运行，避免白白浪费电力。

同时，减小设备的无效磨损，延长使用寿命。

长期以来，石油行业的专家、技术人员一直致力于在不降低产量的前提下如何避免抽油机出现空抽，从而减少无效电耗和机械损耗。

控制抽油机在空抽状态下停止运行是最常用的方法。

此时，如何判定抽油机处于空抽状态成为问题的关键。

对此，专家们进行了大量的研究，并取得了不少成果，在实际运行中也出现了采取人工操作、辅助测量、定时控制等多种控制方法和相应设备。

但是由于处理技术复杂，需要昂贵的仪器设备，因此很长一段时间内都没有理想、实用的解决方案。

随着超大舰模集成电路、微处理机的出现，计算机测控技术的发展，使人们能够用较低廉的成本生产出高效能的节能控制设备【21。

近几年束国内外纷纷把这一研究的重点集中到以微处理机为核心的智能化抽油机节能控制装置上。

课题的出发点就足优化广泛使用的游梁式抽油机控制系统，使之能够根据油层变化随时任意方便地调节抽油控制参数，节省电能，降低丌采成本的同时不影响原油产量。

12抽油机工作效率的测量

机械采油井的深井泵是活塞式抽油泵，抽吸对象是油、气、水三相流体，工作在井下数百甚至数千米。

反映深井泵是否工作正常的重要标志是“泵效”，即实际排量与理论排量的比值。

深井泵之所以能够J下常排液是因为有液体进入泵筒内，即只要泵吸入口始终在液体中，就会有泵效。

泵吸入口以上的环空液柱高度称为沉没度。

沉没度实际上是输送液体进入泵筒内的能量，它的大小可以改变深井泵的工作状况。

当沉没度高，泵吸入口则压力大，有利于泵效的提高。

如果深井泵的沉没度等于或大于泵吸入口深度即液面在井口，将会导致“连喷带抽”的生产念势，泵效奇高。

可见深井泵的泵效高低与沉没度大小有着密切关系【3】。

因此，泵效和沉没度的关系成为人们衡量深井泵工作是否正常的标志。

如果沉没度很高而泵效很低或为零，说明井下有故障，需要上措施。

从经济角度出发，要求机械采油井必须有较高的总机效率，达到能耗低、效益高之目的。

在实际生产中，由于受多种因素的影啊，抽油机．深井泵装胃的系统效率低，这与抽油机结构、电机效率、皮带传动效率、变速箱传动效率、盘根盒所用材料产生的摩擦力大小、抽油杆结构及防蜡降粘效果等因素有关。

随着先进技术的发展和完善，人们开始运用新型控制技术来优化抽油机的控制其中最常见的描述抽油机工作效率有以下几种方法14l：

（1）检测示功图。

这是通过在抽油机的光杆上加装负荷传感器而感知井下负荷变化，并根据负荷变化给抽油机设簧适宜的启、停点和间歇时间，从而实现检测抽油机的工作效率。

这一方式下的优点是：

依据示功图判别井下负荷的变化来反映泵效既直接又准确。

但不足之处是：

由于加装了负荷传感器给安装和维护增加了工作量。

另外由于这一方式是根据井下负荷的变化束控制抽油机，因此抽油机停抽的随意性会很大。

（2）检测抽油机电压、电流。

这一方式，通过感应电机电流、电压的变化而感知井下负荷的变化，并根据分析处理决定抽油机启、停点及间歇时间。

这一方式的优点是：

无须加任何传感装置（从理论上讲：

电机电流、电压相位角的变化，完全可以代表井下负载的变化）。

因此这一方式从理论上讲实现起来既简单又可靠。

同样，这一方式也有它的不足之处：

由于它的原理是检测电机电流、电压相位角来换算井下负荷的变化量。

因此直接检测井下负荷相比显得不够准确。

另外，电机电流、电压的相位角的变化在实

际工作环境中并不完全反映井下负荷的变化。

它还受很多因素影响，如：

机械传动的影响、电网波动的影响、油井出现异常变化的影响等等。

（3）采用称重式单井计量器检测石油产量。

称重式单井计量器（以下简称计量罐）是沈阳工业大学通益科技有限公司研发的产品，目前在全国各大油田均有应用。

该计量罐采用称重测量方式，可以在线检测石油产量，并传送数据。

通过比较单位时间内的石油产量可以反映出抽油机的工作效率。

本课题研究的方法是通过检测抽油机机有功功率、电流、电压、石油产量等参数，来调节抽油机的冲程次数，使得抽油机的冲程次数达到一个合理的范围，使得抽油机的能耗最小同时石油产液量最大，既减小每吨原油产液量的耗电量，达到节能的目的。

基于以上的控制思想，本文研制了抽油机控制器。

1．3控制器结构

1．3．1控制器硬件结构简介

控制部分是以C8051F015为核心，该芯片是Cygnal公司产品，具有一个真J下的一个10位的多通道ADC。

有一个可编程增益放大器、两个12位DAC、两个电压比较器、一个电压基准、一个具有32K字节FLASH存储器并与8051兼容的微控制器内核。

还有硬件实现的（不是在用户软件中用位操作模拟）12C／SMBus、UART、SPI串行接口及一个具有5个捕捉／比较模块的可编程计数器／定时器阵列（PCA）。

还有4个通用的16位定时器和4字节宽的通用数字I／O端口。

有256字节的RAM，执行速度可达20MIPS。

该芯片配以辅助电路完成采集数据并通过模糊控制，输出4～20mA电流。

通过变频器控制抽油机的冲程次数。

控制器结构简图如下：

图1．I为控制器硬件结构示意图，描述了控制器结构，即单片机采集数据，并控制变频器。

同时控制液晶显示和接收键盘信息。

1．32软件控制算法简介

本系统采用模糊控制，以当有功功率的变化量和原油产量的变化量为量化因子经模糊控制算法给出的控制量（精确量），并根据温度和电网电压的变化修证控制量并输出。

软件结构简图如图1．2所示。

图1．2为控制器软件结构示意图，描述了软件工作过程，后面章节有详细叙述。

2抽油机控制系统数学模型的建立

2．1抽油机的工作原理

我国油田多数用的抽油机是游梁式抽油机，下面就以游粱式抽油机介绍抽油机的工作原理。

游梁式抽油机的类型很多，但其基本结构和工作原理是相同的【”。

抽油机主要由游粱．连杆一曲柄机构、减速装置、动力设备和辅助装置等四大部分组成，如图2．1所示。

抽油机的工作原理是：

电动机将其高速旋转运动传递给减速箱的输入轴，并经中间轴带动输出轴、输出轴带动曲柄作低速旋转运动。

同时，曲柄通过连十T经横梁拉着游梁后端上下摆动（或者是连杆直接拉着游粱后端）。

游梁前端装有驴头，活塞以上液注及抽油中T等载荷均通过悬绳器悬接在驴头上，由于驴头随间游梁一起上下摆动，结果驴头带动洒塞作E下的垂直钉：

复运动，就将汕抽也井筒。

抽油泵主要由工作筒、衬套、柱塞（空心的）和装在柱塞上的游动反尔及装在工作筒下端的固定反尔组成，其工作原理如下：

当活塞上行时（图2．2左）游动反尔受油管内液柱压力作用而关闭并排出活塞冲程的一段液体。

与此同时，活塞下面泵筒空『日J罩压力降低，在环形空问的液柱压力作用下，井中液体顶开固定反尔，进入泵内活塞所让出的空间。

活塞下行时，泵筒内液体受压缩，压力增高，当此压力等于环形空阳J液柱压力时，固定反尔靠自重而关闭。

在活塞继续下行中（图2．2右），泵内压力继续升高，当泵内压力超过油管内液柱压力时，泵内液体即顶开游动反尔并进入油管内。

这样，在活塞不断地上下运动中，固定反尔和游动反尔也不断地交替关闭和打开，结果油管内液面不断上升，一直到井口排入出油管线。

综上所述，抽油机泵的工作原理可概括为：

活塞上行时吸液入泵，排液出井；

活塞下行时泵内液体转入油管，不排液出井。

在理想情况下，当泵充满很好时，是上下冲程都出油。

当不考虑液体运动的滞后现象，从井口观察排油时，应当是光杆上行时排油忽大，光杆下行时排油忽小，这一忽大忽小是周期性的变化。

实际上，由于原油中混有天然气，有压缩性，使液体运动滞后于活塞运动，同时泵受多种因素影响，所以井口实际排油时呈复杂状况。

抽油机一般由电动机驱动，通过抽油杆的上下运动将原油抽到地面的管网中，电动机轴上形成的负荷即抽油机的合成扭矩呈周期性波功，即抽油机的动力电机的有功功率足周期性变化的。

2．2沉没度的基本概念

如图2,3所示沉没度H。

是泵的吸入El至动液面的高度。

在深井泵工作状念下，“沉没度”是该井供排平衡的重要标志。

“沉没度”越大，“排液高度”越小，表明该井油层的供液能力大于深井泵的排液能力，即“供大于排”。

当“沉没度”等于泵吸入口深度即液面在井口时，深井泵的“排液高度”为零【61。

此时由于该井油层的供液能力过强，且具有自喷生产能力，即称为“连喷带抽”的工作状态。

当“排大于供”，“沉没度”减小，环空液柱压力降低，进入泵体空间的混合液体将分离出大量天然气，充填泵体空间，降低泵效；

当“沉没度”，趋近于一个较小值时，进入泵体空『日J的将不完全是混合液体，还有分离出来的天然气，即所谓“气影响”，造成深井泵的泵效下降；

当“沉没度”趋近于零时，进入泵体空间的将是以在环空中分离出来的天然气为主，造成深井泵无法J下常工作，无液体排出，即“抽空”现象发生。

另外，由于泵漏、反尔漏、杆断脱等机械故障，还会造成特殊的反常现象，即“该大的不大，该小的不小”。

所谓“该大的不大”就是沉没度大，泵效该大而不大，这种较大的沉没度不是“供过于排”，而是排液系统失灵。

我们需要把沉没度控制在一个合适的范围内。

由于直接测量深井泵沉没度十分困难，所以采用以下方法可以间接的反映深井泵沉没度。

2．3功率因数的计算’

在正弦电路中，负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波【81。

设电流和电压

可分别表示为：

可以看出，Q就是被积函数的第2项无功功率分量uiq的变化幅度。

uiq的平均值为零，表示其有能量交换而不消耗功率。

Q表示了这种能量交换的幅度。

在单相电路中这种能量交换通常是在电源和具有储能元件的负载之问进行的。

在工程上把电压电流有效值的乘积作为电气设备功率设计极值，这个值也就是电气设备最大可利用容量f91。

有功功率和视在功率的比值为功率因数：

可见在J下弦电路中，功率因数是由电压和电流之间的相角差决定的。

视在功率为：

在含有谐波的非正弦电路中，有功功率、视在功率和功率因数的定义均和j下弦电路相同。

但非J下弦周期函数可用傅罩叶级数表示成：

含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况比较复杂，至今没有被广泛接受的科学而权威性的定义。

仿照前面的定义，可以定义无功功率：

它是由同频率的电压电流『F弦波分量之问产生的；

畸变功率D，它是由不同频率的电压电流J下弦波分量之『日J产生的。

则视在功率为：

实际中电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变很大，设萨弦电压的有效值为U，畸变电流的有效值为，，其基波电流的有效值及与电压相角差分别为I1和φ，n次谐波有效值为In。

考虑到不同频率的电压电流之间不产生有功功率，可得

在这罩功率因数仍定义为有功功率与视在功率之比，但此时并没有一个实际的相角与之对应，只是一种习惯的表示方法。

根掘实际工程经验，油阳油井的井下负荷变化可从抽油机的有功功率的变化体现出来。

给抽油机供电的电网电压通常变化不大，可以作为一个系数，考虑到实际电网有波动，可以根据实际情况将此系数修证。

24油井液量的在线测量系统简介

称重式单井计量器采用称重的方式对流经计量罐的原油进{i称莺，实现油井液量的在线测量，其工作原理如图2．4所示

：

如图2．4所示通过进油口的原油经分离器装入翻斗。

翻斗装置是由对称的两个独立料斗组成，为了排除稠油粘斗带来的测量误差，经过称重传感器检测得到了重量随时间变化的曲线，根据重量变化规律，利用积分计算即可得到累计流量，再换算成产量。

然后通过485总线传输测量值。

2．5抽油机能耗的测量

本系统从原理来说是依据功率大小来判断空抽、满抽的，在采用功率判断的系统中，很多系统是以时间为基准进行处理的。

例如将空抽基准值定义为一分钟的平均功率，用人工设定或自动测算的方法求得并永久保留该值作为空抽判断基准值。

在抽油机运行过程中通过累计每分钟的功耗算出这段时帕J的平均功率，再将其与空抽基准值比较.

这种方法处理起来简单，但是存在很大误差。

因为抽油机是以冲程为周期工作的，一分钟不可能证好包含整数个冲程，假如每分钟4．5个左右的冲程，那么多出的半个冲程可以是上冲程，也可能是下冲程。

若抽油机平衡锤调的位置不是非常好时，下冲程中往往出现负功（多数都会出现负功），那么，加上的是上冲程的『F功则结果可能大于五个冲程的功耗；

若加上的是下冲成的负功则可能小于四个冲程的功耗，也即可能造成超过20％的误差。

即便平衡锤调得很准，上、下半个冲程的功率差也很大，计算结果也会有很大误差。

所以以时间为基准处理时，常常把时间选的长一些，例如5分钟，以减小这一误差，但是时间又不能选得太长，否则影响灵敏度，所以以时问为基准的处理方法误差总是相当可观的。

为了保证检测的准确性，最好采用以冲程为基准的处理方法。

本系统采用了这种方法，通过累计若干个冲程周期（1分钟或1分多钟内的整数个冲程）的功耗，并记录下这段时|’日J的长度，然后算出这几个冲程的平均功率。

2．6抽空点的判断

2．6．1空抽的危害

空抽泛指抽油量不满的情况。

空抽有两种直接危害或缺陷：

（1）空抽产生液击，液击严重时会导致抽油杆断裂；

（2）空抽导致有用功耗下降，以至消耗大量电能。

2．6．2空抽的判另0