專利名稱：一種采注井節(jié)能增效系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種節(jié)能增效系統(tǒng)，尤其是涉及一種油田輸出和(或) 注入井循環(huán)能效系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以調(diào)頻為基礎(chǔ)的輸出和(或)注 入井的聯(lián)合節(jié)能增產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)可靠生產(chǎn)運(yùn)行。
背景技術(shù)：
已知國內(nèi)外積極推廣的通用變頻調(diào)速節(jié)電技術(shù)，節(jié)電率能達(dá)到10% -20%,他們是依據(jù)負(fù)載的大小來反饋調(diào)制電極的頻率而節(jié)電的，至 于負(fù)載的類型及有效性是不考慮的。而眾所周知，抽提泵(螺桿泵) 是油田廣泛使用的非均衡動力系統(tǒng)，所采用的動力源是三相異步電機(jī) 或多級電泵，存在效率低，不便調(diào)速，上下沖程不可調(diào)，功率因數(shù)低 等弊端。通常改進(jìn)節(jié)能的措施是參照已確定的電機(jī)參數(shù)，或采用改變 頻率(電機(jī)轉(zhuǎn)速或傳動比)，或電抗穩(wěn)流，或平衡電壓，諧波治理， 降壓等方法來改善電力的消耗，其中調(diào)頻變速為首選，該技術(shù)不但能 省電能，而且能使電機(jī)零電流起動，能有效的保護(hù)動力系統(tǒng)，理想狀 態(tài)下節(jié)電率也能到15%-25°/。，該技術(shù)在油田已廣泛推薦應(yīng)用。然而 進(jìn)一步分析效能比，特別是結(jié)合井口和井層系的參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)際 應(yīng)得的產(chǎn)量并沒有達(dá)到預(yù)期的效果，即干抽或抽高含水效益不大，這 樣，關(guān)注實(shí)際產(chǎn)能即采收率，進(jìn)一步系統(tǒng)節(jié)能增效的措施將日趨緊迫， 一種節(jié)能增效系統(tǒng)的提出，必須解決好下面幾項(xiàng)措施。
1)通用調(diào)頻節(jié)電向系統(tǒng)節(jié)電能轉(zhuǎn)變。對抽提井或電泵井來說， 他們屬于不同的負(fù)載類型，運(yùn)行于不同的"工況"。對抽油機(jī)來說，它屬位(勢)能負(fù)載，在整個沖次的某個階段，電機(jī)會處于再發(fā)電狀
態(tài)而產(chǎn)生泵生電壓，這部分再生能量必須進(jìn)行處理，或回饋電網(wǎng)；而
潛油電泵屬變負(fù)載類型負(fù)載，即電機(jī)在起動時需較大轉(zhuǎn)矩，而停止時 則負(fù)荷很重。這時的電機(jī)則處于電(磁)能泄放狀態(tài)，軟停止對防止 油下沖有明顯的作用，油泵不會被打壞，對設(shè)備或電網(wǎng)也不會造成很 大沖擊，這部分再生能量反而非常有效。而采油是把產(chǎn)出(注入)井 (層)作為特殊被控對象加以控制的，因此必須了解油田采注井(產(chǎn) 出油井和注入井的統(tǒng)稱)開采過程中表現(xiàn)出的"井況"特性。其中最 主要的是時變性，由于油礦地質(zhì)情況的復(fù)雜多變，概括起來有以下一
些特點(diǎn)(1)系統(tǒng)參數(shù)的未知性、時變性、隨機(jī)性和分散性；(2)系 統(tǒng)滯后的未知性和時變性；(3)系統(tǒng)嚴(yán)重的非線性；(4)系統(tǒng)各變量 間的關(guān)聯(lián)性；(5)環(huán)境干擾的未知性、多樣性和隨機(jī)性。這些特性統(tǒng) 稱其為"井況"特性，它給機(jī)電控制帶來了許多實(shí)際問題，如單純依 據(jù)負(fù)載大小來調(diào)節(jié)，勢必造成其實(shí)際產(chǎn)能率普遍偏低?？梢娙缒芤罁?jù) 具體井的"井況"特性來調(diào)頻節(jié)電，綜合采用電機(jī)傳動比，電抗穩(wěn)流， 平衡電壓，諧波治理，降壓等方法融合來改善電力的消耗，會比傳統(tǒng) 的單純電機(jī)調(diào)頻節(jié)電效果更好。
2)合理的"泵況"和"井況"狀態(tài)能有效地降低釆油成本和提 高采注效益。分析電泵或抽油機(jī)等大慣量變化負(fù)載，采用傳統(tǒng)的工作 方式，即在采油工定期尋檢下了解工作情況，往往因突發(fā)故障而難于 控制，造成運(yùn)行成本很高。主要原由有(1)"井況"嚴(yán)重制約著"泵 況"而非簡單的負(fù)荷可控。由于大慣量負(fù)載有運(yùn)行電流大，電力電纜的壓降大，使電纜在生產(chǎn)過程中的反峰電壓較高，電纜絕緣性能降低 過快，長期運(yùn)行會影響動力系統(tǒng)的使用壽命。況且采/注井一般位于 電網(wǎng)末端，油區(qū)面積大，配電線纜長，輸電的線纜損失不可忽-觀，加 之每一口采/注井的參數(shù)都不一樣，即使是同一口采/注，也因井內(nèi)的 多井層差異而不同，如也可能有水層、氣層和油層之分，且瞬息萬變， 故在選配電機(jī)或電泵時，工程設(shè)計都留有足夠的功率裕量。而在實(shí)際 工作條件下，普遍存在著電動機(jī)負(fù)載率較低的情況，"大馬拉小車，， 現(xiàn)象嚴(yán)重，造成電能的巨大浪費(fèi)。(2)功率因數(shù)降低，耗電量大，工 頻工作時，電潛泵始終工作在額定轉(zhuǎn)速下，如果井下液量供不應(yīng)求， 容易造成"死井"，損失慘重。(3)電動機(jī)與泵長期在在高壓狀態(tài)下 運(yùn)行，有時因油井出沙嚴(yán)重，使設(shè)備壽命縮短，特別是不能及時解決
井下液量供不應(yīng)求而造成"死井"事故。(4)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是靠更
換油嘴來調(diào)節(jié)產(chǎn)量，這樣不能精確的控制會造成能量的浪費(fèi)。如能將 正常運(yùn)行的"泵況"和"井況"狀態(tài)實(shí)時測控，展現(xiàn)在一個平臺上決 策，就能有效地降低釆油成本和提高采注效益。
3)采注井合理的"工況"動態(tài)模型能有效地降低采油成本和提 高采注效益。目前油田各采注井"工況，，的參數(shù)的獲取是采用定時、 定點(diǎn)采集，使用的儀器有電流表、扭矩測試儀、壓力表測試和液面探 測儀等，得到的數(shù)據(jù)主要是人工進(jìn)行分析，分析的可靠性比較差。而 實(shí)際上大部分井的一些故障單純憑一種參數(shù)很難準(zhǔn)確診斷， 一些突發(fā) 故障或事件就更難把握了 ，這就需要一種適時和智能的方法來診斷， 一方面提高故障診斷的符合率，另一方面能及時采取措施，將損失降 到最低。如果能將井層和井口的數(shù)據(jù)同步檢測，即將"泵況"和"井況"數(shù)據(jù)擬合出"工況"動態(tài)模型，并進(jìn)行自適應(yīng)跟蹤調(diào)整，就更能 有效地降低采油成本和提高釆注效益，獲得采收率的提升。
4)測量與保護(hù)診斷結(jié)合，降低或減少了采注的運(yùn)營成本。抽提 泵(螺桿泵)是油田廣泛使用的采油設(shè)備，同其它大負(fù)載設(shè)備一樣， 如果使用不當(dāng)或產(chǎn)品質(zhì)量有問題，會出現(xiàn)一些故障。由于"井況"的 特殊性，其各種故障的反映特征和診斷方法及處理措施與其它大負(fù)載 設(shè)備不同。如常見的"工況，，事故包括油桿斷脫、油管嚴(yán)重漏失、泵 嚴(yán)重漏失、蠟堵、轉(zhuǎn)子脫離定子、卡泵和各種自然災(zāi)害影響等，都會 造成很大的生產(chǎn)損失，將付出高昂的維修成本。而這些成本完全是可 以降低或控制的。如采用預(yù)估、濾波和內(nèi)插方法建立系統(tǒng)學(xué)習(xí)、自適 應(yīng)以及參數(shù)跟蹤和調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)信息充分綜合利用，挖掘盡可能的 節(jié)能潛力，讓系統(tǒng)長期可靠平穩(wěn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是完全可能的。

發(fā)明內(nèi)容
上述幾項(xiàng)措施地解決，可以通過一種節(jié)能增效系統(tǒng)來完成，更具體 地說，她是通過一種油田輸出和(或)注入井循環(huán)能效系統(tǒng)來完成。
這里可以將一種油田輸出和(或)注入井簡稱為采注井，也可以推 廣理解為非油田具有注入換取更好地輸出效力的一種動力生產(chǎn)模型 或工具的節(jié)能增效或降耗措施。泵況、井況和工況是某時刻的工作狀
態(tài)描述，它可以用一些參數(shù)來描述或表示，但在工作中不局限于現(xiàn)有 的描述或表示，可能會有點(diǎn)、曲線或多維圖版來代替。油氣水，可以 理解為原油、水和天然氣，也可以理解為其他類型的液體、氣體和水。 在專利敘述中，具體陳述的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)，從介紹來看，部分是顯而易見的，或者通過實(shí)踐本發(fā)明可以學(xué)會或發(fā)現(xiàn)，可以通過在所附的權(quán)利 要求書中所特別指出的一些手段，措施和組合，來實(shí)現(xiàn)和獲得本發(fā)明
的目的和優(yōu)點(diǎn)的都屬本專利涉及和保護(hù)的內(nèi)容。下面具體說明
本發(fā)明的目的是要提供一種節(jié)能增效系統(tǒng)，該系統(tǒng)能將現(xiàn)有的"泵 況"信息和"井況"信息融合并優(yōu)化"工況"曲線，達(dá)到既能降低生 產(chǎn)運(yùn)營成本又能優(yōu)于現(xiàn)有的節(jié)能措施，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的目標(biāo)，其特征 在于包括如圖l表示，井口 "泵況，，測控(100)插件、信道(200 ) 線纜和井下測控多傳感器系統(tǒng)(300 )三部分。其中，井口測控部分 (100)也是本發(fā)明專利的保護(hù)核心內(nèi)容，它由多傳感器采集插件 (110)、電力插件(120)、 DSP插件(130)、才企測與驅(qū)動插件(140) 構(gòu)成，各插件按工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，可后插拔于6U標(biāo)準(zhǔn)全封閉鋁合金 結(jié)構(gòu)機(jī)箱內(nèi)，前后面板由畫I (150)和底板(160)組件連接成獨(dú)立 系統(tǒng)。井下測控多傳感器系統(tǒng)(300 )負(fù)責(zé)將采注井及井層系的"井 況"信息通過信道電纜和井口測控裝置采集的井口 "井況"與"泵況" 綜合在一起，由DSP預(yù)處理器進(jìn)行時空校準(zhǔn)，然后由DSP及其軟件使 變頻調(diào)速、諧波治理、動態(tài)跟蹤、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、診斷保護(hù)等多種目標(biāo)來 建立并優(yōu)化"工況"，使泵的工作狀況即"泵況"，"井況"與"工況" 合并增產(chǎn)節(jié)能，自適應(yīng)跟蹤控制動力，實(shí)現(xiàn)油氣單井和(或)局部采 /注井的高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。其中，信道(200 )和井下測控(300 ) 則由"一種多傳感器系統(tǒng)"(另一專利)來配套完成，它主要反映井 及井層"工況，，特征的油氣或水層溫度、壓力，流量、持水率(相濃 度)等"井況，，特性和井口的載荷、扭矩、產(chǎn)量等"井，，以及變頻和回饋保護(hù)相關(guān)參數(shù)的"泵況"結(jié)合起來系統(tǒng)優(yōu)化控制，避免了單一節(jié) 電模式的不足，同時有效地降低了采油和注水的成本。既提高了采油 效益，也提高了采油生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化性能及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、管理能力。 基于節(jié)能增效系統(tǒng)的目的，在井口測控部分(100)使用參數(shù)辨 識技術(shù)建立"工況"模型。在原油氣開采過程中，初期采油氣一般依
靠地底壓力讓原油自噴而出；此后由于地下壓力減小，不得不向地下 注水將油驅(qū)出，稱二次采油。在二次采油工藝中，引入調(diào)頻節(jié)能技術(shù)， 其基于建立頻率響應(yīng)函數(shù)的負(fù)荷測量模型，它要求對實(shí)際動力結(jié)構(gòu)井 及井層施加一組可控、可M^的注入壓力激勵，同時測耳又其產(chǎn)出響應(yīng)參 量之一的負(fù)荷，通過輸入輸出數(shù)據(jù)辨識電泵動力學(xué)特性，實(shí)施調(diào)頻節(jié) 能。當(dāng)前，中國多數(shù)油田處于二次采油晚期，每百噸采出液體中，含 水量高達(dá)95%,綜合原油采收率只有30%多一些，60%多的石油仍然 留在地下無法采出。于是在實(shí)際開采中多數(shù)已采用的是三次采油，即 采用從地面注入各種驅(qū)油介質(zhì)-各種化學(xué)物質(zhì)、溶劑、熱載體、等物 理化學(xué)方法等進(jìn)行生產(chǎn)，其采收率約為50%--70%。這種以開采二次采 油階段剩余為目標(biāo)所采取的各種增加原油產(chǎn)量的措施.，包括各種物理 及化學(xué)驅(qū)油措施。其意義更加廣泛，動力結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如還包括單 井吞吐、近井地帶處理以及水平井開采技術(shù)應(yīng)用等。該階段必須采用 以實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)作為結(jié)構(gòu)動力學(xué)反問題研究的主要手段，來控制
開釆，如聚合物驅(qū)油氣技術(shù)是隸屬于三次采油階段的"提高采收率" 技術(shù)中的一種強(qiáng)化采油工藝技術(shù)，通常是在水驅(qū)開發(fā)基礎(chǔ)上的，改善 水驅(qū)，是向地層注入高粘度的聚合物溶液來大大降低流度比、擴(kuò)大波及體積、提高驅(qū)油效率從而提高采收率的驅(qū)油工藝。然而，實(shí)施遇到
的困難是，研究對象及井層或者無法施加人工激勵；或者人工激勵代 價昂貴或有破壞性；或者結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下自身承受的環(huán)境激勵不可 測控。由此提出了只在響應(yīng)可測的條件下對結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)辨識的測 控問題，稱為"工況模態(tài)分析。在實(shí)際工作狀況(工況)下，實(shí)測的 響應(yīng)更能夠真實(shí)地反映井結(jié)構(gòu)本身的固有特征、邊界條件及環(huán)境載荷 特性，與主動控制、系統(tǒng)監(jiān)測和設(shè)備保護(hù)診斷等調(diào)頻節(jié)能工程應(yīng)用直 接相關(guān)。所以，以"工況"模態(tài)分析技術(shù)來真正獲得"泵況，，和"井 況"運(yùn)行條件下的特征參數(shù)，并優(yōu)化改進(jìn)"工況"模型，獲得更高的 測控辨識參數(shù)精度和穩(wěn)定性，是本專利的基礎(chǔ)方法。如圖2,設(shè)定三 次開采的產(chǎn)能系統(tǒng)一般可以分成產(chǎn)出、用電耗能、轉(zhuǎn)儲三個部分，產(chǎn) 出部分一般由產(chǎn)出井及其井層多級輸出層組成，各層特性是間歇脈動 的；轉(zhuǎn)儲部分是多個并聯(lián)的油、氣、水儲罐，其中油、氣是產(chǎn)出部分, 水等注入介質(zhì)是可以循環(huán)轉(zhuǎn)儲的，也是受控的，其特性是穩(wěn)定均衡的， 它可以作為系統(tǒng)的緩沖調(diào)節(jié)，重復(fù)使用；用電耗能部分是指產(chǎn)油、注 水介質(zhì)等動力系統(tǒng)及消耗，通用設(shè)備用電特性是穩(wěn)定的；根據(jù)產(chǎn)能平 衡原理，可以建立產(chǎn)能，消耗、轉(zhuǎn)儲三者關(guān)系的數(shù)學(xué)模型如下 <formula>formula see original document page 18</formula>中某井單位日采噸油 (方氣)消耗總電量，單位KW/日，4(0 —為某井單位日正常采噸 原油(方氣)產(chǎn)量的電力消耗，KW/日；——某井采用節(jié)能后單 位曰采注水循環(huán)流量而消耗的電能，KW/日；r|l——每度電的單位日 產(chǎn)能系數(shù)，其含義是每lKW/日噸的電能，能夠供出的原油(氣)的產(chǎn)量，T (方)/日，主要與電力調(diào)頻節(jié)能有，即"泵況"有關(guān)；n2 — 一每度電的單位日無用產(chǎn)能系數(shù)，其含義是轉(zhuǎn)注儲罐水等介質(zhì)所消耗 的lKW/日噸電能，或供出的原油(氣)產(chǎn)量后節(jié)省的電能，單位1KW/ 日.噸。其中供出的原油(氣)產(chǎn)量的多少，與流量，流體成分持率 (濃度)等"井況"和儲罐的容積有關(guān)。如對式(1)積分后有
<formula>formula see original document page 19</formula>
其中，式(1)表示該系統(tǒng)的瞬時關(guān)系，式(2)表示該系統(tǒng)的節(jié) 能累積效果關(guān)系。該"工況"模型反映了電力調(diào)頻及綜合節(jié)能的效果， 依據(jù)"工況"模型，辯識"泵況"和"井況"參數(shù)，合理地控制"泵 況"和"井況"，結(jié)合水等介質(zhì)轉(zhuǎn)儲消耗電能的變化趨勢預(yù)報產(chǎn)油(氣) 的供應(yīng)"工況"是處于過剩狀態(tài)還是不足狀態(tài)，為產(chǎn)出平衡系統(tǒng)的調(diào) 度指揮提供參考，讓釆注系統(tǒng)"三況合一"，滿足間歇脈動的瞬變特 性，既可以減少多產(chǎn)出水造成的資源浪費(fèi)，又可以避免因?yàn)楫a(chǎn)液量過 低給生產(chǎn)帶來的影響，實(shí)現(xiàn)實(shí)實(shí)在在的節(jié)能。上述的瞬間"工況"參 量和累積效果，就能系統(tǒng)地描述采注井及層系的輸出和注入產(chǎn)量及消 耗軌跡，引入人為的決策嗜好就可以完成高效節(jié)能的目的。表現(xiàn)在井 口、井層系參數(shù)的量值的實(shí)時檢測，及時發(fā)現(xiàn)動力運(yùn)行故障，并快速
排除，縮短油井故障處理時間，提高開井時率，提高原油產(chǎn)量；實(shí)現(xiàn) 采注井的變頻閉環(huán)調(diào)節(jié)，合理匹配抽吸參數(shù)，提高系統(tǒng)效率；實(shí)現(xiàn)電 力功率因素智能補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，降低能耗等。基于節(jié)能增效目的，其特征在于井口測控(1 00 )使用參數(shù)辨識技
術(shù)建立關(guān)于井口及井層系"井況，，參數(shù)的描述。圖3表示一個油藏三
維立體網(wǎng)格模型，它代表油田釆注井及其井層的通用"井況，，微觀模
型，假定流體流入該網(wǎng)格后，又從另一面流出。流體在x(Jx)處流入
網(wǎng)格，在位置X+AX(JX+AX)流出網(wǎng)格。符號J表示流體流量，定義
為與流動方向相垂直的單位橫截面積的質(zhì)量流動速率，本圖是x方 向。由質(zhì)量守恒流出網(wǎng)格的質(zhì)量-流入網(wǎng)格的質(zhì)量=網(wǎng)格塊內(nèi)累 積的質(zhì)量，則有Af -At -一一M = [(Cp》+- (C一 ]AxA,.(3)
請注意上述公式中的q,它表示一個源/匯項(xiàng)，代表一口注入井(源) 或生產(chǎn)井(匯)。當(dāng)為l俞出井時，q>0,若為注入井，則q〈0.在時間 段At內(nèi)，網(wǎng)格塊中P相濃度(Cp)的變化就是網(wǎng)格塊內(nèi)質(zhì)量的累積。 假定Cp為油藏網(wǎng)格塊中p相(油，水或氣)總質(zhì)量除以網(wǎng)格體積，
則可得到累積項(xiàng)的表達(dá)式；[(Cp》+ ^—(Cp》]AxAj;AzAa4) 將方程(3) — (4)帶入質(zhì)量守恒方程得到
Ax Az A/
當(dāng)Ax 、 Ay 、 Az 和At 趨于無窮小時，用連續(xù)性方程表示 (5)式得
20Sx 3z 改
方程(6)為各相通用公式，即將P替換為油，水和氣相，則分別得到 它們各自的質(zhì)量守恒方程，對油、水、氣分別測控出守恒方程的流量 和濃度，將得到它們的流動方程。而井口和(或)井層系測控到的源 /匯項(xiàng)流量、壓力、溫度、各相濃度及密度，就能4艮好地描述采注井 及層系的輸出和注入能力及效果。掌握了 "井況"參數(shù)，也就掌握了 預(yù)期提高采收率的藍(lán)圖，而測控也由定性判斷轉(zhuǎn)入了定量測控，動力 效果將由"泵況"來體現(xiàn)。
基于節(jié)能增效的目的，其特征在于井口測控部分(100)使用參數(shù) 辨識技術(shù)建立關(guān)于"泵況"參數(shù)描述。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=60 f(l-s)/p可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可 改變電動4幾的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0一50 Hz的范圍內(nèi)變化時，電動才幾 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬，變頻調(diào)速就是通過改變電動機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速 度調(diào)節(jié)的，進(jìn)而決定轉(zhuǎn)矩軌跡而實(shí)現(xiàn)動力產(chǎn)能的控制。只要采用變頻 調(diào)速控制后，控制系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷變化及時改變輸入電機(jī)的 電流和電壓，降低電機(jī)輸入功率，調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)處于經(jīng)濟(jì) 負(fù)荷下運(yùn)行，達(dá)到節(jié)電的目的。而井口和(或)"泵況"測控到的載 荷、位移、張力、相電壓、相電流及零序電壓和電流等就能^艮好地描 述泵況的運(yùn)行參數(shù)。采用交一直一交(直)方式，把工頻交流電源通 過三相橋式可控整流、中間直流環(huán)節(jié)等轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直 流電源經(jīng)IGBT三相橋式逆變或由DSP直接輸出P麗波形，將頻率、電壓均可控制的交流功率電源供給電動機(jī)，完成動力運(yùn)行。中間直流
環(huán)節(jié)的作用為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。如圖4，由DSP插件
控制的泵況控制圖。由位移檢測傳感器獲得的位置信號和預(yù)測軌跡
(144)的信息經(jīng)DSP控制單元(140)變換，輸出P麗信號到死區(qū)控 制單元(145)，驅(qū)動單元(146)和H型功率輸出(147)到電機(jī)，直 流伺服電機(jī)(148 ),和位置反饋(149 )完成位移檢測，其中DSP( 140 ) 控制單元還同時完成PID調(diào)節(jié)(141), P麗脈寬調(diào)制輸出(143),以 及A/D轉(zhuǎn)換，而預(yù)測軌跡信息(144)則直接由存儲器中調(diào)用。
基于節(jié)能增效目的，采用"泵況"測控(110),"井況"編解碼 (140)等多傳感器原始數(shù)據(jù)的獲得與校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。如圖 5，包括泵況傳感器(210),井況傳感器(230 ),井口傳感器(2N); 泵況傳感器跟蹤(220 ),井況傳感器跟蹤(240 )，井口傳感器跟蹤 (2N+10),信道(200 ),時空校準(zhǔn)(132),參數(shù)關(guān)聯(lián)(136)，特征融 合(138)。其中，"泵況，，(IIO)，"井況，，(140)等多傳感器分置于 地面和井下，距離幾千公里，其首要解決的是數(shù)據(jù)可靠，測量準(zhǔn)確； 為此，本專利提出了參數(shù)對象參照拓樸，這一特征利用了測控參數(shù)的 群體結(jié)構(gòu)化信息，對系統(tǒng)中的各種不確定性有著固有的反作用能力新 特征，建立了一種模仿人工判別的轉(zhuǎn)矩關(guān)聯(lián)算法。然后釆用了一種具 有動態(tài)縮放系數(shù)的穩(wěn)健狀態(tài)向量融合方法來實(shí)現(xiàn)傳感器的誤差修正 即跟蹤(210、 22、 230 )。這樣解決局部傳感器的系統(tǒng)偏差對多傳感 器融合系統(tǒng)的影響。解決了系統(tǒng)中的單傳感器偏差的充分校準(zhǔn)。否則， 個體信息無法成為關(guān)聯(lián)判決的可靠依據(jù)。這一功能通常在融合中心的時空校準(zhǔn)模塊中(132)中實(shí)現(xiàn)。其次，經(jīng)過時空校正后，即多傳感
器數(shù)據(jù)在經(jīng)過時空校準(zhǔn)后仍存在較大的系統(tǒng)偏差，將會對后續(xù)的測控
關(guān)聯(lián)造成影響；這時通過實(shí)時質(zhì)量控制法、最小二乘法等，無差別對 待所有關(guān)聯(lián)軌跡信息。采用對象參照拓樸，將對象之間的結(jié)構(gòu)化信息 抽象成一種模式即轉(zhuǎn)矩負(fù)荷關(guān)聯(lián)(136 )，利用模糊模式識別的基本知 識刻畫出參數(shù)對象之間的相似度，有效地抑制跟蹤融合系統(tǒng)中各偏差 對對象關(guān)聯(lián)的影響，完成多傳感器原始數(shù)據(jù)的獲得與轉(zhuǎn)矩負(fù)荷的軌跡 跟蹤融合即轉(zhuǎn)矩融合(138),實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。
基于節(jié)能增效系統(tǒng)，其特征在于"泵況"，"井況"等多傳感器數(shù)據(jù) 經(jīng)DSP插件(130)嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)融合工況的軌跡跟蹤與優(yōu) 化，其特征包括如圖6,傳感器數(shù)據(jù)采集131, —級融合(132)， 二 級融合(133),三級融合(124),數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(135)，人機(jī)接口薩I
(160),四級融合(136),泵況，井況參數(shù)確i人(138)。其中， 一級 融合(132 )也稱象素級(Pixel-lever )融合，直接融合傳感器采集 數(shù)據(jù)(131)，當(dāng)多傳感器數(shù)據(jù)是同類同性質(zhì)的(例如，當(dāng)兩個傳感器 對相同的參數(shù)進(jìn)行檢測測時，比如采用了兩個壓力傳感器或兩個流量 傳感器)，那么，可以將傳感器的源始數(shù)據(jù)(raw data)直接融合。 采用經(jīng)典的狀態(tài)估計方法融合，如Kalman濾波。二級(133)、三級
(134 )融合為特征級(Feature-lever )融合，對經(jīng)過一級融合(132 ) 后的傳感器數(shù)據(jù)的特征矢量進(jìn)行提取并與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(135)進(jìn)行融 合，主要采用模式識別技術(shù)中的模糊聚類方法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。該 過程對傳感器數(shù)據(jù)的特征提取后，有效降低了狀態(tài)空間的維數(shù)，實(shí)現(xiàn)了可觀的信息壓縮，并且提取的特征直接與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(135)，人機(jī)
接口畫I (160)決策分析有關(guān)，因此特征級融合結(jié)果可以最大限度 地給出決策所需的特征信息。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合均在這個層次上展開。 四級融合為決策級(Decision-lever )融合，該級是高層次的融合， 它對傳感器已經(jīng)得出的工況初步結(jié)果進(jìn)行信息的合并處理，得出最終 的融合結(jié)果，為指揮控制決策提供依據(jù)。該過程采用的主要方法經(jīng) 典推理理論，Bayesian推理方法、Dempster-Shafer證據(jù)理論、力口 權(quán)決策方法(投票法)等，進(jìn)入泵況，井況參數(shù)確認(rèn)(138)后。人 機(jī)接口腦I (160)將轉(zhuǎn)為正常的狀態(tài)監(jiān)測，同時也建立了自適應(yīng)跟 蹤體系，完成增效節(jié)能的閉環(huán)控制目的。
具體實(shí)施例方式
以下所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不因此而限定本發(fā)明的保 護(hù)范圍。本項(xiàng)司采用的是智能節(jié)能調(diào)頻技術(shù)措施，它優(yōu)化了油田的采 油泵和注水泵的工作效率與井的工作狀況(井況)的關(guān)系。用專欠件實(shí) 現(xiàn)模糊數(shù)學(xué)的算法運(yùn)算，精準(zhǔn)發(fā)出控制指令，改變變頻器的運(yùn)行曲線 或提高變頻器的性能；還可以及時控制井口或井內(nèi)的閥、封隔器、噴 水嘴等執(zhí)行器。既提高了節(jié)電率，也增加了原油的產(chǎn)能，使油田單位 產(chǎn)能在原來的基礎(chǔ)上得以提高，節(jié)能率可達(dá)30%以上。
本項(xiàng)目產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計包括井下部分，地面井口節(jié)能測控裝置和信 道電纜三部分。1)依據(jù)多年從事生產(chǎn)開發(fā)石油井下多參數(shù)儀器的技 術(shù)和生產(chǎn)能力的勤出，將已成熟應(yīng)用于高溫(125度)高壓(60MPa) 井下的溫度、壓力，流量等參數(shù)檢測技術(shù)和本公司自主開發(fā)的微波雷
24達(dá)持水率檢測傳感器技術(shù)結(jié)合，開發(fā)出井下智能多參數(shù)傳感器系統(tǒng)。 2 )地面井口節(jié)能測控裝置是本項(xiàng)目產(chǎn)品的核心部分。主要完成變頻， 電機(jī)及井口傳感器的信號檢測和控制，井下多參數(shù)信號的編解碼和供
電；如檢測電機(jī)的工作電流、電壓或功率等泵況信息，光桿扭矩，張 力等參數(shù)，同時解碼恢復(fù)井下或井下地層的多參數(shù)"井況數(shù)據(jù)，，；能 完全實(shí)現(xiàn)多個參數(shù)測試，同步測試或延時轉(zhuǎn)存"井況"等多參數(shù)值； 配置有光纖通道、以太網(wǎng)接口， RS232接口等，能及時將檢測數(shù)據(jù)全 部送入固定裝置內(nèi)或車載計算機(jī)中處理；還設(shè)置有構(gòu)成快速動作的調(diào) 頻、保護(hù)和控制繼電器。由于該裝置處于地面，獲得的井下原始數(shù)據(jù) 信息量大、可靠性高、對應(yīng)性好，經(jīng)過處理能后能自動顯示出"泵況" 信息，井況信息，如油井的套壓、油壓、回壓，流壓，流量，持水或 持氣率等數(shù)據(jù)，給出"井況"的多條曲線來分析井的合理工作狀況， 并直接顯示最佳"井況"和診斷結(jié)論。3)通過軟件將泵況、工況及 井況等綜合參量有機(jī)地結(jié)合，經(jīng)模糊數(shù)學(xué)理論等算法得出優(yōu)化產(chǎn)出和 注入方案，供現(xiàn)場工作調(diào)度或直接控制。
基于上述節(jié)能增效的目的，制造出一種物理結(jié)構(gòu)的電氣裝置。采 用工業(yè)全屏蔽機(jī)箱，規(guī)格233. 35 x 160,后視左側(cè)距5.08+2.54， 右側(cè)距5. 08;底板尺寸174.1=160+12.1+2。各電路模塊依總線不出 PCB板，用后背四插件底版連接，包括AC插件(110 )、 DSP插件(130 )、 電力插件Power (120 )和;險測驅(qū)動插件MD ( 140 )。后插拔的結(jié)構(gòu)才莫 式上，前面板設(shè)置人機(jī)對話操作畫I (150)，底板(160)提供各接 插件的信號通道；后面板設(shè)置各種采集、通訊、輸入/輸出接口。各插件的規(guī)格分別為AC插件寬度為5X10.16=50.8; DSP插件寬度為 3X10. 16; M+D插件寬度為3X10. 16; Power插件寬度為4X10. 16。各 插件上的端子分布為AC插件用自短接結(jié)構(gòu)方式，CT電流按7組輸 入設(shè)計，PT電壓按5組設(shè)計；DSP插件用1個鳳凰端子，型號為 ME050-508-18和以太口 ( RJ45 )， MD插件用兩個鳳凰端子型號為 ME050-508-18; Power插件用一個鳳凰端子，型號為ME050-508-10; ME050-508-4 (可追外加PT ); 一個開關(guān)。
基于上述節(jié)能增效的目的，制造出一種物理結(jié)構(gòu)的DSP插件 (130)，采用TMS320F2812數(shù)字信號處理器。利用其先進(jìn)的內(nèi)部和外 設(shè)結(jié)構(gòu)使得該處理器特別適合各插件協(xié)調(diào)、電器及其運(yùn)動狀態(tài)測控， 實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能的軟硬件結(jié)合。它將檢測與驅(qū)動插件(140)送入的 "井況"和"泵況"測控信息經(jīng)時空同步后與"井況"信息融合，形 成"三況合一"，再結(jié)合GPS (110)同步及調(diào)頻一饋電等功能去實(shí)現(xiàn) 產(chǎn)能和電能的合理決策。同時，通過人機(jī)接口插件(畫I )建立專家 決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時的最優(yōu)控制。
基于上述節(jié)能增效的目的，制造出一種物理結(jié)構(gòu)的井口多傳感器 采集插件(110),該插件采用穩(wěn)健的機(jī)動目標(biāo)跟蹤方法。該方法以實(shí) 時的目標(biāo)機(jī)動性信息為依據(jù)，人為地在融合中心引入非均勻采樣的異 步數(shù)據(jù)，從而在帶寬受限的多傳感器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了對機(jī)動目標(biāo)的精確 跟蹤。
基于上述節(jié)能增效的目的，制造出一種物理結(jié)構(gòu)的電力插件 (120),它負(fù)責(zé)系統(tǒng)和井下多傳感器部分的電源支持和電力PT， CT 參數(shù)的檢測；檢測與驅(qū)動插件(140),完成井下多傳感器信息的編解碼，并將"井況"、"泵況"檢測傳感器和執(zhí)行器的測控信息經(jīng)預(yù)處理
后送入DSP插件(130)的時空校準(zhǔn)預(yù)處理，作為動力控制的驅(qū)動接 口去調(diào)整電機(jī)的工作狀況和功率驅(qū)動。人機(jī)接口插件廳I (150)，拔二 供了人機(jī)操作的平臺和狀態(tài)顯示，底板組件(160)提供了井口測控 系統(tǒng)的內(nèi)部接口通道，讓內(nèi)部測控總線不出系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。


圖1為一種油田輸出和(或)注入井循環(huán)能效系統(tǒng)；
圖2為本發(fā)明的產(chǎn)能系統(tǒng)示意圖3為本發(fā)明專利的油藏三維立體網(wǎng)格模圖4為本發(fā)明DSP控制示意圖5為本發(fā)明多傳感器融合校準(zhǔn)流程示意圖6為自適應(yīng)融合多傳感器系統(tǒng)流程示意下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明
首先，見圖l所示以項(xiàng)目以經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、簡捷為原則，將復(fù)雜的 產(chǎn)出問題歸結(jié)到電力的消耗層面，以保障多出油，出好油。通過監(jiān)測 泵況的參量變化而判斷油井的動態(tài)產(chǎn)液量；由井況的各相持率決定工 況的有效產(chǎn)量；如泵的轉(zhuǎn)矩特征與理想動產(chǎn)液狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩特征不一 致，系統(tǒng)將自動的根據(jù)動態(tài)產(chǎn)液狀態(tài)而提高或減低沖次；當(dāng)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)液 中水含量接近或超過運(yùn)營控制成本時，可以實(shí)現(xiàn)慢抽或不抽。其次優(yōu) 化系統(tǒng)的工作結(jié)構(gòu)，讓支出和收益同在一個平臺上實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)油或用電 自行決策。減少手動操作，人工運(yùn)算；延長系統(tǒng)工作壽命，降低運(yùn)營 成本；接著從設(shè)計產(chǎn)品自身出發(fā)，以低電壓，低功耗，低成本著力， 讓系統(tǒng)節(jié)能貫穿始終。通過適度的速度控制模式，完美的實(shí)現(xiàn)動能和
27勢能的轉(zhuǎn)化，如泵可以更深的放入井中，可以增加沖程長度，增加產(chǎn)
量，提高效益；最后促進(jìn)油田數(shù)字化，為油田網(wǎng)絡(luò)化提供了堅實(shí)的硬
件基礎(chǔ)。項(xiàng)目的研發(fā)成功將對采油泵站的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到 促進(jìn)作用，具有非常積極的現(xiàn)實(shí)意義和較高的社會經(jīng)濟(jì)效益。
其次，實(shí)現(xiàn)井口測控部分(100)的各插件功能，該井口裝置按 工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，機(jī)箱采用標(biāo)準(zhǔn)6U型、后插拔、大面板、全封閉鋁 合金結(jié)構(gòu)機(jī)箱。具有防振，防塵、防潮、防有害氣體、防電磁干擾能 力強(qiáng)，所有芯片采用軍品或工業(yè)品，可穩(wěn)定工作在-25。C 55。C范圍 內(nèi)。裝置由電壓、電流、載荷、扭矩等泵況采集插件、IGBT ;f企測與 驅(qū)動插件、DSP插件、井況測控插件、電源插件以及MMI組件等組成。 根據(jù)配置不同，可以續(xù)加配置1個或多個DSP插件。對外端子交流 電流采用帶短路環(huán)的插接端子，光纖接口采用FC連接方式，其它端 子均采用菲尼克斯端子。內(nèi)部端子采用德國HT接插件。
(1)硬件主要指標(biāo)采用DSP技術(shù)構(gòu)建硬件平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速 采集和處理。模擬量16路高速同步采樣400點(diǎn)/周波，數(shù)據(jù)采樣速 率不低于320kHz;采樣精度為16位，模擬量輸入范圍為士5V，采樣 精度士札SB。存儲器在DSP中配置，外部RAM: 256Kx32b,外部 FLASH: 256Kxl6b，開入量采集由DSP完成，提高分辯率，16 S各 光電隔離，帶瞬態(tài)干擾抑制保護(hù)輸入通道，采用防高電壓、強(qiáng)電磁干 擾的硬件措施光電隔離，隔離電壓不小于2500V。驅(qū)動口 16路， 24V輸出，光電隔離，隔離電壓不小于2500V,分辯率不大于lms， 硬件軟件相結(jié)合，做到硬件故障時可靠閉鎖出口。上電手動復(fù)位，上
28電閉鎖所有出口。設(shè)計硬件看門狗，周期可調(diào)整(不大于10ms)。在 程序出錯時，保證10ms內(nèi)自動復(fù)歸運(yùn)行。
(2)算法裝置硬件設(shè)計完全標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，生產(chǎn)、調(diào)試、維 護(hù)一方便為準(zhǔn)。內(nèi)嵌軟件編程模塊化，組態(tài)靈活方便。特別采用新型 的自適應(yīng)融合算法，快速地提取電力系統(tǒng)運(yùn)行的特征量，確保軟件能 在20ms內(nèi)響應(yīng)并驅(qū)動。軟件設(shè)有自檢功能，在DSP硬件平臺上就可 以完成節(jié)能效果評估和算法驗(yàn)證。 (3)系統(tǒng)軟件
在原有開發(fā)的智能多參數(shù)標(biāo)檢軟件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的升級 版本。主要完成(1)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。本軟件容易實(shí)現(xiàn)綜合各種測試 資料及有關(guān)地質(zhì)資料，通過^f又長補(bǔ)短，互相補(bǔ)充，互相印證，最后熔 合為一體，實(shí)現(xiàn)全面整體的油藏地質(zhì)動態(tài)描述的目的。能大大地^提高
測試資料的信息利用率，使得油藏動態(tài)分析人員準(zhǔn)確和及時地認(rèn)識油 藏動態(tài)。(2)實(shí)現(xiàn)動態(tài)輸送。本軟件具有強(qiáng)大的遠(yuǎn)程圖表、數(shù)據(jù)、信 息發(fā)布功能。本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計為多層B/S結(jié)構(gòu)即根據(jù)目前實(shí)際 的網(wǎng)絡(luò)和單機(jī)環(huán)境，在Windows NT Server4. 0中文版以上版本的網(wǎng) 絡(luò)操作系統(tǒng)環(huán)境，微機(jī)操作系統(tǒng)為Windows95/98中文版；為了兼顧 現(xiàn)狀、考慮發(fā)展及推廣，本系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)格式的Oracle庫為基礎(chǔ)。采 用高檔微機(jī)為人機(jī)交互前端，完成動、靜態(tài)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)組織管理、 區(qū)塊動態(tài)參數(shù)計算、圖形表現(xiàn)、統(tǒng)計分析處理、結(jié)果顯示和輸出、結(jié) 果發(fā)布等功能。(3)廣播數(shù)據(jù)資料。發(fā)布油田開發(fā)過程中的測試資料 (試井資料、吸水剖面測試資料和出油剖面測試資料)的各種圖形及表格數(shù)據(jù)，以及原始測試曲線、解釋成果圖表，通過企業(yè)網(wǎng)以WW或 B/S方式進(jìn)行發(fā)布， -使領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)部門隨時查閱生產(chǎn)數(shù)據(jù)、提高工作 效率，保證資料的一致性和準(zhǔn)確性，迅速、準(zhǔn)確地掌握第一手材料， 并能充分利用數(shù)據(jù)庫集成的優(yōu)勢，隨時根據(jù)需要找出諸如含水變化過 大、產(chǎn)量降低的區(qū)塊、井組和單井，分析用的參考數(shù)據(jù)、圖形等配合
使用，便于分析，減少在查找相應(yīng)資料所花的時間和精力。分析包括 l)區(qū)塊動態(tài)分析；2)井組動態(tài)分；2)單井動態(tài)分析；3)層位動態(tài) 分析。(4)本系統(tǒng)主要包括以下幾種類型的圖形和數(shù)據(jù)表。1)區(qū)塊 動態(tài)參數(shù)平面分布等值圖繪制動態(tài)參數(shù)等值分布圖有平均地層壓力、 流動系數(shù)、小層有效厚度、滲透率等參數(shù)的平面等值分布圖。2)區(qū) 塊井點(diǎn)參數(shù)分布圖繪制某年某月的日注入量、日產(chǎn)出液量、含水率、 表皮系數(shù)、流壓和地層壓力等參數(shù)的平面分布圖。3)井組柵狀動態(tài) 圖繪制井組柵狀動態(tài)圖并附加有產(chǎn)液剖面和注入剖面成果，綜合表現(xiàn) 井組的各小層的連通和動用狀況等。以立體圖形標(biāo)出各層段的連通情 況，標(biāo)出井號、各小層注入百分量和各小層的產(chǎn)出量。并給井點(diǎn)動態(tài) 參數(shù)表。4)環(huán)空井溫組合測井成果圖在同一圖上繪制某一次原始 的環(huán)空找水測試和井溫測試解釋成果圖表，并標(biāo)出井號、測試日期、 深度、自然電位和射孔井段等數(shù)據(jù)。5)環(huán)空找水解釋成果對比圖在 同一圖上繪制歷次環(huán)空找水測試數(shù)據(jù)，標(biāo)出井號、測試日期和深度等 數(shù)據(jù)；6)井溫測井曲線解釋成果對比圖在同一圖上繪制歷次井溫、 微差數(shù)據(jù)，標(biāo)出井號、測試日期和磁定位等數(shù)據(jù)。7)同位素吸水剖 面解釋成果圖在同一圖上繪制某一次測試的同位素、磁定位、相對吸水百分?jǐn)?shù)、有效厚度、滲透率、深度、自然伽瑪曲線、自然電位和射 孔井段等數(shù)據(jù)。8)同位素吸水剖面解釋曲線對比圖在同一圖上繪制 歷次的吸水層位、同位素曲線、管柱曲線，并標(biāo)有井號和測試日期。
9)單井試井分析成果報告發(fā)布五圖二表，繪制五種基本的單井試井 分析成果圖(歷史擬合圖、無因次霍納圖、雙對數(shù)擬合圖、MDH分析 圖和霍納分析圖)，井的基本參數(shù)和壓力時間測試數(shù)據(jù)表以及試井解 釋成果表。IO)試井解釋成果報表。繪制某一時期的多口井的試井解 釋成果匯總報表。11)井徑曲線對比圖在同一圖上繪制管柱曲線和歷 次的井徑曲線，并標(biāo)有井號和測試日期。12)磁定位數(shù)據(jù)表。
權(quán)利要求
1.一種節(jié)能增效系統(tǒng)，其特征在于包括井口測控(100)、信道(200)和井下測控(300)三部分。其中，井口測控部分(100)由多傳感器采集插件(110)、電力插件(120)、DSP插件(130)、檢測與驅(qū)動插件(140)構(gòu)成，各插件按工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，可后插拔于6U標(biāo)準(zhǔn)全封閉鋁合金結(jié)構(gòu)機(jī)箱內(nèi)，前后面板由MMI(150)和底板(160)組件連接成獨(dú)立系統(tǒng)。主要完成“泵況”及井口測控和系統(tǒng)組織節(jié)能增效工作。信道部分(200)和井下測控部分由智能井多參數(shù)測控傳感器系統(tǒng)(300)配套(另有專利)，負(fù)責(zé)準(zhǔn)確可靠地提供井層系當(dāng)前的“井況”信息，如流量、壓力、溫度、各相濃度及密度等，由信道(200)送入，檢測與驅(qū)動插件(140)完成編解碼。DSP插件(130)將輸出井和(或)注入井口及井層系的多參數(shù)“井況”信息通過信道和“泵況”測控信息融合在一起，使泵的“泵況”和“井況”經(jīng)時空同步后顯現(xiàn)在同一平臺的液晶和(或)后臺集控站，軟件利用多傳感器融合技術(shù)使“泵況”，“井況”與“工況”合并增產(chǎn)節(jié)能，自適應(yīng)跟蹤控制動力，實(shí)現(xiàn)油氣單井和(或)局部采/注井的高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。各插件對外有測控接口，根據(jù)指令可以完成各種測控任務(wù)，其中人機(jī)接口插件(MMI)可以和車載或中央處理器完成有(無)線通訊、光釬或電纜接入，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接并協(xié)同油田網(wǎng)絡(luò)工作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求所述的一種節(jié)能增效系統(tǒng)，其特征在于井口測控(100)使用參數(shù)辨識技術(shù)建立"工況，，模型。在原油氣開采過程中，初次采油氣一般依靠地底壓力讓原油自噴而出；此后由于地下壓力減小，不得不向地下注水將油驅(qū)出，稱二次 采油。在二次采油工藝中，引入調(diào)頻節(jié)能技術(shù)，其基于建立頻率響應(yīng) 函數(shù)的負(fù)荷測量模型，它要求對實(shí)際動力結(jié)構(gòu)井及井層施加一組可 控、可觀的注入壓力激勵，同時測取其產(chǎn)出響應(yīng)參量之一的負(fù)荷，通 過輸人輸出數(shù)據(jù)辨識電泵動力學(xué)特性，實(shí)施調(diào)頻節(jié)能。當(dāng)前，中國多 數(shù)油田處于二次采油晚期，每百噸采出液體中，含水量高達(dá)95%，綜 合原油采收率只有30 %多 一些，60 %多的石油仍然留在地下無法采 出。于是在實(shí)際開采中多數(shù)已采用的是三次采油，即采用從地面注入 各種驅(qū)油介質(zhì)-各種化學(xué)物質(zhì)、溶劑、熱載體、等物理化學(xué)方法等進(jìn) 行生產(chǎn)，其采收率約為50°/。一70%。這種以開采二次采油階段剩余為目 標(biāo)所采取的各種增加原油產(chǎn)量的措施，包括各種物理及化學(xué)驅(qū)油措 施。其意義更加廣泛，動力結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如還包括單井吞吐、近井 地帶處理以及水平井開采技術(shù)應(yīng)用等。該階段必須采用以實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分 析技術(shù)作為結(jié)構(gòu)動力學(xué)反問題研究的主要手段，來控制開采，如聚合 物驅(qū)油氣技術(shù)是隸屬于三次采油階段的"提高采收率"技術(shù)中的一種 強(qiáng)化采油工藝技術(shù)，通常是在水驅(qū)開發(fā)基礎(chǔ)上的，改善水驅(qū)，是向地 層注入高粘度的聚合物溶液來大大降低流度比、擴(kuò)大波及體積、提高 驅(qū)油效率從而提高采收率的驅(qū)油工藝。然而，實(shí)施遇到的困難是，研 究對象及井層或者無法施加人工激勵；或者人工激勵代價昂貴或有破 壞性；或者結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下自身承受的環(huán)境激勵不可測控。由此提出了只在響應(yīng)可測的條件下對結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)辨識的測控問題，稱為 "工況模態(tài)分析。在實(shí)際工作狀況(工況)下，實(shí)測的響應(yīng)更能夠真實(shí)地反映井結(jié) 構(gòu)本身的固有特征、邊界條件及環(huán)境載荷特性，與主動控制、系統(tǒng)監(jiān) 測和設(shè)備保護(hù)診斷等調(diào)頻節(jié)能工程應(yīng)用直接相關(guān)。所以，以"工況，， 模態(tài)分析技術(shù)來真正獲得"泵況"和"井況"運(yùn)行條件下的特征參數(shù)， 并優(yōu)化改進(jìn)"工況"模型，獲得更高的測控辨識參數(shù)精度和穩(wěn)定性， 是本專利的基礎(chǔ)方法。如圖2,設(shè)定三次開采的產(chǎn)能系統(tǒng)一般可以分 成產(chǎn)出、用電耗能、轉(zhuǎn)儲三個部分，產(chǎn)出部分一般由產(chǎn)出井及其井層多級輸出層組成，各層特性是間歇脈動的；轉(zhuǎn)儲部分是多個并聯(lián)的油、 氣、水儲罐，其中油、氣是產(chǎn)出部分，水等注入介質(zhì)是可以循環(huán)轉(zhuǎn)儲 的，也是受控的，其特性是穩(wěn)定均衡的，它可以作為系統(tǒng)的緩沖調(diào)節(jié)， 重復(fù)使用；用電耗能部分是指產(chǎn)油、注水介質(zhì)等動力系統(tǒng)及消耗，通 用設(shè)備用電特性是穩(wěn)定的；根據(jù)產(chǎn)能平衡原理，可以建立產(chǎn)能，消耗、 轉(zhuǎn)儲三者關(guān)系的數(shù)學(xué)模型如下尸(0 = "1^(0 + "2^3(0/1(1)式(1) 中^(0 —某井單位日采噸油(方氣)消耗總電量，單位KW/日，4 (0—為某井單位日正常采噸原油(方氣)產(chǎn)量的電力消耗，KW/日； ——某井采用節(jié)能后單位日采注水循環(huán)流量而消耗的電能，KW/曰； ril一一每度電的單位日產(chǎn)能系數(shù)，其含義是每lKW/日噸的電能，能 夠供出的原油(氣)的產(chǎn)量，T(方)/日，主要與電力調(diào)頻節(jié)能有關(guān)， 即"泵況"有關(guān)；— 一每度電的單位日無用產(chǎn)能系數(shù)，其含義是 轉(zhuǎn)注儲罐水等介質(zhì)所消耗的lKW/日噸電能，或供出的原油(氣)產(chǎn)量后節(jié)省的電能，單位lKW/日.噸。其中供出的原油(氣)產(chǎn)量的多少， 與流量，流體成分持率(濃度)等"井況"和儲罐的容積有關(guān)。如對 式(1 )積分后有<formula>formula see original document page 5</formula>其中，式(1)表示該系統(tǒng)的瞬時關(guān)系，式(2)表示該系統(tǒng)的節(jié)能累積效果關(guān)系。該"工況"模型反映了電力調(diào)頻及綜合節(jié)能的效果， 依據(jù)"工況"模型，辯識"泵況"和"井況"參數(shù)，合理地控制"泵 況，，和"井況"，結(jié)合水等介質(zhì)轉(zhuǎn)儲消耗電能的變化趨勢預(yù)報產(chǎn)油(氣) 的供應(yīng)"工況"是處于過剩狀態(tài)還是不足狀態(tài)，為產(chǎn)出平衡系統(tǒng)的調(diào) 度指揮提供參考，讓采注系統(tǒng)"三況合一"，滿足間歇脈動的瞬變特 性，既可以減少多產(chǎn)出水造成的資源浪費(fèi)，又可以避免因?yàn)楫a(chǎn)液量過 低給生產(chǎn)帶來的影響，實(shí)現(xiàn)實(shí)實(shí)在在的節(jié)能。上述的瞬間"工況"參 量和累積效果，就能系統(tǒng)地描述采注井及層系的輸出和注入產(chǎn)量及消 耗軌跡，引入人為的決策嗜好就可以提高采收率，完成高效節(jié)能的目的。
3.根據(jù)權(quán)利要求所述的一種節(jié)能增效系統(tǒng)，其特征在于井口測 控(100)使用參數(shù)辨識技術(shù)建立關(guān)于"井況"參數(shù)的描述。圖3表示一個油藏三維立體網(wǎng)格模型，它代表油田采注井及其井 層的通用"井況"微觀才莫型，假定流體流入該網(wǎng)格后，又從另一面流 出。流體在x(Jx)處流入網(wǎng)格，在位置x+Ax(Jx+Ax)流出網(wǎng)格。符號 J表示流體流量，定義為與流動方向相垂直的單位橫截面積的質(zhì)量流 動速率，本圖是x方向。由質(zhì)量守恒流出網(wǎng)格的質(zhì)量-流入網(wǎng)格的 質(zhì)量=網(wǎng)格塊內(nèi)累積的質(zhì)量，則有) jc AyAz + (Jy )少AxAz + (Jz )z AxAy]Af -[(Jx)x+AxAyAz +(Jy)y +AyAxAz + (z)z十AzAyAx]At -《AxAyAzAf = [(Cp- (Cp》]AxAyAz..(3)請注意上述公式中的q,它表示一個源/匯項(xiàng)，代表一口注入井(源) 或生產(chǎn)井(匯)。當(dāng)為輸出井時，g>0，若為注入井，則《<0.在時間 段At內(nèi)，網(wǎng)格塊中P相濃度(C^)的變化就是網(wǎng)格塊內(nèi)質(zhì)量的累積。 假定Cp為油藏網(wǎng)格塊中p相(油，水或氣)總質(zhì)量除以網(wǎng)格體積， 則可得到累積項(xiàng)的表達(dá)式；KCp》+ Af — (CpWAxA-MLW將方程(3) —(4)帶入質(zhì)量守恒方程得到Ax 4y Az A 當(dāng)Ax、Ay、Az 和"趨于無窮小時，用連續(xù)性方程表示(5)式得——^——^---《=~^..(6)9x & 改方程(6)為各相通用公式，即將P替換為油，水和氣相，則分別得到 它們各自的質(zhì)量守恒方程，對油、水、氣分別測控出守恒方程的流量 和濃度，將得到它們的流動方程。而井口和(或)井層系測控到的流 量、壓力、溫度、各相濃度及密度，就能4艮好地描述采注井及層系的 輸出和注入能力。
4.根據(jù)權(quán)利要求所述的一種節(jié)能增效系統(tǒng)，其特征在于井口測控(100)使用參數(shù)辨識技術(shù)建立關(guān)于"泵況"參數(shù)描述。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=60f (l-s)/p可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與頻率f成 正比，只要改變頻率f即可改變電動才幾的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0_50 Hz 的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬，變頻調(diào)速就是通過改 變電動機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，進(jìn)而決定轉(zhuǎn)矩軌跡而實(shí)現(xiàn)動力產(chǎn) 能的控制。只要采用變頻調(diào)速控制后，控制系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷 變化及時改變輸入電機(jī)的電流和電壓，降低電機(jī)輸入功率，調(diào)整電機(jī) 的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)處于經(jīng)濟(jì)負(fù)荷下運(yùn)行，達(dá)到節(jié)電的目的。而井口和(或) "泵況"測控到的載荷、位移、張力、相電壓、相電流及零序電壓和 電流等就能很好地描述泵況的運(yùn)行參數(shù)。采用交一直一交(直)方式，把工頻交流電源通過三相橋式可控 整流、中間直流環(huán)節(jié)等轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源經(jīng)IGBT 三相橋式逆變或由DSP直接輸出P麗波形，將頻率、電壓均可控制 的交流功率電源供給電動機(jī)，完成動力運(yùn)行。中間直流環(huán)節(jié)的作用為 濾波、直流儲能和緩沖無功功率。如圖4，由DSP插件控制的泵況控 制圖。由位移檢測傳感器獲得的位置信號和預(yù)測軌跡(144)的信息 經(jīng)DSP控制單元(140)變換，輸出P麗信號到死區(qū)控制單元(145), 驅(qū)動單元(146 )和H型功率輸出(147 )到電機(jī),直流伺服電機(jī)(148 ), 和位置反饋(149)完成位移檢測，其中DSP (140)控制單元還同 時完成PID調(diào)節(jié)(141), P麗脈寬調(diào)制輸出(143),以及A/D轉(zhuǎn)換， 而預(yù)測軌跡信息(144)則直接從存儲器中調(diào)用。
5.根據(jù)權(quán)利要求100所述的一種節(jié)能增效系統(tǒng)，其特征在于采用"泵況"測控(110),"井況"編解碼(140)等多傳感器原始數(shù)據(jù)的 獲得與校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。如圖5,包括泵況傳感器(210)， 井況傳感器(23G)，井口傳感器(2N);泵況傳感器跟蹤(22G )，井 況傳感器跟蹤(240 ),井口傳感器跟蹤.(2N+10)，信道(200 ),時空 校準(zhǔn)(132),轉(zhuǎn)矩負(fù)荷關(guān)聯(lián)(136),轉(zhuǎn)矩融合(138)。其中，"泵況"(110),"井況"(140)等多傳感器分置于地面和井下，距離幾千公 里，其首要解決的是數(shù)據(jù)可靠，測量準(zhǔn)確；為此，本專利提出了參數(shù) 對象參照拓樸，這一特征利用了測控參數(shù)的群體結(jié)構(gòu)化信息，對系統(tǒng) 中的各種不確定性有著固有的反作用能力新特征，建立了 一種模仿人 工判別的轉(zhuǎn)矩關(guān)聯(lián)算法。然后采用了一種具有動態(tài)縮放系數(shù)的穩(wěn)健狀 態(tài)向量融合方法來實(shí)現(xiàn)傳感器的誤差修正即跟蹤(210、 22、 230 )。 這樣解決局部傳感器的系統(tǒng)偏差對多傳感器融合系統(tǒng)的影響。解決了 系統(tǒng)中的單傳感器偏差的充分校準(zhǔn)。否則，個體信息無法成為關(guān)聯(lián)判 決的可靠依據(jù)。這一功能通常在融合中心的時空校準(zhǔn)模塊中(132) 中實(shí)現(xiàn)。其次，經(jīng)過時空校正后，即多傳感器數(shù)據(jù)在經(jīng)過時空校準(zhǔn)后 仍存在較大的系統(tǒng)偏差，將會對后續(xù)的測控關(guān)聯(lián)造成影響；這時通過 實(shí)時質(zhì)量控制法、最小二乘法等，無差別對待所有關(guān)聯(lián)軌跡信息。采 用對象參照拓樸，將對象之間的結(jié)構(gòu)化信息抽象成一種模式即轉(zhuǎn)矩負(fù) 荷關(guān)聯(lián)(136 )，利用模糊模式識別的基本知識刻畫出參數(shù)對象之間的 相似度，有效地抑制跟蹤融合系統(tǒng)中各偏差對對象關(guān)聯(lián)的影響，完成 多傳感器原始數(shù)據(jù)的獲得與轉(zhuǎn)矩負(fù)荷的軌跡跟蹤融合即轉(zhuǎn)矩融合(138)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求100所述的一種節(jié)能增效系統(tǒng)，其特征在于"泵 況"，"井況"等多傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)DSP插件(130)嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)自 適應(yīng)融合工況的軌跡跟蹤與優(yōu)化，其特征包括如圖6,傳感器數(shù)據(jù)采 集131， 一級融合(132), 二級融合(133),三級融合(124)，數(shù)據(jù) 庫系統(tǒng)(135),人才幾才妄口畫I (160),四級融合(136),泵況，井況 參數(shù)確認(rèn)(138)。其中， 一級融合(132 )也稱象素級(Pixel-lever) 融合，直接融合傳感器采集數(shù)據(jù)(131 ),當(dāng)多傳感器數(shù)據(jù)是同類同性 質(zhì)時(例如，當(dāng)兩個傳感器對相同的參數(shù)進(jìn)行4僉測測時，比如采用了 兩個壓力傳感器或兩個流量傳感器)，可以將傳感器的源始凄t據(jù)(raw data)直接融合。采用經(jīng)典的狀態(tài)估計方法融合，如Kalman濾波。 二級(133)、三級(134)融合為特征級(Feature-lever )融合，對 經(jīng)過一級融合(132)后的傳感器數(shù)據(jù)的特征矢量進(jìn)行提取并與數(shù)據(jù) 庫系統(tǒng)(135 )進(jìn)行融合，主要采用模式識別技術(shù)中的模糊聚類方法， 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。該過程對傳感器數(shù)據(jù)的特征提取后，有效降低了狀 態(tài)空間的維數(shù)，實(shí)現(xiàn)了可觀的信息壓縮，并且提取的特征直接與數(shù)據(jù) 庫系統(tǒng)(135),人機(jī)接口醒I (160)決策分析有關(guān)，因此特征級融 合結(jié)果可以最大限度地給出決策所需的特征信息。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合均 在這個層次上展開。四級融合為決策級(Decision-lever )融合，該 級是高層次的融合，它對傳感器已經(jīng)得出的工況初步結(jié)果進(jìn)行信息的 合并處理，得出最終的融合結(jié)果，為指揮控制決策提供依據(jù)。該過程 采用的主要方法經(jīng)典4偉理理i侖，Bayesian 4,理方法、 Dempster-Shafer證據(jù)理i侖、力口權(quán)決策方法(投票法)等，進(jìn)入泵況，井況參數(shù)確認(rèn)(138)后。人機(jī)接口醒I (160)將轉(zhuǎn)為正常的狀態(tài)監(jiān) 測，同時也建立了自適應(yīng)跟蹤體系，完成增效節(jié)能的閉環(huán)控制目的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求100所述的一種系統(tǒng)，其特征在于物理結(jié)構(gòu)的 電氣實(shí)現(xiàn)。采用工業(yè)全屏蔽機(jī)箱，規(guī)格233. 35 x 160，后視左側(cè)距 5.08+2.54,右側(cè)距5. 08;底^反尺寸:174.1=160+12.1+2。各電路才莫 塊依總線不出PCB板，用后背四插件底版連接，包括AC插件(llO)、 DSP插件(130 )、電力插件Power (120 )和4企測驅(qū)動插件MD ( 140 )。 后插拔的結(jié)構(gòu)模式上，前面板設(shè)置人機(jī)對話操作醒I( 150 )，底板(160 ) 提供各接插件的信號通道；后面板設(shè)置各種采集、通訊、輸入/輸出 接口。各插件的規(guī)格分別為AC插件寬度為5X10.16=50.8; DSP插 件寬度為3X10.16; M+D插件寬度為3X10.16; Power插件寬度為 4X10.16。各插件上的端子分布為AC插件用自短接結(jié)構(gòu)方式，CT電 流按7組輸入設(shè)計，PT電壓按5組設(shè)計；DSP插件用1個鳳凰端子， 型號為ME050-508-18和以太口 (RJ45), MD插件用兩個鳳凰端子型 號為ME050-508-18 ; Power插件用一個鳳凰端子，型號為 ME050-508-10; ME050-508-4 (可追外加PT ); 一個開關(guān)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求100所述的一種節(jié)能增效系統(tǒng)，其特征在于，DSP 插件(130),采用TMS320F2812數(shù)字信號處理器。利用其先進(jìn)的內(nèi)部 和外設(shè)結(jié)構(gòu)使得該處理器特別適合各插件協(xié)調(diào)、電器及其運(yùn)動狀態(tài)測 控，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能的軟硬件結(jié)合。它將檢測與驅(qū)動插件(140)送 入的"井況"和"泵況"測控信息經(jīng)時空同步后與"井況"信息融合， 形成"三況合一"，再結(jié)合GPS (110)同步及調(diào)頻一饋電等功能去實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能和電能的合理決策。同時，通過人機(jī)接口插件(醒I)建立專 家決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時的最優(yōu)控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求IOO所述的一種節(jié)能增效系統(tǒng)，其特征在于井口多傳感器采集插件(110 ),提出了一種穩(wěn)健的機(jī)動目標(biāo)跟蹤方法。該方法以實(shí)時的目標(biāo)機(jī)動性信息為依據(jù)，人為地在融合中心引入非均勻采樣的異步數(shù)據(jù)，從而在帶寬受限的多傳感器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了對機(jī)動目標(biāo)的精確跟蹤。
10.根據(jù)權(quán)利要求100所述的一種節(jié)能增效系統(tǒng)，其特征在于電力插件(120)，檢測與驅(qū)動插件(140)，將"井況"、"泵況"檢測傳感器和執(zhí)行器的測控信息經(jīng)預(yù)處理后送入DSP插件(130)的時空校準(zhǔn)預(yù)處理，同時作為動力控制的驅(qū)動接口去調(diào)整電機(jī)的工作狀況。人機(jī)接口插件畫I (150)，提供了人機(jī)操作的平臺和狀態(tài)顯示，底板組件(160)提供了井口測控系統(tǒng)的內(nèi)部接口通道，讓內(nèi)部測控總線不出系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。
全文摘要
一種節(jié)能增效系統(tǒng)，包括井口測控、信道和井下測控三部分。其中，井口測控部分由泵況和井口多傳感器采集插件、電力插件、DSP插件、檢測插件、測控驅(qū)動及備用插件構(gòu)成，各插件按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，可后插拔6U標(biāo)準(zhǔn)全封閉鋁合金結(jié)構(gòu)機(jī)箱內(nèi)，前后面板由MMI和底板組件連接成獨(dú)立系統(tǒng)。信道部分和井下測控部分由智能井多參數(shù)測控傳感器系統(tǒng)配套(另有專利)。系統(tǒng)將輸出井和(或)注入井及井層系的多參數(shù)“井況”信息通過信道和井口測控信息融合在一起，使泵的“泵況”和“井況”經(jīng)時空同步后顯現(xiàn)在同一平臺上。利用多傳感器融合技術(shù)使“泵況”，“井況”與“工況”合并增產(chǎn)節(jié)能，自適應(yīng)跟蹤控制動力，實(shí)現(xiàn)油氣單井和(或)局部采/注井的高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
文檔編號E21B47/00GK101586458SQ20091020332
公開日2009年11月25日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者楊厚榮 申請人:楊厚榮