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

背景技術：

1、抽油機是油田生產(chǎn)最常用的機械系統(tǒng)，點多面廣且數(shù)量龐大，抽油機經(jīng)過能效監(jiān)測，診斷各環(huán)節(jié)工況，及時發(fā)現(xiàn)問題，然后通過優(yōu)化抽油機控制參數(shù)，實現(xiàn)抽油機經(jīng)濟節(jié)能運行。其中，抽油機懸點運動軌跡和平衡模塊位置的調(diào)整控制是較為復雜的被控對象，抽油機產(chǎn)量和電參數(shù)等因素的變化都會對抽油機懸點運動軌跡和平衡模塊位置造成很大的影響，對抽油機懸點運動軌跡和平衡模塊位置進行優(yōu)化，無論是建模還是控制都比較困難。

2、現(xiàn)有技術中，僅從單井的運行工況角度進行優(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)字化油田建設的深入及物聯(lián)網(wǎng)技術在油田生產(chǎn)上的逐步推廣應用，應用計算機技術，對龐大數(shù)量的現(xiàn)狀復雜的單井抽油機組及井組(區(qū)塊)整體機組進行更為快速、科學和全面的綜合能效評價和智能診斷，并及時對工況進行尋優(yōu)控制，是節(jié)能管控精細化管理的迫切需求。

4、中國發(fā)明專利cn115566964公開了一種游粱式抽油機變頻控制系統(tǒng)及其方法，利用直接轉(zhuǎn)矩控制技術設計了專門直接轉(zhuǎn)矩控制單元以生成優(yōu)化的逆變器模塊驅(qū)動機制，根據(jù)逆變器直流側(cè)兩個電容電壓差經(jīng)過設計的三電平滯環(huán)控制器實現(xiàn)基于不同開關矢量表的系統(tǒng)的三種工作模式切換。上述方法不能實現(xiàn)抽油機設備參數(shù)優(yōu)化過程，不能確定最優(yōu)生產(chǎn)參數(shù)，不能指導抽油機設備的經(jīng)濟節(jié)能運行。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供了一種抽油機參數(shù)優(yōu)化方法及其應用，本發(fā)明要解決的技術問題是如何優(yōu)化油機設備參數(shù)，使抽油機經(jīng)濟節(jié)能運行。

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

3、步驟s1：對采集到的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進行能效評價；

4、步驟s2：根據(jù)能效評價結(jié)果，對生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進行參數(shù)優(yōu)化；

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

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

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

8、步驟s6:根據(jù)最優(yōu)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)對抽油機參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化，實現(xiàn)抽油機的節(jié)能降耗

9、進一步的，所述步驟s3中，以區(qū)塊內(nèi)抽油機系統(tǒng)碳的排放量最小和區(qū)塊內(nèi)經(jīng)濟效益最高，建立多目標函數(shù)。

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

11、以區(qū)塊內(nèi)抽油機系統(tǒng)碳的排放量最小建立目標函數(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)抽油機系統(tǒng)的耗電量，單位kwh。

14、進一步的，區(qū)塊內(nèi)抽油機系統(tǒng)的耗電量計算公式如下：

15、

16、式中：βi,t為t時刻第i臺抽油機動力設備電動機的瞬時功率利用率，％；pi,t,e為t時刻第i臺抽油機動力設備電動機的額定功率，單位kw；pi,t,0為t時刻第i臺抽油機動力設備電動機的空載功率，單位kw；ηi,t,e為t時刻第i臺抽油機動力設備電動機的額定效率，％。

17、進一步的，針對游梁式機械采油系統(tǒng)，當抽油設備、套壓、油壓和采出油物性參數(shù)已知時，區(qū)塊內(nèi)抽油機系統(tǒng)的耗電量是與抽油機的沖程s、抽油機的沖次n、曲柄平衡重量wc、抽油機平衡半徑rc和桿柱組合{d,l}之間的函數(shù)，由此區(qū)塊內(nèi)抽油機系統(tǒng)的耗電量可改寫成如下：

18、

19、式中：pi,t為t時刻第i臺抽油機動力設備電動機的耗電量，單位kw；si,t為t時刻第i臺抽油機的沖程，單位m；ni,t為t時刻第i臺抽油機的沖次，單位min-1；wc,i,t為t時刻第i臺抽油機的曲柄平衡重量，單位kg；rc,i,t為t時刻第i臺抽油機的平衡半徑，單位m；{d,l}i,t為t時刻第i臺抽油機的桿柱組合。

20、進一步的，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)濟效益最大作為優(yōu)化目標，建立目標函數(shù)如下：

21、

22、式中：max?f為經(jīng)濟效益最大值；co為原油的出售價格，單位元/ton；qi,t為t時刻第i臺抽油機產(chǎn)量，單位ton；ce為購電價格，單位元/kwh。

23、進一步的，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、上下沖程時長約束和桿柱強度約束。

24、進一步的，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臺抽油機設備的額定生產(chǎn)量，單位ton。d0,i為第i臺抽油機系統(tǒng)的抽油泵直徑，mm；s0,i為第i臺抽油機系統(tǒng)的懸點沖程長度，m；n0,i為第i臺抽油機系統(tǒng)的懸點沖次，min-1；a0,i為第i臺抽油機系統(tǒng)的泵排量系數(shù)。

30、進一步的，第i臺抽油機懸點位置的最大載荷不應大于抽油機的最大允許載荷，懸點載荷約束如下：

31、pi,t,max-[pi,t,max]≤0

32、式中：pi,t,max為t時刻第i臺抽油機懸點的最大載荷；[pi,t,max]為t時刻第i臺抽油機懸點的最大允許載荷。

33、進一步的，第i臺抽油機工作時，曲柄軸最大凈扭矩應小于最大允許扭矩，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時刻第i臺抽油機懸點的最大載荷；[mi,t,max]為t時刻第i臺抽油機的最大允許扭矩。

36、進一步的，將第i臺抽油機的動力設備電動機的功率平衡度設定為85％～100％，平衡度約束如下：

37、

38、

39、式中：pi,t,down為t時刻第i臺抽油機的懸點下沖程電機的輸入功率；pi,t,up為t時刻第i臺抽油機的懸點上沖程電機的輸入功率。

40、進一步的，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時刻第i臺抽油機設備變頻控制前的沖次；ni,t,f為t時刻第i臺抽油機設備變頻控制后的沖次；ni,t,min為t時刻第i臺抽油機運行的最小沖次約束；ni,t,max為t時刻第i臺抽油機運行的最大沖次約束。

44、進一步的，所述上下沖程時長約束如下：

45、

46、

47、式中：ti,t,up為t時刻第i臺抽油機上沖程所需要的時間；ti,t,down為t時刻第i臺抽油機下沖程所需要的時間。

48、進一步的，第i臺抽油機在生產(chǎn)時需要校核強度，所述桿柱強度約束如下；

49、σi,t,max-[σmax]≤0

50、[σmax]＝k(0.25σb+0.5625σi,t,min)

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

52、進一步的，所述步驟s5中，所述抽油機參數(shù)優(yōu)化模型為：

53、minm碳排＝e碳排·pe·10-3

54、

55、

56、進一步的，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參數(shù)優(yōu)化模型。

57、進一步的，最優(yōu)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)包括抽油機的沖程、抽油機的沖次、曲柄平衡重量、抽油機平衡半徑和電動機輸入功率。

58、本發(fā)明提供了一種抽油機懸點運動軌跡控制方法，使用上述抽油機參數(shù)優(yōu)化方法，根據(jù)最優(yōu)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)抽油機的電機轉(zhuǎn)速，降低抽油機載荷的波動程度，減輕傳動和桿柱的機械疲勞程度，實現(xiàn)抽油機的運行效率的提高；根據(jù)最優(yōu)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)抽油機的電機扭矩，實現(xiàn)對抽油機懸點運動軌跡的優(yōu)化控制。

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

60、本發(fā)明提供了一種抽油機參數(shù)優(yōu)化方法，通過對生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進行全面的能效評價，自動預警能效低的抽油機井，并對生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進行參數(shù)優(yōu)化，以區(qū)塊內(nèi)抽油機系統(tǒng)碳的排放量最小和區(qū)塊內(nèi)經(jīng)濟效益最高，建立多目標函數(shù)，建立油井產(chǎn)量約束、懸點載荷約束、曲柄軸凈扭矩約束、平衡度約束、沖次約束、上下沖程時長約束和桿柱強度約束，根據(jù)目標函數(shù)和模型約束條件，建立抽油機參數(shù)優(yōu)化模型，并求解得出最優(yōu)生產(chǎn)運行數(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)濟效益的節(jié)能技改方案和節(jié)能運行方案；應用最優(yōu)生產(chǎn)運行數(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，實現(xiàn)抽油機單井及井組(區(qū)塊)的節(jié)能運行智能控制。

61、本發(fā)明一種抽油機懸點運動軌跡控制方法，在抽油機工作制的每一個工作周期內(nèi)對抽油機懸點運動軌跡進行優(yōu)化控制，根據(jù)最優(yōu)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)抽油機的電機轉(zhuǎn)速，降低抽油機載荷的波動程度，減輕傳動和桿柱的機械疲勞程度，實現(xiàn)抽油機的運行效率的提高；根據(jù)最優(yōu)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)抽油機的電機扭矩，實現(xiàn)對抽油機懸點運動軌跡的優(yōu)化控制，以解決現(xiàn)有抽油機參數(shù)難以計算，控制延遲性問題。

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