專利名稱：油井間抽自尋優(yōu)控制、故障診斷及保護裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于油田采油設備自動檢測及智能控制技術領域，涉及一種用于實現 油田中低滲、低產、低效和間歇出油油井抽油機最優(yōu)啟?？刂?、綜合保護、故障診斷和無功 補償的智能測控裝置。
技術背景 在諸多因素制約下，目前油田采油生產過程中使用的抽油機實際抽汲能力都大于 油井的供液能力，致使油井時常發(fā)生(尤其是低滲、低產、低效與間歇出油油井)供液不足、 油泵空抽現象，造成抽油系統(tǒng)鉆桿部件、管路、齒輪箱和泵體額外磨損、泵效降低、抽油機壽 命縮短、電能浪費等危害。采用油井間抽工作方式(即在油液充盈時開井、油液不足時關 井)是解決上述問題的有效手段。要科學地實現間抽工作方式，關鍵性技術在于確保不降 低油井產液量的前提下，快速檢測、提取油井油液量充盈與油液量不足的綜合特征，并確立 最優(yōu)的關井時間T。ff和開井時間τ。η參數。目前本領域公知的油井間抽控制裝置主要有以 人工經驗法、光桿載荷法、井口流量法、流量開關法、電機功率法、電機轉速法以及連續(xù)動液 面測量法等方法為理論基礎的各種裝置，但受到地質條件的復雜性與時變性、人為注水的 不確定性、抽油工況的非線性以及油質變化(如含蠟、粘稠度)的多樣性等因素影響，上述 裝置采用的間抽控制方法的數學模型與實際工況差別甚大，很難用精確地求取、計算所需 的間抽控制參量，特別是不能確定到底應該關井多長時間后再開井才算最優(yōu)(即最優(yōu)的關 井時間T。ff)，控制效果不佳；兼之上述方法及裝置還存在丟失油液產量、對油井的工況適應 性差、對抽油機分布參數敏感、運行不可靠或安裝不方便等缺點，限制了油井間抽工作方式 的優(yōu)越性在實際應用中的極大發(fā)揮；此外，上述裝置功能單一，存在不能對抽油機及其驅動 電機進行綜合保護、不能對抽油機系統(tǒng)的無功功率進行動態(tài)補償以及不能對抽油機的故障 進行在線診斷等缺陷。
實用新型內容本實用新型的目的在于對現有技術存在的問題加以解決，提供一種結構設計合 理、功能完善、具有人工智能特性的油井間抽自尋優(yōu)控制、故障診斷及保護裝置。為實現上述發(fā)明目的而采用的技術解決方案是這樣的所提供的油井間抽自尋優(yōu) 控制、故障診斷及保護裝置包括基于雙核CPU技術的主機及其接口、向前測控通道和向后 測控通道三個環(huán)節(jié)。其中主機及其接口由DSP系統(tǒng)模塊、單片機系統(tǒng)模塊、CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊、鍵盤 模塊、液晶顯示模塊、串行通信模塊和Watchdog模塊組成，DSP系統(tǒng)模塊分別通過標準SPI 總線和通用并行輸入輸出口與單片機系統(tǒng)模塊和CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊相連，單片機 系統(tǒng)模塊通過通用并行輸入輸出口和CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊相連，鍵盤模塊和液晶顯 示模塊分別經光電耦合器隔離后與CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊相連，串行通信模塊經光電 耦合器隔離后同時與單片機系統(tǒng)模塊和CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊相連，Watchdog模塊直接與DSP系統(tǒng)模塊和單片機系統(tǒng)模塊相連；向前測控通道由電參量檢測單元、壓力與流量變換單元、信號調理單元、遙信與閉 鎖回路單元組成，電參量檢測單元、壓力與流量變換單元的輸出端經信號調理單元后與主 機及其接口中的DSP系統(tǒng)模塊相連，遙信與閉鎖回路單元的輸出端經光電耦合器隔離后接 至CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊的輸入端；向后測控通道環(huán)節(jié)由四個開出回路組成，它們分別通過功率光電耦合器隔離并驅 動后與主機及其接口環(huán)節(jié)中的CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊相連。具體實施方案中，該裝置向前測控通道環(huán)節(jié)中的電參量檢測單元包括七只并列設 置的電參量傳感器，壓力與流量變換單元包括三路并列設置的由I/V轉換電路構成的變換 器，該裝置向后測控通道環(huán)節(jié)中的四個開出回路分別為信號預告與油機控制開出回路、電 機保護開出回路、無功補償開出回路和平衡調整開出回路。與現有技術相比，本實用新型具有的有益效果如下所述。一、本實用新型可根據歷次和本次抽油機及其驅動電機的實際工況參數，在線對 各類油藏供排液量數學模型、抽油系統(tǒng)抽油過程的最佳數學模型進行系統(tǒng)辨識及動態(tài)預 測，確定最佳的開井、關井時間，進而完成對油井抽油機的啟停控制，既保證油液產量不丟 失，又防止油泵空抽現象產生。二、可對抽油機及其驅動電機進行有效地綜合保護。對抽油機系統(tǒng)的故障保護包 括抽油桿斷脫保護、卡泵保護等；對驅動電機的故障保護包括I段過電流保護、II段過電流 保護、瞬時過電流保護、不平衡保護、電壓過低保護、電壓過高保護、合相負荷保護、電壓錯 序或缺相保護等；各項保護功能可軟壓板投退，定值與時限能鍵盤在線給定，掉電不丟失。三、可對抽油機存在的故障進行在線診斷。實際工作中，將折算后的井口示功圖、 各種相關參量和信號做統(tǒng)計、分析、比對，給出抽油機配重的不平衡狀況、井底泵固定凡爾 和游動凡爾的泄漏程度、油管的泄漏程度、卡泵、沙堵、氣鎖和結蠟等抽油機的故障診斷信 肩、ο四、可對抽油機系統(tǒng)的無功功率就地進行動態(tài)補償?？刂撇呗园β室驍敌秃?無功功率型兩種方式，分組編碼自動投切。五、可實現以下的四遙功能1、遙測功能A.完成抽油機系統(tǒng)的全電參量測量(Ua、Ub、Uc、3U0 ；la、lb、Ic,310 ；f ；cos α t ； Pa、Pb、Pc、Pt、Qa、Qb、Qc、Qt ；SRMS 或 SPQS ；Ept、Eqt ；ESr、ESp)，能準確測量到含 21 次諧波。B.不需要位移、載荷等物理傳感器，可實現對抽油機或油井有關參數的軟測量 (DET、間開時間、抽油機壽命、油井產液量、井口示功圖等)。C.抽油機總耗電能量統(tǒng)計、單次開井耗電能量統(tǒng)計、單次開井時間的統(tǒng)計、歷次開 井時間總累計的統(tǒng)計、開關井總累計次數的統(tǒng)計。D.能對單元本身溫度量測量T。E.提供日歷時鐘一組(精確到毫秒級)。F.油井系統(tǒng)其他(油管壓力、套管壓力、井口流量等)標準信號(4 20mA或0 2kHz)的擴展采集與打包傳送。[0022]2、遙信功能A.軟遙信故障報警與診斷量> 12個(包括抽油機配重不平衡、電壓錯序或缺相、 通訊異常、單元自檢故障、抽油機自啟、抽油機自停、抽油機拒啟、抽油機拒停等)。B.硬遙信功能(抽油機開關合/分閘動作，其它10路預留可自定義硬遙信)。3、遙控功能控制輸出四組，完成抽油機的啟/停操作、抽油機開機前預警(30S閃光或聲音信 號)。4、遙調功能兩路遠程可控制的模擬量輸出，精度優(yōu)于0. 5% ；遠程校時；遠程參數整定。六、S0E事件記錄彡8個(存儲抽油機運行故障信息)。七、具有多種工作模式。自尋優(yōu)模式(系統(tǒng)默認模式，不需人工干預)；手動模式 (試機或自動模式失效應急時啟用)；后備模式(按人工經驗時間模式定時工作)等。每種 模式運行相互獨立，互不影響。八、具有多種標準通訊接口，組網方便，為油田全面數字化奠定了底層物理基礎。九、具有高寒地區(qū)的油井間歇工作限制功能，用以避免因井口結蠟、結鹽或結油而 造成油井再開啟困難的后果。
附圖是本實用新型的電路結構原理圖。附圖中各標號名稱分別為A_主機及其接口環(huán)節(jié)，B-向前測控通道環(huán)節(jié)，C-向后 測控通道環(huán)節(jié)；1-電參量檢測單元，2-信號調理單元，3-壓力與流量變換單元，4-遙信與閉 鎖回路單元，5-光電耦合器，6-DSP系統(tǒng)模塊，7-單片機系統(tǒng)模塊，8-CPLD邏輯與組合系統(tǒng) 模塊，9-Watchdog模塊，10-光電耦合器，11-光電耦合器，12-光電耦合器，13-串行通信模 ±夬，14-液晶顯示模塊，15-鍵盤模塊，16-功率光電耦合器，17-功率光電耦合器，18-功率 光電耦合器，19-功率光電耦合器，20-預告信號與油機控制開出回路，21-電機保護開出回 路，22-無功補償開出回路，23-平衡調整開出回路。
具體實施方式
以下將結合附圖和實施例對本實用新型內容做進一步說明，但本實用新型的實際 制作結構并不僅限于下述的實施例。參見附圖1，本實用新型所述的油井間抽自尋優(yōu)控制、故障診斷及保護裝置由主機 及其接口 A、向前測控通道B和向后測控通道C三個環(huán)節(jié)組成，向前測控通道B和向后測控 通道C分別通過相應接口與主機及其接口 A相連?；陔p核CPU技術的主機及其接口 A包括DSP系統(tǒng)模塊6、單片機系統(tǒng)模塊7、CPLD 邏輯與組合系統(tǒng)模塊8、鍵盤模塊15、液晶顯示模塊14、串行通信模塊13和Watchdog模塊 9(內置EEPR0M)。DSP系統(tǒng)模塊6是以DSP系統(tǒng)為核心的數據處理、數學模型修正、能量計 算模塊；單片機系統(tǒng)模塊7是以單片機為核心的參數設定、外圍管理、抽油機故障保護與診 斷模塊；CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊8是以CPLD為核心的編碼、譯碼、計數、鎖存、輸入輸出 口擴展等邏輯組合與閉鎖模塊。DSP系統(tǒng)模塊6通過標準SPI總線和單片機系統(tǒng)模塊7相連，同時通過通用并行輸入輸出口和CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊8相連，并分別與他們交換 數據；單片機系統(tǒng)模塊7通過通用并行輸入輸出口和CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊8相連并 與其交換數據；鍵盤模塊15、液晶顯示模塊14分別經光電耦合器12、11隔離后與CPLD邏 輯與組合系統(tǒng)模塊8相連；串行通信模塊13經光電耦合器10隔離后與單片機系統(tǒng)模塊7、 CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊8相連；Watchdog模塊9直接與DSP系統(tǒng)模塊6、單片機系統(tǒng)模 塊7相連。結構具體設計上，DSP系統(tǒng)模塊6可采用內置A/D的TMS320系列處理器(如 TMS320F2812)，單片機系統(tǒng)模塊7采用ADuCSXX系列單片機，CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊8采 用EPM7128器件，串行通信模塊13可選用MAX232、MAX487等器件，光電耦合器10、11需選 用高速光隔器件(如HCPL2630)，光電耦合器12可選用通用光隔器件(如TLP521-X)。 向前測控通道B環(huán)節(jié)包括電參量檢測1、壓力與流量變換3、信號調理2、遙信與閉 鎖回路4等單元。電參量檢測單元1、壓力與流量變換單元3的輸出分別與信號調理單元 2的輸入相連；信號調理單元2的輸出連至DSP系統(tǒng)模塊6的AD輸入端；遙信與閉鎖回路 單元4通過光電耦合器5后連至CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊8。結構具體設計上，電量檢 測單元1中的電量傳感器采用三只交流電壓傳感器(如HPT304A)和四只電流傳感器(如 HCT255A)，壓力與流量變換單元3中對采集到的分別代表套管壓力、油管壓力和油液流量 的三路標準電流信號(4-20mA)直接由集成I/V轉換電路(如RVC420)變換為滿足DSP系 統(tǒng)6內置A/D輸入電壓量程范圍要求的0 3. 3V，信號調理單元2中信號調理電路可由集 成運放器(如TLC2274)和鉗位二極管、限幅穩(wěn)壓管、通用阻容器件組成的濾波器實現，遙信 與閉鎖回路單元4對輸入的各種閉鎖、狀態(tài)等開關量信號的防抖處理由鉗位二極管、限幅 穩(wěn)壓管、通用阻容器件實現，光電耦合器5選用通用光隔器件(如TLP521-X)。向后測控通道主要由信號預告與油機控制開出回路20、電機保護開出回路21、 無功補償開出回路22、平衡調整開出回路23組成。各個開出回路分別通過功率光電耦合 器16、17、18、19隔離后與主機及其接口環(huán)節(jié)A中的CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊8相連。結 構具體設計上，四個開出回路20 23均采用通用控制繼電器(如JQX-14)或固態(tài)繼電 器SSR(如S310ZK)，功率光電耦合器16 19需選用輸出驅動能力較大的光耦器件(如 TLP127)。實際工作中，該裝置通過信號調理單元2將由電參量檢測單元1送入的抽油機系 統(tǒng)工作時的三相電流、三相電壓、漏電流、電流電壓相位差信號和由壓力與流量變換單元3 傳入的油液流量、套管壓力、油管壓力等信號進行放大、限幅、濾波、隔離、變換，再送入含有 內置A/D轉換器的DSP系統(tǒng)模塊6進行采樣和處理對于實時采集的三路電壓、四路電流信 號利用交流電量采樣技術和三相瞬時無功理論計算其電壓有效值、電流有效值、不平衡電 壓值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、本次油液抽汲過程的累計做功總量等所需 參數；對于實時采集的油液流量、套管壓力、油管壓力進行相應標度變換和統(tǒng)計、打包處理； 利用記錄的歷次和本次抽油機及其驅動電機的實際工況參數，基于廣義預測控制理論在線 對抽油過程的最佳數學模型進行系統(tǒng)辨識、預測及滾動優(yōu)化，求解最優(yōu)的關井時間T。ff和開 井時間T。n參數。同時，DSP系統(tǒng)模塊6還將計算處理好的所有數據通過SPI總線傳送給單 片機系統(tǒng)模塊7。單片機系統(tǒng)模塊7根據傳來的時間值Τ。η和T。ff進行計時。當停機時間T。ff計時 結束后將預告控制命令和抽油機啟動控制命令經功率光電耦合器16隔離、驅動后送至預告信號與油機控制開出回路20，分別控制預告信號和抽油機啟動；當開機時間1 計時結束 后將抽油機停機控制命令同樣經功率光電耦合器16隔離、驅動后送至預告信號與油機控 制開出回路20控制抽油機停止。單片機系統(tǒng)模塊7根據傳來的電壓有效值、電流有效值、不平衡電壓值、有功功 率、無功功率、視在功率、功率因數等電參數，分別與預先設定在內存中的閾值做比較，按照 電機保護理論完成對電機的I段過電流保護、II段過電流保護、瞬時過電流保護、不平衡保 護、電壓過低保護、電壓過高保護、合相負荷保護、電壓錯序或缺相保護；分析這些獲得的實 時工況參數并與存儲在內存中的抽油機故障標準特征庫比對，完成對抽油機系統(tǒng)故障保護 和診斷(如抽油桿斷脫、卡泵等)。故障保護命令經功率光電耦合器17隔離、驅動后送至電 機保護開出回路21控制電機跳閘，達到保護電機和抽油機的目的。單片機系統(tǒng)模塊7根據傳來的電壓有效值、無功功率值、功率因數值經簡單組合 判斷后按無功功率或功率因數控制策略發(fā)出補償控制命令，送入CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模 塊8進行邏輯組合運算，再經功率光電耦合器18隔離、驅動，送至無功補償開出回路22控 制補償電容器的自動投切。單片機系統(tǒng)模塊7還根據傳來的有功功率、無功功率的大小和方向，經判斷分析 后，給出抽油機配重不平衡的調整控制命令，送入CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊8進行邏輯運 算，經功率光電耦合器19隔離、驅動，送至平衡調整開出回路23控制抽油機配重平衡調整 機構。為了保證安全，通過遙信與閉鎖回路單元4可接入安全圖像閉鎖接點信號或其他 遙信閉鎖開關量信號。當發(fā)現周圍有人員、牲畜或其他不允許開機情況存在時，遙信與閉鎖 回路單元4可將此類開機閉鎖信號進行防抖處理，經光電耦合器5隔離后直接傳入CPLD邏 輯與組合系統(tǒng)模塊8，閉鎖抽油機的啟動命令。在實際生產中，根據采油現場的具體情況可 具體設置閉鎖信號種類與數量，本實用新型留有8路閉鎖信號的輸入通道。本實用新型在自尋優(yōu)工作模式下的具體流程如下1)系統(tǒng)上電、自檢、初始化；2)打鈴預告；3)檢查系統(tǒng)是否有故障，有故障時轉入相應處理程序，給出故障診斷提示信息；4)抽油機合閘；5)不斷采集各項電參量和系統(tǒng)標準機械參量(套管壓力、油管壓力、油液流量)， 計算、分析、存儲數據，比較檢查系統(tǒng)是否有過流、過載、錯相、過壓、欠壓等故障，有故障時 轉入相應處理程序，給出提示信息；6)按上次預測計算和本次提取出的空抽特征模型判斷抽油機是否已在空抽狀態(tài)， 如果不在空抽狀態(tài)則繼續(xù)抽油，已在空抽狀態(tài)則停機；7)按上次預測計算和本次抽油過程中記錄的各項電參數計算本次停機時間，預 測、優(yōu)化下次抽油機開機運行時間τ。η和歇井時間T。ff，采集的標準機械參量(套管壓力、油 管壓力、油液流量)值亦可作為該時間的附加修正參考信息；8)歇井時間如果結束，重復2)步驟，如果時間未到繼續(xù)等待。其中，在步驟6)與7)中，抽油機首次工作時所需的啟停控制時間T。n、Toff的初值 有三種方法獲得人工經驗設定；利用該裝置出廠時的默認值；運用壓力恢復試井理論和井筒流動壓力分布理論離線計算后鍵盤輸入。初值不會影響最終尋優(yōu)結果，僅影響尋優(yōu)過 程的迭代次數。
權利要求一種油井間抽自尋優(yōu)控制、故障診斷及保護裝置，其特征在于包括基于雙核CPU技術的主機及其接口(A)、向前測控通道(B)和向后測控通道(C)三個環(huán)節(jié)，其中主機及其接口(A)由DSP系統(tǒng)模塊(6)、單片機系統(tǒng)模塊(7)、CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊(8)、鍵盤模塊(15)、液晶顯示模塊(14)、串行通信模塊(13)和Watchdog模塊(9)組成，DSP系統(tǒng)模塊(6)分別通過標準SPI總線和通用并行輸入輸出口與單片機系統(tǒng)模塊(7)和CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊(8)相連，單片機系統(tǒng)模塊(7)通過通用并行輸入輸出口和CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊(8)相連，鍵盤模塊(15)和液晶顯示模塊(14)分別經光電耦合器(12、11)隔離后與CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊(8)相連，串行通信模塊(13)經光電耦合器(10)隔離后同時與單片機系統(tǒng)模塊(7)和CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊(8)相連，Watchdog模塊(9)直接與DSP系統(tǒng)模塊(6)和單片機系統(tǒng)模塊(7)相連；向前測控通道(B)由電參量檢測單元(1)、壓力與流量變換單元(3)、信號調理單元(2)、遙信與閉鎖回路單元(4)組成，電參量檢測單元(1)和壓力與流量變換單元(3)的輸出端經信號調理單元(2)后與主機及其接口(A)中的DSP系統(tǒng)模塊(6)相連，遙信與閉鎖回路單元(4)的輸出端經光電耦合器(5)隔離后接至CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊(8)的輸入端；向后測控通道(C)由四個開出回路(20～23)組成，它們分別通過功率光電耦合器(16～19)隔離并驅動后與主機及其接口(A)中的CPLD邏輯與組合系統(tǒng)模塊(8)相連。
2.根據權利要求1所述的油井間抽自尋優(yōu)控制、故障診斷及保護裝置，其特征在于向 前測控通道(B)中的電參量檢測單元(1)包括七只并列設置的電參量傳感器，壓力與流量 變換單元(3)包括三路并列設置的由I/V轉換電路構成的變換器。
3.根據權利要求1所述的油井間抽自尋優(yōu)控制、故障診斷及保護裝置，其特征在于向 后測控通道(C)中的四個開出回路(20 23)分別為信號預告與油機控制開出回路(20)、 電機保護開出回路(21)、無功補償開出回路(22)和平衡調整開出回路(23)。
專利摘要本實用新型涉及一種油井間抽自尋優(yōu)控制、故障診斷及保護裝置，包括基于雙核CPU技術的主機及其接口、向前測控通道和向后測控通道三個環(huán)節(jié)，主機及其接口環(huán)節(jié)由DSP系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)、CPLD邏輯與組合系統(tǒng)、鍵盤、液晶顯示、串行通信和Watchdog等模塊組成，向前測控通道主要由電參量檢測、壓力與流量變換、信號調理和遙信與閉鎖回路等單元組成，向后測控通道由四個開出回路組成，向前和向后測控通道分別通過相應接口與主機及其接口相連。本實用新型通過實時采集抽油過程中的電力工況參數和油管、套管壓力等機械參數，在線動態(tài)辨識、預測及滾動優(yōu)化油液抽汲生產過程的理論數學模型，實現對抽油機的最優(yōu)啟?？刂啤⒕C合保護、故障診斷和無功補償。
文檔編號G05B19/418GK201628862SQ20102013922
公開日2010年11月10日 申請日期2010年3月23日 優(yōu)先權日2010年3月23日
發(fā)明者趙懷軍, 趙澤卿 申請人:趙懷軍;趙澤卿