套管气压力智能控制论文范文

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1套管气压力智能控制系统分析

1.1结构套管气压力智能控制系统结构如图1所示，主要由高精度的压力传感器、调节阀、密封腔、32位ARM微控制器、电路板和气源等组成。其中调节阀又叫控制阀，是调节控制系统中必不可少的调节流量装置，调节阀由执行机构和阀组成［4］，执行机构起推动作用，而阀起调节流量作用，调节阀是过程控制的终端元件。套管气压力受井底流压的影响，在一定时期内，井底流压无变化，对套管气压力影响有限。而闭井生产时，随着套管气压升高，气柱段加深，动液面随之升高，当动液面达到管鞋泵吸入口处时，气体进泵，从而使得泵效降低，产生“气锁”现象［5］。因此需要通过软件系统计算出合理的套压值即是该口油井实际套压需要达到的设定值pc。

1.2工作原理上位机软件系统根据该油井的生产参数数据，计算出目前油井合理的套管气压力值，套管气压力控制系统通过无线数据模块接收到上位机的合理套压数据，传递给控制器。同时压力传感器实时监测井口实际套管压力值，经过A/D转换后传入微控制器，控制器内软件算法采用改进PID控制得到最佳控制输出驱动执行机构，调节阀门开度，使油井的实际套管气压力稳定在设定套压值，从而保证油井稳定高效生产。

2理论推导系统数学模型

2.1系统结构模型套管气压力控制系统结构框图如图2所示。在推导套管气压力控制系统模型时，做如下假设:①气体流动是一维;②在压力调节时，气体在管道中的温度变化较小。在控制过程基本稳定的情况下，将该结构看作典型的闭环负反馈控制系统，套管气压力控制系统的调节对象为油井套管处的压力pc''''以及变化速率。对于调节阀前、后的压力及流量关系，根据物料平衡原理有。系统的执行机构为电子一体化结构，主要有电枢控制电机、伺服放大器、输入控制信号以及电源等，简化其近似模型，得到控制电压u(t)与电机转速w(t)之间具有如下微分方程关系。 套管气压力控制系统采用线性调节阀，而调节阀的流量特性是压力控制系统的重要指标。为使系统在整个调节范围内保持稳定，要求控制回路流量与调节阀的输出成对应关系。当阀门打开时，阀前、后气体流动。在调节阀门开度时，不仅改变了阀的节流面积，同时使得阀门前、后压差也会发生变化，而压差的变化又将引起流量的改变，因此需要考察阀门的工作流量特性。调节阀工作流量特性指气体介质流过阀门的相对流量与相对位移，即阀门的相对开度之间的关系。

2.2改进PID控制的实现系统的改进PID控制算法通过软件实现，由于传统PID控制算法参数不易整定，难以实现对被控对象的满意控制［7］，加上油井环境复杂，在井底流压发生突变的情况下，套压波动较大，对于系统套管气压力控制有一定难度，所以需采用一种具有自适应、自学习功能的改进型PID控制算法，使其能迅速克服外界扰动，智能化调节控制套管压力。式中，权系数Wi可以通过神经元的关联搜索进行调整，实现自适应、自学习的功能，而Wi需要相应的自学习算法，这里选择Hebb学习规则［7］，具体规则内容见相关文献。用系统上位机软件系统计算出控制的该口油井合理套压值pc，传递给控制系统作为给定压力信号，压力传感器采集到井口实际套压值pc''''，并与设定值进行比较，所算出的值Xi作为神经元PID的输入信号，神经元输出信号U作为执行器的给定信号，执行器通过调节阀门开度的大小，达到调节套管气压力的目的。

3仿真验证与特性分析

通过上述推导，对于套管气控制系统而言，输入为改进PID控制器输入偏差e，输出为套管气压力的变化pc''''，G1为改进型PID传递函数。系统开环传递函数为G(s)=G1(s)G2(s)，压力传感器传递函数近似为比例环节H=K;整理得到套管气压力控制系统的闭环传递函数。

3.1系统单位阶跃响应在对套管气压力控制系统理想化假设的前提下，通过以上对系统执行机构结构和调节阀工作特性的物理分析，同时利用改进型PID控制器，推导出控制系统数学模型。笔者根据课题所选择的调节阀特性参数。对于上述数学模型，通过Matlab的仿真工具对系统阶跃响应进行仿真，得到系统动态响应过程与试验拟合曲线的对比图，如图3所示。由图可知，系统阶跃响应过程中，上升时间0.5s，调节时间3.2s，时间较短，系统响应较快，最大超调量30%，稳态误差较小，但是系统有轻微振荡。需要指出的是，对于套管气压力控制系统，其控制的稳定性、快速性以及准确性之间总是相互制约［9］，需要对其做出取舍，油井内套管气压力受影响的复杂程度，井底地质条件以及井底流压的轻微改变，都有可能对套管气体压力造成较大影响。从图3的阶跃响应过程可以看出，系统快速性好，但是系统有轻微振荡，这是以牺牲系统一定稳定性为前提，因此能够让系统快速地控制套管压力使其较为稳定地趋近给定的合理套压，即能保持油井的安全稳定生产，从而提高油井的生产率和产量。

3.2特性分析通过对系统调节阀工作理论特性进行定量描述可知，在阀门开度一定时，套管气流量会随着进、出口压差的增大而增大;而在调节阀压降一定时，阀门开度越大，流通面积越大，这时气体流量也越大;在气体流量一定时，调节阀门的开度越大，阀前、后压差会变小，这是因为阀门开度变大，流通面积也增大，而流量一定，则流速会变小，因而转化为速度能量的压力损失也会变小［7］。根据传递函数阶跃响应仿真曲线分析，套管气压力控制系统作为典型二阶系统，该系统数学模型能较为理想地反映出控制信号输入后控制系统对套管气压力控制的动态过程，说明该系统模型的建立基本符合实际控制过程，而改进的PID控制器不仅具有传统的PID控制特点，同时增强了自适应和自学习的能力，保证了该控制系统的健壮性，能为油井套管气压力稳定控制提供重要的理论支撑。

4结论

(1)套管气压力智能控制系统从技术层面上克服了传统人工控制的主观性和滞后性等缺点，能够对油井套管气压力实现智能化和自动化调节控制，优化油井生产过程，减轻工人劳动强度。(2)分析影响套压控制因素，对系统各部分结构特性以及工作原理做分析，利用过程机理法推导出系统数学模型为二阶传递函数形式，能有效表征控制系统，同时对系统进行阶跃响应仿真，可为套管气压力智能控制提供重要理论依据。(3)试验验证系统能对套管气压力进行快速、稳定地控制，最终确定试验井的压力控制在1MPa下能够达到提高油井产量的目的。该系统的使用将大大提升油田经济效益，节约生产成本，在石油行业具有较为广阔的推广前景。

作者：罗仁泽张平仝迪陆存单位：西南石油大学电气信息学院