潜油电泵排水采气PID控制技术的研究

赵军伟 王亚坤 石海亮

（1.大庆油田力神泵业有限公司作业分公司；2.大庆油田力神泵业有限公司销售公司）

潜油电泵排水采气PID控制技术的研究

赵军伟1王亚坤1石海亮2

（1.大庆油田力神泵业有限公司作业分公司；2.大庆油田力神泵业有限公司销售公司）

潜油电泵作为排水采气的一种常用的机采方法，将气井井筒中常有的凝析液或地层水的积液不断地排出至地面，将气层生产压差维持在一定水平。产气时的压差控制越稳，越有利于长时间采气，但生产过程中压差在不断变化，因此需要控制电潜泵的转速，进而控制电潜泵的排量，可以达到节能效果，研究利用井下压力计与变频器之间构成闭环控制，采用PID控制技术，自动寻找最佳稳态工作点，提高生产效率，减小潜油电泵的启、停次数，减小电能损耗，延长机采寿命，提高排采煤层气的稳定性。

潜油电泵；排水采气；PID控制

潜油电泵用于煤层气开采已经有一定的发展历史，其特点是见效快，但应用于排水采气的电潜泵排量一般较小，容易受气体影响[1]。因而易造成气锁或经常欠载停机，泵效降低，同样能耗增加，这样难以保证产气层所需的生产压差，造成产气不连续，浪费电能，同样电潜泵在反复的启、停过程中，寿命也会急剧减短。总体上看，生产效率降低，采气成本增加，因此可以利用变频器与井下压力计[2]，研究一种可以自动稳定井下液面高度的控制方法，以保证电潜泵连续运转，确保连续采气经济效益最大化。

1 系统控制方法

在工业应用中，PID控制技术是应用最广泛的算法之一，井下压力计作为反馈信号，经过滤波及PID算法，控制变频器频率，达到控制煤层气井动液面高度，最终目的保持井下产气生产压差。多数变频器有自带PID功能，只能设定简单的积分、微分、比例系数等，但在逻辑编程及信号滤波方案上有很大的局限性，不能按照特定的方法实现对被控目标的有效控制，因此采用单片机作为中间控制系统，方便更改控制逻辑及滤波方案，借助于变频器及井下压力计的通信端口[3]，采用通讯系统构成闭环控制，按照被控对象的变化特性，可以方便的加入特定的控制思想，实现对被控目标的准确控制，控制系统框架如图1所示。

该系统通过MODBUS协议读取压力计测量数据[4]，滤波后，进行PID运算，再通过MODBUS协议控制变频器运转频率，进而控制电潜泵的排量，达到稳定液面高度的目的，保持连续产气的生产压差，减小因抽空或气锁造成电泵停机，进而动液面升高，阻止煤层气排气。

2 PID算法研究

PID控制是一种二阶线性控制器，通过调比例，积分微分系数，使系统获得比较好的闭环特性，基本控制原理如图2所示。

PID基本算法分为两大类：位置式PID和增量式PID，通常采用哪种算法，取决于输出与执行机构的关系[5-6]。位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对偏差值进行累加，运算量大；而且控制器的输出对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，控制器输出的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量，采用增量式算法时，计算机输出的控制量对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，适合变频器对根据被控对象的变化，实现频率的累积调整，因此采用增量式PID算法。

图1 PID闭环控制系统

图2 PID基本控制原理

2.1 增量式PID控制算法与实际被控对象的结合

增量式PID算法，只控制误差增量，其输出是本次执行机构的增量，因此比较适合电潜泵变频器调频控制规律，即每次调节量要小，使电潜泵工作状态变化控制在一定范围内。

增量式PID控制简化表达式：

式中：ΔU(k)——控制器执行机构变化增量；

e(k)——设定值与被控目标间偏差值；

e(k-1)——相对于 e(k)前一次设定值与被控目标间偏差值；

e(k -2)——相对于e(k -1)前一次设定值与被控目标间偏差值；

K1——e(k)的调节深度系数；

K2——e(k-1)的调节深度系数；

K3——e(k-2)的调节深度系数。

从式（1）中看出，只要求出前后三次误差值，即可求出本次输出调节值。在PID控制介入时，通过调节比例、积分、微分系数关系式计算出频率的调节量，比例控制其控制器的输出与偏差输入成比例关系，一旦偏差产生，控制器立即控制输出频率，使被控目标偏差减小，而积分控制可以消除稳态误差，即使很小的误差通过积分作用，也可消除，而微分控制可以提前使控制误差的作用等于零，从而避免被控目标发生严重的超调。

因被控对象为压力值，反应的是液面的高度，在变频器执行动作命令后，液面变化有很明显的迟滞性，单次采样数据具有一定的波动性，也可能具有某种偶然的扰动，因此全程单纯地采用PID控制，会频繁的控制变频器输出频率，不利于稳定的工作状态，因此可以结合模糊控制，在偏差量较大时采用人工设定条件的模糊控制，在接近被控目标值时改为PID控制。

2.2 采样滤波与量化

2.2.1 滤波方法

为消除采样值的误差，可以在n（n为整数）倍的采样周期时刻附近，连续采样 N（N为奇数）次被控目标值，采用冒泡法排序，去掉最小和最大值，剩余N-2个采样值求平均值，如下式：

式中：c(t)——当前时刻采样滤波后测量压力值；

N——连续采样个数；

c(k)——采样值；

c(k)max——采样值中最大值；

c(k)min——采样值中最小值。

井下压力偏差值是给定值与实际采样值之差，如下式：

式中：e(t)——井下压力偏差值；

r(t)——给定目标值。

2.2.2 量化标准

将电潜泵的泵挂深度H对应液柱产生的压力量化为100%，控制目标压力为h%，设置变频器频率上、下限（ fmax、fmin），设置频率变化步长Δf，当前频率 fx，预控制区起始点压力为 h1%，Δh为死区控制范围。

2.3 结合煤层气生产特点的控制逻辑

煤层气排采过程中要求井下动液面越低越好，这样利于气体排出，因井下液体不断补充到套管中，因此需要潜油电泵持续排出液体，将井下动液面维持在一定的高度，便于气体排出，但电泵的排采量大于地层补液能力，持续定速运转会抽空或气锁而欠载停机，这样井下液面会重新升高，阻止气体排出，这样利用井下压力传感器，反馈液面高度信息，控制变频器频率，进而控制电泵排量，达到稳定动液面高度为预设值，要求动液面高度尽量低，但又不能抽空，便于持续排采煤层气。

在动液面高于设定液面高度时，以特定频率增量，以特定周期增加变频器频率，快速达到电泵最大排量，使动液面快速下降，使气体尽快排出，待接近控预设液面高度时，进行精细控制，因此整个控制过程如下：

1） 当 e(k) ＜0，且 c(k)≥h1%时→模糊控制（以特定步长Δf，且定时长T，逐渐增加频率至fx， fx≤ fmax），此时动液面实际值高于预控液面高度h1%，提频率增排量，快速降低动液面，使气体尽快排出。

2）当e(k)＜0， c(k)≥h%与Δe(k)＞0三者同时成立时→进入预控区后，实际液面高度未达到预设值，同时液面继续下降的情况下，频率由 fx预减速至 f，且 f≥fmin， fmin对应预控目标 h%，量化后按PID控制规律进行预减速控制，因涉及到系统稳定性，不可频繁控制，设定好控制周期，在接近目标控制值时可加入死区控制，增强稳定性。

3）当 e(k)＜0， h%≤c(k)＜h1%，且 Δe(k)小于0→在预控区内，该频率运行时，液面回升的情况下，为尽量减小控制的频率，可不控制，待液面高度回升跑出预控区后，按控制区外模糊控制方法进行控制直至再次回到预控区。

4）当e(k)＞| Δh|＞0时，其中Δh为控制点h%处死区，当频率下降至最小值后，相应电泵排量为最小值时，液面高度下降至设定点后，仍继续下降，此时按井下传感器压力报警或停机信号处理。

5）进入预控区后， e(k)=Δd，Δd接近零，为误差充许值，变频器频率可不做调整，尽量减小变频调整次数，延长机组运转寿命，但预控点h1%与h%区间要设置合理。

3 现场应用节能降耗效果

首先，采用此PID控制方法保持动液面高度，有效避免了潜油电泵因气锁，泵效急剧降低，造成类似空转而产生的能耗，在山西煤气井XZ-6气井应用中，22 kW电泵机组经监测，1 h因气锁浪费电能约为16 kW；采用PID闭环控制后，22 kW电泵机组通过测量，在日产气约500 m3标定下，采用PID控制技术后，可节省电能约112 kW，节能效果显著。

其次，排水采气重要特点是投产初期需要排量大，使气层压力减小，气体尽快排出，后期需要减小排水量，稳定煤层生产压力，开环运行时，电泵运行频率不能自动调节，以适应各段不同生产的需要，在液面下降较快需要降低产量时，应急时降低机组运行频率，达到降低能耗的目的。

4 总结

PID控制是一种优秀的常用工业控制算法，结合模糊控制，按照电潜泵气井液面变化规律，进行分段控制，可将液面保持在一定范围内，延长潜油电泵工作寿命，最大限度保证气井开采时间，提高电潜泵井对煤层气的排采的效率，同时可节省大量的电能。

[1]李国富，田永东.煤层气井排水采气机理[J].中国煤炭，2002，28（07）：1-3.

[2]梅思杰，邵永实，刘军，等.潜油电泵技术（上）[M].北京：石油工业出版社，2004：62-64.

[3]蒙丽娜.电泵井下测试系统研究[D].西安：西安石油大学，2010.

[4]肖硕，荆刚，李莉娜，等.单片机数据通信典型应用大全[M].北京：中国铁道出版社，2011：294-306.

[5]白志刚.自动调节系统解析与PID整定[M].北京：化学工业出版社，2012：29-39.

[6]陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，2002：33-45.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.03.001

2016-11-25

（编辑 贾洪来）

赵军伟，工程师，2007年毕业于大庆石油学院（电气工程及其自动化专业），从事潜油电泵运行管理、新技术应用开发工作，E-mail：junwei190920@126.com，地址：黑龙江省大庆市萨尔图区中兴北街58号大庆油田力神泵业有限公司，163311。