基于直驅(qū)電液技術(shù)的有桿抽油系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制與節(jié)能控制研究.pdf

1、有桿抽油系統(tǒng)在油田采油中占主導(dǎo)地位，是油田能耗的主要組成部分，其運(yùn)行效率一直備受關(guān)注。采用傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)是有桿抽油系統(tǒng)效率低下的重要原因。受限于游梁抽油機(jī)曲柄搖桿的非線性傳動(dòng)方式，盡管出現(xiàn)了各種改進(jìn)型游梁抽油機(jī)，其驅(qū)動(dòng)功率不平衡、電機(jī)負(fù)載率低、效率低下、工作參數(shù)調(diào)整困難、體積大質(zhì)量重等一系列缺點(diǎn)一直存在，并限制了其通過(guò)長(zhǎng)沖程低沖次運(yùn)行提高有桿抽油系統(tǒng)效率的能力。因此一系列無(wú)游梁式抽油機(jī)得到了研發(fā)與應(yīng)用。本文針對(duì)提高有桿抽油系統(tǒng)運(yùn)行效率

2、的目標(biāo)，嘗試將直驅(qū)電液技術(shù)應(yīng)用其中，研發(fā)了線性平衡驅(qū)動(dòng)的液壓抽油機(jī)，研究了直驅(qū)電液系統(tǒng)的懸點(diǎn)提升位移跟蹤控制，并基于井下系統(tǒng)工作動(dòng)態(tài)提出了有桿抽油系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行控制策略，實(shí)現(xiàn)了原油開(kāi)采的節(jié)能增效。這些研究為有桿抽油系統(tǒng)效率提升與直驅(qū)電液系統(tǒng)應(yīng)用研究提供了支撐，具有重要的實(shí)際應(yīng)用與學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。
　　本文根據(jù)采油懸點(diǎn)載荷的特點(diǎn)，從驅(qū)動(dòng)速度平衡與驅(qū)動(dòng)力平衡角度分析了減小抽油機(jī)裝機(jī)功率、提高電機(jī)負(fù)荷率進(jìn)而提高抽油機(jī)效率的方法，并由此設(shè)計(jì)了

3、平衡效果好的直驅(qū)電液抽油機(jī)。為實(shí)現(xiàn)僅可獲帶噪聲位移量測(cè)信號(hào)且受未知干擾的直驅(qū)電液抽油機(jī)懸點(diǎn)提升跟蹤控制，本文研究了量測(cè)噪聲環(huán)境下的系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)與未知干擾估計(jì)方法，進(jìn)而設(shè)計(jì)了帶干擾補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)切換增益滑?？刂破?。在連續(xù)時(shí)間滑?？刂破鞯幕A(chǔ)上，考慮工業(yè)控制器的采樣控制特性，設(shè)計(jì)了位移跟蹤離散時(shí)間滑?？刂破?。
　　在研究高效直驅(qū)電液抽油機(jī)與懸點(diǎn)提升控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了有桿抽油系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行控制。建立了包括抽油桿柱和抽油泵在內(nèi)的井下

4、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，分析比較了不同浮力處理方法在抽油桿柱動(dòng)態(tài)模型中的效果，求解了基于等摩擦功原理的抽油桿柱波動(dòng)方程粘性阻尼系數(shù)。利用井下系統(tǒng)模型仿真比較了油井含氣量與懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)抽油泵工況與懸點(diǎn)載荷的影響。進(jìn)一步考慮油層供油動(dòng)態(tài)，仿真分析了不同采油沖次下油井產(chǎn)油量與系統(tǒng)能耗效率的變化。最終提出了基于抽油泵充滿度控制的采油節(jié)能控制策略，并設(shè)計(jì)了由懸點(diǎn)功圖求解井下泵充滿度的方法。
　　論文的主要結(jié)構(gòu)如下:
　　第一章，論述了有桿抽油

5、系統(tǒng)節(jié)能增效的研究背景及意義，概述了有桿采油系統(tǒng)的工作原理、國(guó)內(nèi)外采油效率研究現(xiàn)狀以及液壓抽油機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀，并介紹了直驅(qū)電液技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)展，最后提出了課題的主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章，介紹了直驅(qū)電液抽油機(jī)的設(shè)計(jì)、仿真分析與樣機(jī)功能性試驗(yàn)。給出了本課題液壓抽油機(jī)的載荷與沖程沖次等主要性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)了懸點(diǎn)提升曲線及液壓驅(qū)動(dòng)與功率平衡方案，并對(duì)帶氣體蓄能的直驅(qū)電液系統(tǒng)方案進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)與器件選型。仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)液壓抽油機(jī)的性能，并

6、對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了輕載掛重的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)與傳動(dòng)效率分析。
　　第三章，針對(duì)直驅(qū)電液抽油機(jī)僅位移可測(cè)且?guī)щS機(jī)噪聲，存在系統(tǒng)參數(shù)不確定性及未知負(fù)載力擾動(dòng)下的懸點(diǎn)提升位移跟蹤問(wèn)題，設(shè)計(jì)了連續(xù)時(shí)間滑?？刂破?。結(jié)合電機(jī)矢量控制與液壓動(dòng)態(tài)建立了直驅(qū)電液系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。比較了基于滑模觀測(cè)器、跟蹤微分器與Kalman擴(kuò)張觀測(cè)器的狀態(tài)觀測(cè)與干擾估計(jì)效果。設(shè)計(jì)了基于理想切換增益的切換增益自適應(yīng)律。仿真與實(shí)驗(yàn)比較了控制算法的性能。
　　第四章，研究了直

7、驅(qū)電液抽油機(jī)懸點(diǎn)提升采樣控制時(shí)的離散滑?？刂破鳌Ｓ懻摿穗x散滑模趨近律問(wèn)題，分析了準(zhǔn)滑模帶寬與干擾補(bǔ)償誤差的關(guān)系，研究了給定降維系統(tǒng)性能下的滑模面設(shè)計(jì)方法。分析了前步干擾補(bǔ)償可能導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定，并提出在滑模控制器輸出與系統(tǒng)輸入間引入一階輸入濾波器，分析了引入輸入濾波器后系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷方法。
　　第五章，建立了包括三維定向井抽油桿柱與抽油泵在內(nèi)的井下系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，給出了其數(shù)值求解方法，并利用仿真模型比較了油層含氣量和不同懸點(diǎn)運(yùn)

8、動(dòng)曲線對(duì)采油作業(yè)的影響。討論了抽油桿柱動(dòng)態(tài)模型中不同浮力處理方法的影響與效果，以及基于等摩擦功求解了的其等效粘性阻尼系數(shù)。
　　第六章，研究了供采匹配問(wèn)題，提出了有桿抽油系統(tǒng)節(jié)能控制策略。聯(lián)合油井流入動(dòng)態(tài)與井下系統(tǒng)模型仿真了不同沖次時(shí)的供采平衡狀態(tài)。分析了沖次提高對(duì)油井產(chǎn)油量與井下系統(tǒng)效率的影響。提出了維持一定泵充滿度的采油效率優(yōu)化控制策略。對(duì)優(yōu)化控制策略中的抽油泵充滿度判斷問(wèn)題，研究了基于泵端位移-載荷曲線一階、二階導(dǎo)數(shù)的判斷方