基于直驅電液技術的有桿抽油系統(tǒng)運動控制與節(jié)能控制研究.pdf

1、有桿抽油系統(tǒng)在油田采油中占主導地位，是油田能耗的主要組成部分，其運行效率一直備受關注。采用傳統(tǒng)游梁式抽油機是有桿抽油系統(tǒng)效率低下的重要原因。受限于游梁抽油機曲柄搖桿的非線性傳動方式，盡管出現(xiàn)了各種改進型游梁抽油機，其驅動功率不平衡、電機負載率低、效率低下、工作參數調整困難、體積大質量重等一系列缺點一直存在，并限制了其通過長沖程低沖次運行提高有桿抽油系統(tǒng)效率的能力。因此一系列無游梁式抽油機得到了研發(fā)與應用。本文針對提高有桿抽油系統(tǒng)運行效率

2、的目標，嘗試將直驅電液技術應用其中，研發(fā)了線性平衡驅動的液壓抽油機，研究了直驅電液系統(tǒng)的懸點提升位移跟蹤控制，并基于井下系統(tǒng)工作動態(tài)提出了有桿抽油系統(tǒng)節(jié)能運行控制策略，實現(xiàn)了原油開采的節(jié)能增效。這些研究為有桿抽油系統(tǒng)效率提升與直驅電液系統(tǒng)應用研究提供了支撐，具有重要的實際應用與學術研究價值。
　　本文根據采油懸點載荷的特點，從驅動速度平衡與驅動力平衡角度分析了減小抽油機裝機功率、提高電機負荷率進而提高抽油機效率的方法，并由此設計了

3、平衡效果好的直驅電液抽油機。為實現(xiàn)僅可獲帶噪聲位移量測信號且受未知干擾的直驅電液抽油機懸點提升跟蹤控制，本文研究了量測噪聲環(huán)境下的系統(tǒng)狀態(tài)觀測與未知干擾估計方法，進而設計了帶干擾補償的自適應切換增益滑?？刂破?。在連續(xù)時間滑?？刂破鞯幕A上，考慮工業(yè)控制器的采樣控制特性，設計了位移跟蹤離散時間滑?？刂破?。
　　在研究高效直驅電液抽油機與懸點提升控制的基礎上，進一步研究了有桿抽油系統(tǒng)的節(jié)能運行控制。建立了包括抽油桿柱和抽油泵在內的井下

4、系統(tǒng)動態(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方程粘性阻尼系數。利用井下系統(tǒng)模型仿真比較了油井含氣量與懸點運動對抽油泵工況與懸點載荷的影響。進一步考慮油層供油動態(tài)，仿真分析了不同采油沖次下油井產油量與系統(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，并設計了由懸點功圖求解井下泵充滿度的方法。
　　論文的主要結構如下:
　　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、國內外采油效率研究現(xiàn)狀以及液壓抽油機的研發(fā)現(xiàn)狀，并介紹了直驅電液技術的相關研究進展，最后提出了課題的主要研究內容。
　　第二章，介紹了直驅電液抽油機的設計、仿真分析與樣機功能性試驗。給出了本課題液壓抽油機的載荷與沖程沖次等主要性能指標。設計了懸點提升曲線及液壓驅動與功率平衡方案，并對帶氣體蓄能的直驅電液系統(tǒng)方案進行了具體設計與器件選型。仿真驗證了所設計液壓抽油機的性能，并

6、對樣機進行了輕載掛重的連續(xù)運行試驗與傳動效率分析。
　　第三章，針對直驅電液抽油機僅位移可測且?guī)щS機噪聲，存在系統(tǒng)參數不確定性及未知負載力擾動下的懸點提升位移跟蹤問題，設計了連續(xù)時間滑?？刂破?。結合電機矢量控制與液壓動態(tài)建立了直驅電液系統(tǒng)的動態(tài)模型。比較了基于滑模觀測器、跟蹤微分器與Kalman擴張觀測器的狀態(tài)觀測與干擾估計效果。設計了基于理想切換增益的切換增益自適應律。仿真與實驗比較了控制算法的性能。
　　第四章，研究了直

7、驅電液抽油機懸點提升采樣控制時的離散滑?？刂破?。討論了離散滑模趨近律問題，分析了準滑模帶寬與干擾補償誤差的關系，研究了給定降維系統(tǒng)性能下的滑模面設計方法。分析了前步干擾補償可能導致的系統(tǒng)不穩(wěn)定，并提出在滑?？刂破鬏敵雠c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的井下系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，給出了其數值求解方法，并利用仿真模型比較了油層含氣量和不同懸點運

8、動曲線對采油作業(yè)的影響。討論了抽油桿柱動態(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。
　　第六章，研究了供采匹配問題，提出了有桿抽油系統(tǒng)節(jié)能控制策略。聯(lián)合油井流入動態(tài)與井下系統(tǒng)模型仿真了不同沖次時的供采平衡狀態(tài)。分析了沖次提高對油井產油量與井下系統(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。對優(yōu)化控制策略中的抽油泵充滿度判斷問題，研究了基于泵端位移-載荷曲線一階、二階導數的判斷方