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1套管氣壓力智能控制系統分析

1.1結構套管氣壓力智能控制系統結構如圖1所示，主要由高精度的壓力傳感器、調節閥、密封腔、32位ARM微控制器、電路板和氣源等組成。其中調節閥又叫控制閥，是調節控制系統中必不可少的調節流量裝置，調節閥由執行機構和閥組成［4］，執行機構起推動作用，而閥起調節流量作用，調節閥是過程控制的終端元件。套管氣壓力受井底流壓的影響，在一定時期內，井底流壓無變化，對套管氣壓力影響有限。而閉井生產時，隨著套管氣壓升高，氣柱段加深，動液面隨之升高，當動液面達到管鞋泵吸入口處時，氣體進泵，從而使得泵效降低，產生“氣鎖”現象［5］。因此需要通過軟件系統計算出合理的套壓值即是該口油井實際套壓需要達到的設定值pc。

1.2工作原理上位機軟件系統根據該油井的生產參數數據，計算出目前油井合理的套管氣壓力值，套管氣壓力控制系統通過無線數據模塊接收到上位機的合理套壓數據，傳遞給控制器。同時壓力傳感器實時監測井口實際套管壓力值，經過A/D轉換后傳入微控制器，控制器內軟件算法采用改進PID控制得到最佳控制輸出驅動執行機構，調節閥門開度，使油井的實際套管氣壓力穩定在設定套壓值，從而保證油井穩定高效生產。

2理論推導系統數學模型

2.1系統結構模型套管氣壓力控制系統結構框圖如圖2所示。在推導套管氣壓力控制系統模型時，做如下假設:①氣體流動是一維;②在壓力調節時，氣體在管道中的溫度變化較小。在控制過程基本穩定的情況下，將該結構看作典型的閉環負反饋控制系統，套管氣壓力控制系統的調節對象為油井套管處的壓力pc''''以及變化速率。對于調節閥前、后的壓力及流量關系，根據物料平衡原理有。系統的執行機構為電子一體化結構，主要有電樞控制電機、伺服放大器、輸入控制信號以及電源等，簡化其近似模型，得到控制電壓u(t)與電機轉速w(t)之間具有如下微分方程關系。 套管氣壓力控制系統采用線性調節閥，而調節閥的流量特性是壓力控制系統的重要指標。為使系統在整個調節范圍內保持穩定，要求控制回路流量與調節閥的輸出成對應關系。當閥門打開時，閥前、后氣體流動。在調節閥門開度時，不僅改變了閥的節流面積，同時使得閥門前、后壓差也會發生變化，而壓差的變化又將引起流量的改變，因此需要考察閥門的工作流量特性。調節閥工作流量特性指氣體介質流過閥門的相對流量與相對位移，即閥門的相對開度之間的關系。

2.2改進PID控制的實現系統的改進PID控制算法通過軟件實現，由于傳統PID控制算法參數不易整定，難以實現對被控對象的滿意控制［7］，加上油井環境復雜，在井底流壓發生突變的情況下，套壓波動較大，對于系統套管氣壓力控制有一定難度，所以需采用一種具有自適應、自學習功能的改進型PID控制算法，使其能迅速克服外界擾動，智能化調節控制套管壓力。式中，權系數Wi可以通過神經元的關聯搜索進行調整，實現自適應、自學習的功能，而Wi需要相應的自學習算法，這里選擇Hebb學習規則［7］，具體規則內容見相關文獻。用系統上位機軟件系統計算出控制的該口油井合理套壓值pc，傳遞給控制系統作為給定壓力信號，壓力傳感器采集到井口實際套壓值pc''''，并與設定值進行比較，所算出的值Xi作為神經元PID的輸入信號，神經元輸出信號U作為執行器的給定信號，執行器通過調節閥門開度的大小，達到調節套管氣壓力的目的。

3仿真驗證與特性分析

通過上述推導，對于套管氣控制系統而言，輸入為改進PID控制器輸入偏差e，輸出為套管氣壓力的變化pc''''，G1為改進型PID傳遞函數。系統開環傳遞函數為G(s)=G1(s)G2(s)，壓力傳感器傳遞函數近似為比例環節H=K;整理得到套管氣壓力控制系統的閉環傳遞函數。

3.1系統單位階躍響應在對套管氣壓力控制系統理想化假設的前提下，通過以上對系統執行機構結構和調節閥工作特性的物理分析，同時利用改進型PID控制器，推導出控制系統數學模型。筆者根據課題所選擇的調節閥特性參數。對于上述數學模型，通過Matlab的仿真工具對系統階躍響應進行仿真，得到系統動態響應過程與試驗擬合曲線的對比圖，如圖3所示。由圖可知，系統階躍響應過程中，上升時間0.5s，調節時間3.2s，時間較短，系統響應較快，最大超調量30%，穩態誤差較小，但是系統有輕微振蕩。需要指出的是，對于套管氣壓力控制系統，其控制的穩定性、快速性以及準確性之間總是相互制約［9］，需要對其做出取舍，油井內套管氣壓力受影響的復雜程度，井底地質條件以及井底流壓的輕微改變，都有可能對套管氣體壓力造成較大影響。從圖3的階躍響應過程可以看出，系統快速性好，但是系統有輕微振蕩，這是以犧牲系統一定穩定性為前提，因此能夠讓系統快速地控制套管壓力使其較為穩定地趨近給定的合理套壓，即能保持油井的安全穩定生產，從而提高油井的生產率和產量。

3.2特性分析通過對系統調節閥工作理論特性進行定量描述可知，在閥門開度一定時，套管氣流量會隨著進、出口壓差的增大而增大;而在調節閥壓降一定時，閥門開度越大，流通面積越大，這時氣體流量也越大;在氣體流量一定時，調節閥門的開度越大，閥前、后壓差會變小，這是因為閥門開度變大，流通面積也增大，而流量一定，則流速會變小，因而轉化為速度能量的壓力損失也會變小［7］。根據傳遞函數階躍響應仿真曲線分析，套管氣壓力控制系統作為典型二階系統，該系統數學模型能較為理想地反映出控制信號輸入后控制系統對套管氣壓力控制的動態過程，說明該系統模型的建立基本符合實際控制過程，而改進的PID控制器不僅具有傳統的PID控制特點，同時增強了自適應和自學習的能力，保證了該控制系統的健壯性，能為油井套管氣壓力穩定控制提供重要的理論支撐。

4結論

(1)套管氣壓力智能控制系統從技術層面上克服了傳統人工控制的主觀性和滯后性等缺點，能夠對油井套管氣壓力實現智能化和自動化調節控制，優化油井生產過程，減輕工人勞動強度。(2)分析影響套壓控制因素，對系統各部分結構特性以及工作原理做分析，利用過程機理法推導出系統數學模型為二階傳遞函數形式，能有效表征控制系統，同時對系統進行階躍響應仿真，可為套管氣壓力智能控制提供重要理論依據。(3)試驗驗證系統能對套管氣壓力進行快速、穩定地控制，最終確定試驗井的壓力控制在1MPa下能夠達到提高油井產量的目的。該系統的使用將大大提升油田經濟效益，節約生產成本，在石油行業具有較為廣闊的推廣前景。

作者：羅仁澤張平仝迪陸存單位：西南石油大學電氣信息學院