将研制出的低成本高可靠性的“井况”测量传感器放置井下,节能增效井口测控装置放置地面；特别是系统介入了变频、馈电节能措施后，能很好地实现产能和电能的合理配置。

系统采用嵌入式软件结构，自适应的软件测控原理、数据采集同步、网络远传通讯等实用技术，通过对井下高温度、高压力下工作的电潜泵机组的环境参数和自身的电参量的在线采集、处理、分析和判断，实现自适应测量和控制，同时也能实现各种故障下的全线速动，快速切除各种故障模块或单个电机，并能在瞬时性故障切除后自动恢复工作，保证非故障机组长期安全、稳定、经济地运行。

本系统采用了反映波形畸变程度的短数据窗波形识别算法、正交滤波算法、小矢量提取等算法。因泵况、工况或井况发生异常或故障的瞬间，其物理特性对应的电流、电压信号包含衰减的直流分量和谐波分量等暂态分量的变化，其波形发生畸变，严重影响快速测控的性能。由于快速测控采用基于短数据窗的算法，为克服波形畸变对测控性能的影响，本项目采用反映波形畸变程度的短数据窗波形识别算法，计算出波形畸变程度，据此修正测控或保护的判据，从而提高其保护性能。

本系统建立一套强大的综合性的利用地质资料和测试资料反映油藏开发状况的分析处理与远程信息分析发布软件系统。本系统使得有关的地质人员（油藏工程师）能在桌面上高效率地直接使用各种测试资料和地质资料，并通过这些资料可靠地定量和/或定性地判断储层动态使用状况和注水受效评价，直观地反映井间连通状况、注采平衡和措施效果等信息。

  本项目由井下多传感器，井口测控部分和同轴信号传输电缆构成。井口测控装置的核心部件采用TMS320F2812数字信号处理器。利用其先进的内部和外设结构使得该处理器特别适合各电器参量的测量、电机及其运动状态的控制。井下多传感器实现了单片控制器系统（SOC）与AD采集模块的组合；软件采用自适应测控技术，将测量装置的多传感器（主要完成流量、压力、温度、含水、密度等信号的采集、处理和编码）系统和井口测控装置合二为一，融合测控电力调频。各流水线参量变换时间最小60 ns，单位变换200 ns；井口装置使用改进的eCAN 2.0B接口模块可以完成系统到远程的通讯。

在用电设备最近点进行无功功率补偿和谐波滤除，有效降低上级电网的补偿压力，同时进一步降低传输损耗。该方法通过提高功率因数、改善电压质量、降低线路输送电流、降低线路损耗电量、消除电网谐波，从而实现节能降耗。

根据电机转速公式：n=60 f(1-s)/p 可知，电机转速n与频率f 成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f 在0-50 Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽，变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。主要是采用变频调速控制后，控制系统可根据系统“泵况”负荷变化及时改变输入电机的电流和电压，降低电机输入功率，调整电机的转速，使电机处于经济负荷下运行，达到节电目的。

采用以实验模态分析技术作为结构动力学反问题研究的方法来控制开采，由此提出了只在响应可测的条件下对结构动力学参数辨识的测控问题，以实际工作状况实测响应参数来真实地辨识反映采/注井结构本身的固有特征、边界条件及环境载荷特性，与主动控制、系统监测和设备保护诊断等调频节能工程应用直接相关，建立模型。其节能增效意义更加广泛，动力结构更加复杂，如还包括单井吞吐、近井地带处理以及水平井开采技术应用等。

自适应控制与常规反馈控制及最优控制一样,也是一种基于物理和数学模型约束的控制方法，所不同的是自适应控制所依据的关于模型和扰动的经验参量比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善。

本项目产品依据精准控制的技术基础，采用自适应“井况”和“泵况”的动态优化控制技术来适应“工况”系统的实时瞬变特性。具体地说，装置可以依据井口装置获得的“泵况”和“井况”的传感输入和执行器输出数据，不断地辨识“工况”模型的参数。随着采注过程的不断进行，装置不停地在线辨识，结果“工况”模型会变得越来越准确，越来越接近于实际获得的专家指令。该控制技术根据单口井或层的历史产能（单位消耗的出油率或注水量）参数构建出最大熵约上束条件下的动态优化控制结构和快速自适应优化算法，实时改变“工况”效能、特性或定值，使得采注系统处于最佳运行状态、更充分地发挥其调频节电性能，用更多判据来提高采注系统的选择性、速动性、可靠性和灵敏性。如图1，各采油井的产能系统一般可以分成产出、用电、转储三个部分，产出部分一般由产出井及其多级采注层组成，各层特性是间歇脉动的；转储部分是多个并联的油、气、水储罐，其中油、气是产出部分，水是循环转储的，特性稳定均衡，它可以作为系统的缓冲调节，重复使用；用电部分是指产油、注水等动力系统，通用设备用电特性是稳定的；根据产能平衡原理，可以建立产能，消耗、转储三者关系的物理模型。

 

图1：产能系统示意图

其数学模型如下： 式（1）中： —某井单位日采吨油（方气）消耗总电量，单位KW/日， —为某井单位日正常采吨原油（方气）产量的电力消耗，KW/日; ——某井采用节能后单位日采注水循环流量而消耗的电能，KW/日;η1——每度电的单位日产能系数，其含义是每1KW/日吨的电能，能够供出的原油（气）的产量，T（方）/日，主要与电力节能有，“泵况”有关；η2——每度电的单位日无用产能系数，其含义是转注储罐水所消耗的1KW/日吨电能，能够供出的原油（气）产量或转储水罐后节省1KW/日吨电能，所供出的原油（气）产量的，与流量，流体成分持率（浓度）等“井况”和储罐的容积有关。对式（1）积分后有：

其中，式（1）表示该系统的瞬时关系，式（2）表示该系统的节能累积效果关系。

本数学模型的主要用途就是依据工艺要求，合理地控制泵况和井况，结合水转储消耗电能的变化趋势预报产油（气）的供应“工况”是处于过剩状态还是不足状态，为产出平衡系统的调度指挥提供参考，让采注系统“三况合一”，满足间歇脉动的瞬变特性，既可以减少多产出水造成的资源浪费，又可以避免因为产液量过低给生产带来的影响，实现实实在在的节能。

而“井况”和 “泵况”的信息却来自于井下多传感器和井口测控装置的数据技术融合，能够实时反应“泵况”系统激励与“井况”的产能关系，且有效确保“工况”特性配匹，共建一个手动或自动的智能井系统，根据专家指令完成测控工作，确保更大、更有效的产能精准控制，是本项目节能变为现实的技术基础。

项目井口装置按工业级标准设计，机箱采用标准6U型、后插拔、大面板、全封闭铝合金结构机箱，可以独立或组合配柜安置在井口附近运行。见图2：采/注井节能增效系统的井口测控装置（100），它由四插件和前后两面板构成。

 

通过上述的工艺设计，使井口测控装置（100）具有防振，防尘、防潮、防有害气体、防电磁干扰等安全措施，各插件设计完全标准化、模块化，生产、调试、维护十分方便；用户可以根据配置不同，可续加配置1个或多个DSP插件；软件编程采用模块化，组态灵活方便，使用范围广泛，现成调用便捷；内部端子采用德国HT接插件；对外交流电流端子采用带短路环的插接端子，光纤接口采用FC连接方式，其它端子均采用菲尼克斯端子。

（1）硬件主要指标：采用DSP技术构建硬件平台，实现数据的快速采集和处理。模拟量：16路高速同步采样400点/周波，数据采样速率不低于320kHz；采样精度为16位，模拟量输入范围为±5V，采样精度±4LSB；存储器：在DSP中配置，外部RAM：256K×32b，外部FLASH：256K×16b；开入量采集：由DSP经三级电压变换完成，以提高分辨率，带有16路光电隔离，带有瞬态干扰抑制保护输入通道；各环节采用防高电压、强电磁干扰的硬件措施如光电隔离的隔离电压不小于2500V；驱动口：16路，24V输出，带光电隔离，隔离电压不小于2500V，分辨率不大于1ms，且出口控制采用硬件软件相结合，做到硬件故障时能可靠闭锁出口，如上电手动复位，上电闭锁所有出口等；为提高可靠性，在软件看门狗充分利用地基础上设计硬件看门狗电路，其周期可调整（不大于10ms），在程序出错时，保证10ms内自动复归运行。

（2）嵌入式算法验证：装置硬件设计完全标准化、模块化，生产、调试、维护一方便为准。内嵌软件编程模块化，组态灵活方便。特别采用新型的自适应融合算法，快速地提取电力系统运行的特征量，确保软件能在20ms内响应并驱动。软件设有自检功能，在DSP硬件平台上就可以完成节能效果评估和算法验证。

（3）技术指标：①功率容量范围：10KVA-500KVA;②电压等级：200V-1000V;③输出频率调节范围:５－100Hz;④输入电流谐波含量:＜４％;⑤输出电压谐波含量:＜２％;⑥输出电压dv/dt:＜600V/uS; ⑦输出频率准确度:±0.05Hz; ⑧输出频率分辨率:0.01Hz; ⑨输出电压准确度:±0.5%;⑩变频器满载效率:＞98.5%;(11)整体满载效率:＞96.5%;(12)过载能力:额定电流的1.25倍，60秒;(13)单元温升:＜40℃;(14)变压器温升:＜90℃;(15)输入功率因素:＞0.95;(16)环境温度:-5℃－45℃;

在我公司自主开发的SDL-1井下智能多参数测控装置基础上实现节能增效的新装置。本项目产品以经济可靠为原则，从电器工艺结构入手，将井下多传感器与电子线路整合成一体。独创嵌套结构，将敏感元件与电子线路经过优化设计，使敏感元件与介质充分接触，电子器件内置夹层，对外部件呈“中空管件”，安装配完成后，与油管或套管自成一体。在公司已经运营井下多参数测量产品的基础上，经过进一步的研究开发，使其应用更加广泛，主要用于智能井、地面或井下管线连续流量、压力、温度、密度、含水等参数的在线监测，尤其在石油开采环节中的优化、井下监测、油水分离，喷射泵/灌注泵的生产监测、泥浆和砂的注入监控、注CO_2、甲烷的监控。通过多传感器系统能精确实时监控泵工作中的各种工作参数，将泵况、井况及工况进行有机地组合，以增加产量，降低成本；也可以为地质工程师进行生产优化、汽除水、砂控制、多井监测、水平井、高油/气比井和小井距井的监测提供时实决策数据。通过提高使用多传感器系统的可靠性，也可以降低修井的次数和停产的时间，减少泵的更换次数，减小泵杆和油管的磨损和能量的消耗，以提高井的生产效率，降低运营维修成本。

在原有开发的智能多参数标检软件基础上实现节能增效的升级版本。主要完成了：①实现精准控制。本软件容易实现综合各种测试资料及有关地质资料，通过取长补短，互相补充，互相印证，最后融合为一体，实现全面整体的油藏地质动态描述的目的。能大大地提高测试资料的信息利用率，使得油藏动态分析人员准确和及时地认识油藏动态。②实现动态输送。本软件具有强大的远程图表、数据、信息发布功能。本系统总体结构设计为多层B/S结构：即根据目前实际的网络和单机环境，在Windows NT Server4.0中文版以上版本的网络操作系统环境，微机操作系统为Windows2000或Windows XP中文版；为了兼顾现状、考虑发展及推广，本系统以标准格式的Oracle库为基础。采用高档微机为人机交互前端，完成动、静态数据获取、数据组织管理、区块动态参数计算、图形表现、统计分析处理、结果显示和输出、结果发布等功能。③广播数据资料。发布油田开发过程中的测试资料（试井资料、吸水剖面测试资料和出油剖面测试资料）的各种图形及表格数据，以及原始测试曲线、解释成果图表，通过企业网以WWW或B/S方式进行发布，使领导和有关部门随时查阅生产数据、提高工作效率，保证资料的一致性和准确性，迅速、准确地掌握第一手材料，并能充分利用数据库集成的优势，随时根据需要找出诸如含水变化过大、产量降低的区块、井组和单井，分析用的参考数据、图形等配合使用，便于分析，减少在查找相应资料所花的时间和精力。④分析包括：1）区块动态分析；2）井组动态分析；3）单井动态分析；4）层位动态分析。⑤本系统主要包括以下几种类型的图形和数据表。1）区块动态参数平面分布等值图绘制动态参数等值分布图有平均地层压力、流动系数、小层有效厚度、渗透率等参数的平面等值分布图。2）区块井点参数分布图绘制某年某月的日注入量、日产出液量、含水率、表皮系数、流压和地层压力等参数的平面分布图。3）井组栅状动态图绘制井组栅状动态图并附加有产液剖面和注入剖面成果，综合表现井组的各小层的连通和动用状况等。以立体图形标出各层段的连通情况，标出井号、各小层注入百分量和各小层的产出量，并给井点动态参数表。4）环空井温组合测井成果图，在同一图上绘制某一次原始的环空找水测试和井温测试解释成果图表，并标出井号、测试日期、深度、自然电位和射孔井段等数据。5）环空找水解释成果对比图在同一图上绘制历次环空找水测试数据，标出井号、测试日期和深度等数据；6）井温测井曲线解释成果对比图在同一图上绘制历次井温、微差数据，标出井号、测试日期和磁定位等数据。7）同位素吸水剖面解释成果图在同一图上绘制某一次测试的同位素、磁定位、相对吸水百分数、有效厚度、渗透率、深度、自然伽玛曲线、自然电位和射孔井段等数据。8）同位素吸水剖面解释曲线对比图在同一图上绘制历次的吸水层位、同位素曲线、管柱曲线，并标有井号和测试日期。9）单井试井分析成果报告发布五图二表，绘制五种基本的单井试井分析成果图（历史拟合图、无因次霍纳图、双对数拟合图、MDH分析图和霍纳分析图），井的基本参数和压力时间测试数据表以及试井解释成果表。10）试井解释成果报表。绘制某一时期的多口井的试井解释成果汇总报表。11）井径曲线对比图在同一图上绘制管柱曲线和历次的井径曲线，并标有井号和测试日期。12）磁定位数据表等等。

(1)本项目产品提供的是一种节能增效系统，见图2：采/注井节能增效系统框图。

其系统组成包括：井口测控装置（100）、单芯同轴电缆信道（200）和井下多传感器测控（300）三部分。其中，井口测控部分（100）是系统的核心内容，主要负责完成“泵况”及井口测控和系统组织管理节能增效工作。信道部分（200）和井下测控部分由智能井多参数测控传感器系统（300）配套，这部分产品已由公司自主开发完成，在油田已有成熟可靠地产品供应（已获专利（ZL200420085971.2）和西安市科技进步奖的SDL-1型智能井多参数监测装置），它负责准确可靠地提供当前井及井层系的“井况”信息，辩识测控参数大小，如流量、压力、温度、各相浓度及密度等，信号和供电由信道（200）同轴电缆完成。

（2）在公司自主开发的智能多参数标检软件基础上实现节能增效为目的升级版本。采用“泵况”测控插件（110），“井况”编解码插件（140）等多传感器原始数据的获得与校准，以实现精准控制。如图3，包括：泵况传感器（210），井况传感器（230），井口传感器（2N）；泵况传感器跟踪（220），井况传感器跟踪（240），井口传感器跟踪（2N+10），信道（200），时空校准（132），转矩负荷关联（136），转矩融合（138）。其中，“泵况”（110），“井况”（140）等多传感器分置于地面和井下，距离几千米，其首要解决的是数据可靠，测量准确；为此，本项目提出了参数对象参照拓扑，这一特征利用了测控参数的群体结构化信息，对系统中的各种不确定性有着固有的反作用能力新特征，建立了一种模仿人工判别的转矩关联算法。然后采用了一种具有动态缩放系数的稳健状态向量融合方法来实现传感器的误差修正即跟踪（210、22、230）。这样解决局部传感器的系统偏差对多传感器融合系统的影响。解决了系统中的单传感器偏差的充分校准。

个体信息无法成为关联判决的可靠依据。这一功能通常在融合中心的时空校准模块中（132）中实现。其次，经过时空校正后，即多传感器数据在经过时空校准后仍存在较大的系统偏差，将会对后续的测控关联造成影响；这时通过实时质量控制法、最小二乘法等，无差别对待所有关联轨迹信息。采用对象参照拓扑，将对象之间的结构化信息抽象成一种模式即转矩负荷关联（136），利用模糊模式识别的基本知识刻画出参数对象之间的相似度，有效地抑制跟踪融合系统中各偏差对对象关联的影响，完成多传感器原始数据的获得与转矩负荷的轨迹跟踪融合即转矩融合（138），实现精准控制。

基于节能增效系统，其特征在于“泵况”，“井况”等多传感器数据经DSP插件（130）嵌入式软件实现自适应融合工况的轨迹跟踪与优化，其特征包括如图4，传感器数据采集131，一级融合（132），二级融合（133），三级融合（124），数据库系统（135），人机接口MMI（160），四级融合（136），泵况，井况参数确认（138）。

 

 

图4：项目DSP控制示意图

其中，一级融合（132）也称象素级（Pixel-lever）融合，直接融合传感器采集数据（131），当多传感器数据是同类同性质的（例如，当两个传感器对相同的参数进行检测时，可以采用两个压力传感器或两个流量传感器），那么，可以将传感器的原始数据（raw data）直接融合。采用经典的状态估计方法融合，如Kalman滤波。二级（133）、三级（134）融合为特征级（Feature-lever）融合，对经过一级融合（132）后的传感器数据的特征矢量进行提取并与数据库系统（135）进行融合，主要采用模式识别技术中的模糊聚类方法，人工神经网络等。该过程对传感器数据的特征提取后，有效降低了状态空间的维数，实现了可观的信息压缩，并且提取的特征直接与数据库系统（135），人机接口MMI（160）决策分析有关，因此特征级融合结果可以最大限度地给出决策所需的特征信息。本系统数据融合均在这个层次上展开。四级融合为决策级（Decision-lever）融合，该级是高层次的融合，它对传感器已经得出的工况初步结果进行信息的合并处理，得出最终的融合结果，为指挥控制决策提供依据。该过程采用的主要方法：经典推理理论，Bayesian 推理方法、Dempster-Shafer证据理论、加权决策方法（投票法）等，进入泵况，井况参数确认（138）后。人机接口MMI（160）将转为正常的状态监测，同时也建立了自适应跟踪体系，完成增效节能的闭环控制目的。

(3）硬件结构

①依据多年从事生产开发石油井下多参数仪器的技术和生产能力的基础，将已成熟应用于高温（125℃）高压（60MPa）井下的温度、压力，流量等参数检测技术和本公司自主开发的微波雷达持水率检测传感器技术结合，开发出井下智能多参数传感器系统。②地面井口节能测控装置是本项目产品的核心部分。主要完成变频，电机及井口传感器的信号检测和控制，井下多参数信号的编解码和供电；如检测电机的工作电流、电压或功率等泵况信息，光杆扭矩，张力等参数，同时解码恢复井下或井下地层的多参数“井况数据”；能完全实现多个参数测试，同步测试或延时转存“井况”等多参数值；配置有光纤通道、以太网接口，RS232接口等，能及时将检测数据全部送入固定装置内或车载计算机中处理；还设置有构成快速动作的调频、保护和控制继电器。由于该装置处于地面，获得的井下原始数据信息量大、可靠性高、对应性好，经过处理能后能自动显示出“泵况”信息，井况信息，如油井的套压、油压、回压，流压，流量，持水或持气率等数据，给出“井况”的多条曲线来分析井的合理工作状况，并直接显示最佳“井况”和诊断结论。③通过软件将泵况、工况及井况等综合参量有机地结合，经模糊数学理论等算法得出优化产出和注入方案，供现场工作调度或直接控制。

系统整体见图1。采用工业全屏蔽机箱，规格：233.35×160,后视:左侧距：5.08+2.54，右侧距5.08;底板尺寸：174.1=160+12.1+2。各电路模块依总线不出PCB板，用后背四插件底版连接，包括：AC插件（110）、DSP插件（130）、电力插件Power（120）和检测驱动插件MD（140）。后插拔的结构模式上，前面板设置人机对话操作MMI（150），底板（160）提供各接插件的信号通道；后面板设置各种采集、通讯、输入/输出接口。各插件的规格分别为：AC插件宽度为5X10.16=50.8；DSP插件宽度为3X10.16；M+D插件宽度为3X10.16；Power插件宽度为4X10.16。各插件上的端子分布为：AC插件用自短接结构方式，CT电流按7组输入设计，PT电压按5组设计；DSP插件用1个凤凰端子，型号为ME050-508-18和以太口（RJ45），MD插件用两个凤凰端子型号为ME050-508-18；Power插件用一个凤凰端子，型号为ME050-508-10；ME050-508-4（可追外加PT）；一个开关。

主要的数据处理部分为DSP插件(130)，采用TMS320F2812数字信号处理器。利用其先进的内部和外设结构使得该处理器特别适合各插件协调、电器及其运动状态测控，实现了高效节能的软硬件结合。它将检测与驱动插件（140）送入的“井况”和“泵况”测控信息经时空同步后与“井况”信息融合，形成“三况合一”，再结合GPS（110）同步及调频—馈电等功能去实现产能和电能的合理决策。同时，通过人机接口插件（MMI）建立专家决策系统，实现实时最优控制。

数据采集部分为井口多传感器采集插件（110），该插件采用稳健的机动目标跟踪方法。该方法以实时的目标机动性信息为依据，人为地在融合中心引入非均匀采样的异步数据，从而在带宽受限的多传感器系统中实现了对机动目标的精确跟踪。

电源系统由电力插件（120）提供，它负责系统和井下多传感器部分的电源支持和电力PT，CT参数的检测；检测与驱动插件（140），完成井下多传感器信息的编解码，并将“井况”、“泵况”检测传感器和执行器的测控信息经预处理后送入DSP插件（130）的时空校准预处理，作为动力控制的驱动接口去调整电机的工作状况和功率驱动。人机接口插件MMI（150），提供了人机操作的平台和状态显示，底板组件（160）提供了井口测控系统的内部接口通道，让内部测控总线不出系统，提高系统可靠性。其计算机数据采集/控制系统示意图如图5所示。

图5：计算机数据采集/控制系统示意图