為由兩個(gè)蓄水池和兩個(gè)互連的獨(dú)立注水井組成的注水系統(tǒng)，開發(fā)了一種先進(jìn)的控制策略。使用化工過程仿真軟件，創(chuàng)建動(dòng)態(tài)仿真模型，可研究不同瞬態(tài)工況，并證明控制策略的可行性，并且無需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

該模型仿真了完整的注水系統(tǒng)，包括抽油機(jī)、管線和設(shè)施之間的相互作用。利用線性編程技術(shù)（單純形法）和模糊邏輯，為蓄水池和注水井建立獨(dú)立的非常規(guī)控制策略，并為系統(tǒng)（注水井）制定通用策略，以保持產(chǎn)出水與注入水之間質(zhì)量平衡的穩(wěn)定。通過與現(xiàn)場(chǎng)歷史數(shù)據(jù)的比較，分析了控制系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況和不必要情況下的過程行為和功能。

石油生產(chǎn)的自動(dòng)化控制

注水作為一種二次采油技術(shù)，在世界范圍內(nèi)被認(rèn)為是最常用的方法之一，也是對(duì)石油生產(chǎn)貢獻(xiàn)最大的一種方法。在哥倫比亞，許多油田都采用這種方法擴(kuò)大產(chǎn)量。抽油系統(tǒng)的自動(dòng)化和控制是調(diào)節(jié)注水量、有效提高原油產(chǎn)量的基礎(chǔ)。

位于哥倫比亞Meta的一個(gè)油田具備注水的條件，但沒有自動(dòng)化控制系統(tǒng)來穩(wěn)定設(shè)施以避免產(chǎn)生運(yùn)營(yíng)報(bào)警，也就無法在預(yù)防和糾正措施上產(chǎn)生有效的響應(yīng)方式。

該系統(tǒng)的設(shè)施可以處理采出水，然后將其泵送至注水井1和注水井3。常見問題包括工業(yè)用水的泵機(jī)組損失、兩個(gè)互聯(lián)設(shè)施（注水井）中注入裝置的損失以及注入流量或生產(chǎn)水量的變化。

為了解決這一系列問題，該油田開發(fā)了包括過程工程和先進(jìn)控制策略的先進(jìn)工程系統(tǒng)。這包括使用過程仿真器軟件構(gòu)建動(dòng)態(tài)模型，以動(dòng)態(tài)方式觀察系統(tǒng)行為，并將其與預(yù)設(shè)的控制策略集成。開發(fā)的控制方案包括基于模糊邏輯的非常規(guī)策略，在這種策略中，泵組的吸入和排出壓力可與通過每個(gè)裝置的流量相互作用。

通過先進(jìn)的控制策略來統(tǒng)一管理注入系統(tǒng)（生產(chǎn)水處理和注入設(shè)施），其重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)和維持生產(chǎn)量與注入量之間的質(zhì)量平衡，在每個(gè)設(shè)施中自動(dòng)分配注入流量設(shè)定值。這種策略可以為整個(gè)注水系統(tǒng)提供更大的自治性、穩(wěn)定性和運(yùn)行連續(xù)性。

生產(chǎn)水處理設(shè)施由兩個(gè)相互連接的蓄水池組成，每個(gè)水池配置8個(gè)抽水裝置，包括多級(jí)離心泵和內(nèi)燃機(jī)泵等，這些抽水裝置通過3個(gè)直徑為30英寸的管道，將水轉(zhuǎn)移到注水井中。

由于運(yùn)行變量之間存在多種相互作用，因此該系統(tǒng)被認(rèn)為是非線性的，需要非常規(guī)工具來建模和定義要實(shí)施的控制策略。

動(dòng)態(tài)仿真和控制策略

在化學(xué)工藝仿真軟件中，建立注水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型。初始階段，在穩(wěn)態(tài)下構(gòu)建該模型，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然后將其切換到動(dòng)態(tài)，以表征實(shí)際過程行為，并對(duì)任何干擾進(jìn)行評(píng)估。在此階段，確定系統(tǒng)中存在的流體屬性、初始運(yùn)行條件、泵送裝置數(shù)量、管道直徑和長(zhǎng)度以及其它附件。邊界條件包括諸如系統(tǒng)出、入口流體中的壓力規(guī)格，并且用各自曲線來表征的泵。池裝置的效率損失約為15％。

隨后，通過模擬特定現(xiàn)場(chǎng)條件，并與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)平均偏差為5％。該模型的行為與歷史數(shù)據(jù)相符，因此可將其用于分析系統(tǒng)的行為。

最后，對(duì)不同的案例研究進(jìn)行評(píng)估。分析設(shè)施的行為，就好像它在工廠設(shè)備上運(yùn)行一樣。利用這些研究結(jié)果對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并為過程提供適當(dāng)?shù)目刂撇呗浴?/p>

在高級(jí)控制區(qū)域，重建了設(shè)施中安裝在可編程邏輯服務(wù)器仿真器上的控制系統(tǒng)，并開發(fā)了雙向通信接口，該接口允許過程模擬器和仿真控制系統(tǒng)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。仿真工具有助于重現(xiàn)為注入系統(tǒng)運(yùn)行開發(fā)的控制邏輯。

通過仿真可以確定感興趣變量的非線性行為，因此基于模糊邏輯的控制可以更好的適應(yīng)系統(tǒng)的行為，因?yàn)樗峁┝艘环N推理機(jī)制，允許在基于知識(shí)的系統(tǒng)中模擬人類推理的過程，這意味著可以模仿諸如操作人員在已知情況下加速或減速泵的行為。

為了統(tǒng)一注入系統(tǒng)，質(zhì)量平衡被解釋為成本函數(shù)，并通過線性編程技術(shù)解決，重點(diǎn)是使流量最大化。每個(gè)設(shè)施必須優(yōu)化流量設(shè)定值，以使注入量最大化，但受限于上述條件。

單純形法是一個(gè)迭代過程，可以在每個(gè)步驟中改進(jìn)目標(biāo)函數(shù)。在無法繼續(xù)提高時(shí)，過程結(jié)束，這意味著已實(shí)現(xiàn)滿足所有限值的最佳解決方案。在注入系統(tǒng)中實(shí)施高級(jí)控制策略分為兩個(gè)階段。

圖1：階段1–集成注入系統(tǒng)的全局控制策略：高級(jí)控制區(qū)在可編程邏輯服務(wù)器仿真器上重建控制系統(tǒng)，并開發(fā)了雙向通訊接口，用于過程仿真器之間的實(shí)時(shí)通訊和仿真控制系統(tǒng)。本文圖片來源：ProctekSAS

階段1：注入系統(tǒng)集成

第一階段的策略是尋求增加油田產(chǎn)量。為此，選擇直接影響生產(chǎn)的變量：注入流量。隨后發(fā)現(xiàn)一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)，來描述約束和系統(tǒng)元素限制條件下的變量行為。以最大化為目標(biāo)解決該功能，展示最佳工作點(diǎn)，可以最大程度地提高流量注入并提高采油量。與注入系統(tǒng)集成的控制系統(tǒng)如圖1所示。

成本函數(shù)的重點(diǎn)是在從池中抽出的采出水與每個(gè)注水井的注入水之間找到質(zhì)量平衡。為了確定平衡，可從每個(gè)池中立式泵的運(yùn)行特性出發(fā)。必須將總流量有效地分配到每個(gè)注水井上。分配標(biāo)準(zhǔn)取決于幾個(gè)因素：

●每個(gè)注水井中啟動(dòng)的可用裝置的數(shù)量；

●每個(gè)裝置的注入量；

●將管道連接到每個(gè)注水井的閥門位置。

分配算法的功能是找到最佳流速設(shè)定值，并將其自動(dòng)分配給每個(gè)擴(kuò)散控制面板以注入流量，并建立平衡。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，必須考慮以下條件：

●必須利用安裝在水池出口處的流量計(jì)以及安裝在互連點(diǎn)和每個(gè)注水井入口處的流量計(jì)，對(duì)質(zhì)量平衡進(jìn)行不間斷驗(yàn)證。

●如果無法通過注入系統(tǒng)的瞬時(shí)工況達(dá)到規(guī)劃的質(zhì)量平衡，則控制系統(tǒng)通知運(yùn)行人員啟動(dòng)或停止注水井的泵送裝置。

●如果在水池和注水井中存在泵送裝置的損失，控制系統(tǒng)應(yīng)重新計(jì)算流量設(shè)定值，以確定喪失的注入能力并重新計(jì)算新的質(zhì)量平衡。

階段2：控制策略設(shè)計(jì)

這一階段的策略是尋求為系統(tǒng)提供更優(yōu)的穩(wěn)定性和自治性，以解決過程中出現(xiàn)的、無法通過手動(dòng)操作及時(shí)有效緩解的干擾。所提出的控制策略需要在注入系統(tǒng)中相互作用的3個(gè)變量（流量、吸入壓力和排出壓力）之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。

由于該模型具有很強(qiáng)的非線性（通過動(dòng)態(tài)過程模型證明），無法對(duì)唯一的常規(guī)控制回路進(jìn)行調(diào)節(jié)，沒有考慮吸入和排出壓力的變化。因此，基于模糊邏輯的控制器，可以更好地適應(yīng)系統(tǒng)行為。然而，模糊邏輯控制器的概念開發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，并且具有很高的計(jì)算需求。

由于這些原因，確定需要為與泵相互作用的每個(gè)變量，設(shè)計(jì)一個(gè)擴(kuò)散控制器。唯一可以使用的控制元件，是調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)速度的調(diào)速器。必須為調(diào)速器選擇唯一的控制輸出。遵循與模糊控制器一樣的方案，最終輸出根據(jù)每個(gè)模糊控制器的輸出隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)行為而確定。

模糊控制塊

圖2：模糊邏輯控制器的一般方案。過程模擬器展示了注入系統(tǒng)運(yùn)行的控制邏輯。

模糊邏輯控制器由控制塊組成，控制塊負(fù)責(zé)接收過程變量偏差（過程變量相對(duì)于設(shè)定值的百分比誤差）。圖2給出了“模糊控制”塊所有回路的基本方案。在該案例中，過程變量的輸入偏差為：

e(k)=PV(k)SP(k)

增量偏差為：

e(k)=e(k)-e(k-1)

該方案采用模糊設(shè)計(jì)器工具，其中有兩個(gè)模糊輸入集，第一個(gè)用于輸入偏差，第二個(gè)用于增量偏差。

該想法是通過與模糊輸入集的相互作用，來模仿專家行為。在這種情況下，目標(biāo)是檢測(cè)到目標(biāo)變量出現(xiàn)偏差時(shí)采取措施，來模仿運(yùn)行人員的專業(yè)知識(shí)。為了重現(xiàn)該知識(shí)，創(chuàng)建規(guī)則來評(píng)估每個(gè)模糊集的交互，并將它們與輸出關(guān)聯(lián)。

在此輸出集的擴(kuò)散控制器上執(zhí)行一系列操作，允許每個(gè)控制面板獲得唯一的受控變量值。依次對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，以確定在3個(gè)參數(shù)中選擇哪個(gè)參數(shù)應(yīng)用于調(diào)速器。

為控制器做出的決定應(yīng)基于運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)，并在啟發(fā)式方法的基礎(chǔ)上建立規(guī)則。如果關(guān)閉注水井1，則會(huì)重新計(jì)算流速設(shè)定值，并將喪失的流量分配給注水井3的設(shè)定值。這樣，盡管泵送裝置喪失，但仍能維持相同的注入率。維持主動(dòng)分配策略，可以看到注入流量的增加，從而增加石油產(chǎn)量。

過程模擬器的好處

通過開發(fā)一套先進(jìn)的工程系統(tǒng)，可以將過程工程和先進(jìn)的控制策略相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)采油設(shè)施中注水流量的優(yōu)化。由于系統(tǒng)呈現(xiàn)非線性，因此新方案采用了線性編程技術(shù)（單純形法）和基于模糊邏輯的控制。最初開發(fā)的控制策略，已在化工過程仿真軟件中進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真測(cè)試，以評(píng)估動(dòng)態(tài)系統(tǒng)行為和可能影響正常運(yùn)行的常見干擾。

在對(duì)多個(gè)系統(tǒng)和過程工廠進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，利用過程模擬器可顯示由此獲得的諸多好處。這是由于模型的更改所致，它允許評(píng)估不同的方案，而無需花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間和大量資源進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

基于高級(jí)控制的注水系統(tǒng)允許控制總的注入流量，提高油田產(chǎn)量。此外，在過程中檢測(cè)到偏差時(shí)，能夠及時(shí)響應(yīng)，減少這些偏差可能會(huì)導(dǎo)致人員傷害、貨物損失或產(chǎn)量降低的可能性。（作者：Juan David，Medina Gonzalez）
編輯：hfy