有桿抽油系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)研究

麻 濤， 楊肖曦， 李松巖， 龍鳳樂(lè)， 王觀軍，張 強(qiáng)， 杜紅勇， 秦國(guó)順

（1.中國(guó)石油天然氣管道局，河北廊坊065000；2.中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266580；3.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580；4.勝利石油管理局技術(shù)檢測(cè)中心，山東東營(yíng)257000）

有桿抽油方式占全國(guó)油井抽油總數(shù)的70%以上，是目前最主要的采油工藝，同時(shí)其能耗在原油生產(chǎn)過(guò)程中所占的比例也是最大的［1－2］，因此對(duì)有桿抽油系統(tǒng)能耗總體及各設(shè)備運(yùn)行狀況情況進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)對(duì)降低有桿抽油系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性有重要作用［3］。而目前針對(duì)有桿抽油系統(tǒng)能耗的評(píng)價(jià)過(guò)多的依賴(lài)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)，不能全面考慮。本文以專(zhuān)家系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組建有桿抽油系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)知識(shí)庫(kù)，構(gòu)建有桿抽油系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)，為現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能降耗提供準(zhǔn)確的技術(shù)支持。

1 知識(shí)庫(kù)表示

專(zhuān)家系統(tǒng)中，知識(shí)庫(kù)表示的恰當(dāng)與否直接影響著系統(tǒng)的知識(shí)獲取能力和知識(shí)運(yùn)用效率，因此，知識(shí)庫(kù)表示是建造專(zhuān)家系統(tǒng)中最基本的問(wèn)題。有桿抽油系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)領(lǐng)域知識(shí)比較豐富，主要由評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)規(guī)則體系和評(píng)語(yǔ)體系組成。

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

查閱大量文獻(xiàn)資料，參考多位專(zhuān)家意見(jiàn)，并結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)建立原則得出有桿抽油系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和社會(huì)指標(biāo)3部分構(gòu)成［4］。

1.1.1 技術(shù)指標(biāo) 有桿抽油系統(tǒng)有效能量與輸入能量之比為系統(tǒng)效率η，是有桿抽油系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)，也是系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。計(jì)算公式如式（1）所示：

其中：P有為有桿抽油系統(tǒng)有效功率，kW；P入為有桿抽油系統(tǒng)輸入功率，kW。

同時(shí)根據(jù)有桿抽油系統(tǒng)能耗分布及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)還應(yīng)包括地面因素、井下因素和管理等方面因素。

地面因素指以抽油機(jī)光桿懸繩器為界，電機(jī)、皮帶、減速箱及四連桿等設(shè)備對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，但現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于一些設(shè)備參數(shù)采集較為困難，地面因素評(píng)價(jià)指標(biāo)簡(jiǎn)化為電機(jī)功率因數(shù)cosφ及電機(jī)功率利用率β兩部分。計(jì)算公式如式（2）、（3）所示：

井下因素指抽油機(jī)光桿懸繩器以下的設(shè)備（盤(pán)根盒、抽油桿、抽油泵等）對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，同樣簡(jiǎn)化抽油泵排量系數(shù)α排作為井下因素主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。計(jì)算公式如式（4）所示：

其中：Q實(shí)為抽油泵的實(shí)際排量，m3／d；Q理為抽油泵的理論排量，m3／d。

管理因素指日常生產(chǎn)管理對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，主要包括平衡度和抽汲參數(shù)匹配數(shù)兩部分。計(jì)算公式如式（5）、（6）所示：

其中：I下為下行最大電流，A；I上為上行最大電流，A；S為沖程，m；n為沖次，min－1；Hd為有效揚(yáng)程，m。

另外，原油的物理參數(shù)及地質(zhì)因素，如滲透率、油氣比、黏度等對(duì)有桿抽油系統(tǒng)能耗也存在較大影響，需要對(duì)不同油藏及地質(zhì)參數(shù)分層考慮進(jìn)行評(píng)價(jià)。1.1.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 百米噸液耗電是指抽油系統(tǒng)將井下一噸液體提升100m所消耗的電能，單位是kW·h／（100m·t），是有桿抽油系統(tǒng)重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。計(jì)算公式如式（7）所示：

其中：QT為產(chǎn)液量，t／d。

1.1.3 社會(huì)指標(biāo) 由于社會(huì)對(duì)原油需求日益增長(zhǎng)，因此產(chǎn)液量QT也必須作為評(píng)價(jià)有桿抽油系統(tǒng)的一項(xiàng)指標(biāo)。

1.2 評(píng)價(jià)規(guī)則體系

規(guī)則體系存放專(zhuān)家設(shè)立的判斷各個(gè)指標(biāo)優(yōu)劣的閥值或范圍區(qū)間，是聯(lián)系指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)體系的紐帶，也是系統(tǒng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵所在。本系統(tǒng)采用分類(lèi)統(tǒng)計(jì)法對(duì)多名專(zhuān)家提出的有桿抽油系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)規(guī)則及國(guó)標(biāo)規(guī)定值進(jìn)行處理，得到相對(duì)準(zhǔn)確的評(píng)判規(guī)則。

不同油藏條件下有桿抽油系統(tǒng)效率的限定值及節(jié)能值如表1、2、3所示。

表1 系統(tǒng)效率節(jié)能監(jiān)測(cè)指標(biāo)Table1 Monitoring index system efficiency and energy saving

表2地層滲透率對(duì)系統(tǒng)效率的影響系數(shù)Table2 The influence coefficient of oilfield permeability on system efficiency

表3 泵掛深度對(duì)系統(tǒng)效率的影響系數(shù)Table3 The influence coefficient of pump setting depth on system efficiency

國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有桿抽油系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)限定值為0.4，功率因數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)，則表示電動(dòng)機(jī)無(wú)功損失太大，造成了大量的能量消耗，應(yīng)及時(shí)檢修；電機(jī)功率利用率大于35%為節(jié)能，大于20%即為合格，同時(shí)，功率利用率大于50%時(shí)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象［5］；稀油井抽油泵排量系數(shù)達(dá)到0.45為合格，稠油井到達(dá)0.4為合格，過(guò)低的抽油泵排量系數(shù)會(huì)造成泵效降低，能量損失增大；國(guó)標(biāo)規(guī)定抽油機(jī)的平衡度在85%～115%為合格，但由于平衡塊的慣性作用，考慮到實(shí)際生產(chǎn)情況，把平衡度定為70%～110%［6］；規(guī)定有桿抽油系統(tǒng)普通稠油百米噸液耗電小于1.55kW·h／（100m·t）為合格，特稠油百米噸液耗電小于9.75kW·h／（100m·t）為合格，超稠油百米噸液耗電小于23.25kW·h／（100m·t）為合格。

產(chǎn)液量及抽汲參數(shù)匹配數(shù)為越大越優(yōu)，但在有桿抽油機(jī)井抽汲參數(shù)及產(chǎn)液量設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)該總是考慮以其極大值為最佳，因?yàn)槿暨^(guò)分追求某一最大可能會(huì)導(dǎo)致其他參數(shù)值的降低，最終不利于整體能耗的控制。

1.3 評(píng)語(yǔ)體系

有桿抽油系統(tǒng)評(píng)語(yǔ)體系由整合多位專(zhuān)家針對(duì)整體能耗狀況或單個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀況的多條評(píng)價(jià)語(yǔ)句構(gòu)成，總體歸為3類(lèi)：Y1—運(yùn)行參數(shù)偏??；Y2—運(yùn)行參數(shù)正常；Y3—運(yùn)行參數(shù)偏大，結(jié)合相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)及專(zhuān)家處理意見(jiàn)，得到相應(yīng)的評(píng)語(yǔ)，如“系統(tǒng)整體狀況較好，請(qǐng)繼續(xù)保持”，“電機(jī)選型過(guò)大，存在大馬拉小車(chē)現(xiàn)象，請(qǐng)調(diào)整電機(jī)接線方式”等。當(dāng)用戶(hù)輸入的指標(biāo)條件與其特定規(guī)則匹配時(shí)就會(huì)調(diào)用對(duì)應(yīng)的評(píng)語(yǔ)，向用戶(hù)做出正確的評(píng)價(jià)及建議。

2 有桿抽油系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)

專(zhuān)家系統(tǒng)（ES，ExpertSystem）是一種模擬人類(lèi)專(zhuān)家解決領(lǐng)域問(wèn)題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，是人工智能中發(fā)展和應(yīng)用最成熟的一個(gè)方向［7－9］。有桿抽油系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)是模擬采油技術(shù)、能量評(píng)價(jià)領(lǐng)域?qū)＜铱紤]問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法，對(duì)選定系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的診斷、評(píng)價(jià)的人工智能系統(tǒng)［10］。

有桿抽油系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)主要包括人機(jī)對(duì)話模塊、黑板模塊、知識(shí)庫(kù)模塊和推理機(jī)。人機(jī)對(duì)話模塊用于接受信息、顯示結(jié)果及獲取知識(shí)更新；黑板模塊用于暫時(shí)存放中間數(shù)據(jù)，可隨時(shí)擦除、替換，是內(nèi)部數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站；知識(shí)庫(kù)包含指標(biāo)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、評(píng)語(yǔ)庫(kù)，是專(zhuān)家系統(tǒng)準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵；推理機(jī)用于數(shù)據(jù)的計(jì)算、比較、判斷等。

系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)對(duì)話模塊接收用戶(hù)輸入的基礎(chǔ)參數(shù)，在系統(tǒng)指標(biāo)庫(kù)的主導(dǎo)下，啟動(dòng)推理機(jī)的推理計(jì)算子模塊，得到相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)值存入“黑板”，然后調(diào)用規(guī)則庫(kù)，搜索各指標(biāo)的評(píng)判規(guī)則，并查詢(xún)“黑板”匹配規(guī)則條件，匹配成功則把相應(yīng)的評(píng)語(yǔ)保存至黑板；如不成功，則繼續(xù)匹配。能耗評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 有桿抽油系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)流程圖Fig.1 The process diagram of rod pumping system energy consumption evaluation expert－system

3 應(yīng)用實(shí)例

以勝利油田臨盤(pán)采油廠一礦L14－X30井2011年2月測(cè)試數(shù)據(jù)為例，應(yīng)用專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)。首先由人機(jī)接口模塊收集基礎(chǔ)參數(shù)（如圖2所示），推理機(jī)對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算，中間參數(shù)存入“黑板”，調(diào)用知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則體系對(duì)計(jì)算得到的指標(biāo)依次判斷，尋找匹配的評(píng)價(jià)語(yǔ)句輸出用戶(hù)界面（如圖3所示），同時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)輔助模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、存檔等。

圖2 參數(shù)輸入界面Fig.2 Data collection

圖3 評(píng)價(jià)及建議界面Fig.3 Evaluation and suggestions

系統(tǒng)分析認(rèn)為電機(jī)不匹配、平衡度差、抽汲參數(shù)不合理是該系統(tǒng)目前存在的主要問(wèn)題，應(yīng)該更換小功率電機(jī)或節(jié)能電機(jī)，及時(shí)調(diào)整平衡度及抽汲參數(shù)，加強(qiáng)日常管理。對(duì)該井現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明本系統(tǒng)提出的評(píng)價(jià)建議準(zhǔn)確、實(shí)用，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理人員提供一定程度的技術(shù)支持。

4 結(jié)論

1）建立了以系統(tǒng)效率、電機(jī)負(fù)載率等為主體，能反映有桿抽油系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)層面的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，同時(shí)確立了其評(píng)價(jià)規(guī)則及評(píng)價(jià)語(yǔ)句，構(gòu)成了有桿抽油系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)知識(shí)庫(kù)。

2）構(gòu)建了有桿抽油系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)，對(duì)勝利油田臨盤(pán)采油廠一礦L14－X30井進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為電機(jī)不匹配、日常管理水平差是該系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題，并提出相關(guān)建議，評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確。

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