基于模糊數(shù)學(xué)的有桿泵采油系統(tǒng)能耗評價(jià)與診斷方法

李 威， 周 勇， 薛興昌， 麻 濤， 郭龍江， 李松巖， 李兆敏

(1. 中國石油大學(xué)(華東)，山東青島 266580； 2.中國石油新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834000；3. 中國石油天然氣管道局，河北廊坊 065000)

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基于模糊數(shù)學(xué)的有桿泵采油系統(tǒng)能耗評價(jià)與診斷方法

李 威1， 周 勇2， 薛興昌2， 麻 濤3， 郭龍江1， 李松巖1， 李兆敏1

(1. 中國石油大學(xué)(華東)，山東青島 266580； 2.中國石油新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834000；3. 中國石油天然氣管道局，河北廊坊 065000)

有桿泵采油系統(tǒng)在我國占有率高，但系統(tǒng)效率偏低，在油田能耗中占主導(dǎo)地位，因此，準(zhǔn)確評價(jià)有桿泵采油系統(tǒng)能耗對油田節(jié)能改造有重要的指導(dǎo)作用?；谀：龜?shù)學(xué)理論，結(jié)合相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建立了全面的能耗評價(jià)指標(biāo)體系，并應(yīng)用科學(xué)方法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重及隸屬度函數(shù)，最終建立有桿泵采油系統(tǒng)能耗評價(jià)模型。對新疆油田某系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例分析，評價(jià)結(jié)果表明該系統(tǒng)電機(jī)匹配不合理、平衡度差，能耗等級為中，經(jīng)油田現(xiàn)場確認(rèn)，評價(jià)結(jié)果全面、診斷結(jié)果準(zhǔn)確。

模糊數(shù)學(xué)； 有桿抽油機(jī)系統(tǒng)； 能耗評價(jià)； 層次分析法

有桿抽油方式占全國油井抽油總數(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)過程中所占的比例也是最大的[1]。與國外油田相比，國內(nèi)油田有桿泵采油系統(tǒng)效率偏低，具有很大節(jié)能潛力。因此，對有桿抽油系統(tǒng)能耗總體及各設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的評價(jià)對降低有桿抽油系統(tǒng)能耗、提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性具有重要意義[2]。但目前采用的評價(jià)方法都是對單個(gè)因素或設(shè)備的簡單判定，不能全面、完整、準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)運(yùn)行狀況?？紤]到上述不足，本文基于模糊數(shù)學(xué)理論，建立了有桿泵采油系統(tǒng)能耗模糊綜合評價(jià)模型，對有桿泵采油系統(tǒng)能耗狀況進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的分析及評價(jià)。

1 有桿泵采油系統(tǒng)能耗影響因素

有桿泵采油系統(tǒng)是利用電機(jī)等裝置將能量進(jìn)行傳遞和轉(zhuǎn)換，最終將井底液體舉升到井口的裝置，主要由抽油機(jī)、抽油桿和抽油泵等部件組成，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將抽油機(jī)系統(tǒng)能耗影響因素分為地面、井下及管理三個(gè)方面[3-4]。

地面因素指自光桿懸繩器以上設(shè)備對能耗的影響，主要包括原動機(jī)(電動機(jī))、皮帶、減速器及四連桿等因素[5]。電動機(jī)損耗主要包括銅損、鐵損、機(jī)械損耗和雜散損耗，與電機(jī)種類及負(fù)載率等因素有關(guān)；摩擦損失是其他地面設(shè)備的主要能損形式，一般占輸入能量的15%～20%。

井下因素指光桿懸繩器以下裝置對系統(tǒng)的影響，主要包括盤根盒、抽油桿、抽油泵等因素。摩擦損失也是盤根盒及抽油桿能耗的主要原因；抽油泵損失主要包括機(jī)械、容積和水力損耗，主要受泵充不滿和漏失的影響[6-7]。

管理因素指系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整不合理對系統(tǒng)能耗造成的影響，主要包括抽汲參數(shù)、平衡度以及設(shè)備保養(yǎng)等因素[8]。

2 有桿泵采油系統(tǒng)能耗模糊綜合評價(jià)模型的建立

所謂模糊數(shù)學(xué)就是在多個(gè)影響指標(biāo)(因素)制約下，對原來只能定性分析的事物進(jìn)行模糊綜合決斷，得到可量化評價(jià)結(jié)果的過程。因素集、評語集和權(quán)重集是模糊綜合評價(jià)的三個(gè)基本要素[9]。

2.1有桿泵采油系統(tǒng)能耗評價(jià)因素集

根據(jù)有桿泵采油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及能耗影響因素，得到能耗評價(jià)指標(biāo)體系(因素集)，從有桿泵采油系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)、機(jī)型匹配、電機(jī)匹配、傳動部件、井下及管理六個(gè)方面及其對應(yīng)的二級評價(jià)指標(biāo)對系統(tǒng)能耗狀況進(jìn)行模糊綜合評價(jià)。

各評價(jià)指標(biāo)內(nèi)部細(xì)化為其對應(yīng)的二級指標(biāo)，如表1所示。

2.2 有桿泵采油系統(tǒng)能耗評價(jià)評語集

評語集是對客觀事物優(yōu)劣的直觀體現(xiàn)，不同人對事物有著不同的觀點(diǎn)，也是一個(gè)模糊的概念。本文將有桿泵采油系統(tǒng)能耗評判等級V定義為4個(gè)等級，用V=[V1V2V3V4]=[優(yōu)良中差]來表示有桿泵采油系統(tǒng)能耗狀況[10]。

表1 有桿泵采油系統(tǒng)能耗評價(jià)因素集

等級的劃分是一種模糊的概念，為了更加明確的比較和表達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)劣，對評語集進(jìn)行量化處理，通過數(shù)值對應(yīng)相應(yīng)模糊評語，如表2所示。

表2 系統(tǒng)能耗等級表

2.3 有桿泵采油系統(tǒng)能耗評價(jià)隸屬度函數(shù)

確定評價(jià)因素集及評語集后，需要根據(jù)指標(biāo)特性以及被評價(jià)對象的實(shí)際情況，確定各評價(jià)指標(biāo)對評語集的隸屬度函數(shù)，準(zhǔn)確的構(gòu)造隸屬度函數(shù)是影響評價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確度的關(guān)鍵[11]。本文根據(jù)相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料和油田統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用梯形函數(shù)對各二級評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行隸屬度函數(shù)構(gòu)造。

2.3.1 偏大型梯形函數(shù) 偏大型梯形法分布如圖1所示。理論上系統(tǒng)效率、產(chǎn)液量、功率因數(shù)等評價(jià)指標(biāo)越大，表示系統(tǒng)越好，因此采用偏大型梯形構(gòu)造隸屬度函數(shù)。μi(x)(i=1,2,3,4)分別代表評價(jià)指標(biāo)值x對評價(jià)集{優(yōu)，良，中，差}的隸屬度函數(shù)，Xi(i=1,2,3,4)表示閾值。具體閾值見表3。

圖1 偏大型梯形法分布

Fig.1 Partial large trapezoidal distribution

表3 偏大型指標(biāo)閾值表

注：K為滲透度及泵掛深度對系統(tǒng)效率的影響系數(shù)[12]。

2.3.2 中間型梯形函數(shù) 中間型梯形法分布如圖2所示。理論上電機(jī)功率利用率和平衡度等評價(jià)指標(biāo)存在一定范圍內(nèi)的最優(yōu)值，采用中間型梯形構(gòu)造隸屬度函數(shù)。其中μi(x)(i=1,2,3,4)分別代表評價(jià)指標(biāo)對評價(jià)集{優(yōu)，良，中，差}的隸屬度函數(shù)，Xi(i=1,2,3,…,7,8)表示閾值。具體閾值見表4。

圖2 中間型梯形法分布圖

Fig.2 Intermediate trapezoid distribution

2.4 有桿泵采油系統(tǒng)能耗評價(jià)權(quán)重集

對于評價(jià)對象而言，每個(gè)評價(jià)指標(biāo)對其影響的程度不同，同時(shí)不同人所偏向的重點(diǎn)也不相同，所以需要確定各評價(jià)指標(biāo)對評價(jià)對象的權(quán)重集[13]。

2.4.1 一級指標(biāo)權(quán)重 層次分析法即考慮到人為因素對評價(jià)結(jié)果的正確影響，又應(yīng)用數(shù)學(xué)的方法減小了人為因素的不確定性，因此采用層次分析法(AHP)確定能耗評價(jià)一級指標(biāo)權(quán)重集W。

表4 中間型指標(biāo)閾值表

1) 構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)各指標(biāo)間的相互關(guān)系，按照判斷矩陣標(biāo)度構(gòu)造判斷矩陣D|ξij|,ξij表示指標(biāo)i對指標(biāo)j的重要程度，如ξ14=8表示經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比傳動部件指標(biāo)強(qiáng)烈重要，同時(shí)ξ14=1/8。

(1)

2) 計(jì)算權(quán)重集

(2)

(3)

3)驗(yàn)證權(quán)重集準(zhǔn)確性

通過計(jì)算判斷矩陣DW的最大特征根

(4)

(5)

最終計(jì)算指標(biāo)一致性比率

(6)

因此，權(quán)重集確定合理，并且從中可以看出經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)是影響系統(tǒng)能耗的主要因素，其次依次為電機(jī)匹配指標(biāo)、井下指標(biāo)等。式中，當(dāng)因素個(gè)數(shù)n=6時(shí)，RI=1.24。

2.4.2 二級指標(biāo)權(quán)重 專家評分法指利用專家經(jīng)驗(yàn)對各指標(biāo)賦權(quán)重的方法，此方法簡單、易于操作，在評價(jià)指標(biāo)較少的情況下可以充分發(fā)揮專家的知識、經(jīng)驗(yàn)，通過數(shù)學(xué)的方法綜合每位專家意見，得到的權(quán)重集，結(jié)果較為準(zhǔn)確。

本文中各一級指標(biāo)的二級指標(biāo)個(gè)數(shù)都較少，因此采用專家評分法。在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)以及參考油田測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過向?qū)Τ橛蜋C(jī)系統(tǒng)能耗較為了解且具有豐富教學(xué)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的中國石油大學(xué)(華東)石油工程系、能源與動力工程系、機(jī)械工程系等專業(yè)的專家、教授發(fā)放調(diào)查問卷的方式，統(tǒng)計(jì)調(diào)查問卷結(jié)果得到各一級指標(biāo)的二級指標(biāo)權(quán)重集：W1=[0.95 0.05],W2=[0.65 0.35],W3=[0.72 0.28],W4=1.00,W5=[0.74 0.26],W6=[0.65 0.25 0.10]。

$result = socket_listen($sock,4)or die(“socket_listen()fail:”.socket_strerror(socket_last_error()).“/n”);

2.5 模糊綜合評價(jià)

進(jìn)行模糊綜合評價(jià)首先根據(jù)各因素Ui與評語集中各元素Vj一一對應(yīng)的隸屬度rij，得到U到V的隸屬關(guān)系構(gòu)成模糊關(guān)系矩陣為Rn×m=|rij|。

已知二級權(quán)重，令Bi=WiRi，計(jì)算得到各一級評價(jià)指標(biāo)的評判集Bi，記B=[B1，B2，…，Bn]，則

(7)

已知一級評價(jià)指標(biāo)權(quán)重集W，則可得綜合評判集向量:

(8)

(9)

式中：y為模糊綜合評價(jià)分值；x為綜合評價(jià)等級轉(zhuǎn)化矩陣。

3 實(shí)例分析

應(yīng)用模糊綜合評價(jià)方法，以新疆油田紅五作業(yè)區(qū)某系統(tǒng)為例，對系統(tǒng)能耗進(jìn)行綜合評價(jià)。根據(jù)現(xiàn)場提供初始參數(shù)通過數(shù)學(xué)運(yùn)算得到系統(tǒng)能耗評價(jià)指標(biāo)各二級指標(biāo)值如表5所示。

表5 能耗評價(jià)二級指標(biāo)值

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

根據(jù)隸屬度最大原則對各二級指標(biāo)進(jìn)行單因素分析可以看出：該系統(tǒng)電機(jī)功率利用率、電機(jī)功率因數(shù)、沉沒度偏差度為差，平衡度為中，其他因素良好。分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)電機(jī)匹配不合理、平衡度差，可對該系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，如：通過改變電機(jī)接線方式或者更換電動機(jī)、及時(shí)調(diào)整平衡度等，但二級指標(biāo)的評價(jià)結(jié)果不能對該系統(tǒng)進(jìn)行整體的掌控及評比，需要進(jìn)一步進(jìn)行模糊評價(jià)。

已知二級指標(biāo)權(quán)重集Wi及模糊關(guān)系Ri，令Bi=WiRi，例如：

得到各評價(jià)一級評價(jià)指標(biāo)的評判集B=

[B1B2…B6]T如下：

(16)

將式(3)、式(16)代入式(8)計(jì)算得出綜合評判集向量：

(17)

(18)

查表2可以看出,該井系統(tǒng)能耗等級為三級，評價(jià)結(jié)果為中，經(jīng)過新疆油田現(xiàn)場人員及專家確認(rèn)，該系統(tǒng)電機(jī)的確存在異常情況，并長時(shí)間疏于管理，評價(jià)、分析結(jié)果準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

(1) 分析有桿泵采油系統(tǒng)能耗影響因素，建立了從整體到局部的系統(tǒng)能耗評價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確立了各評價(jià)指標(biāo)對評語集的隸屬度函數(shù)；應(yīng)用層次分析法及專家打分法分別對一二級各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重系數(shù)確定，建立了基于模糊數(shù)學(xué)的有桿泵采油系統(tǒng)能耗評價(jià)模型。

(2) 應(yīng)用該評價(jià)模型對新疆油田紅五作業(yè)區(qū)某系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例分析，評價(jià)結(jié)果表明該系統(tǒng)評價(jià)分值65.80，能耗等級為中。診斷認(rèn)為電機(jī)不匹配是導(dǎo)致能耗偏高的主要問題，同時(shí)平衡度差、管理水平低也是重要原因之一。

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(編輯 王亞新)

Energy Consumption Evaluation Method of Rod Pumping System Based on Fuzzy Mathematics

Li Wei1, Zhou Yong2, Xue Xingchang2, Ma Tao3, Guo Longjiang1, Li Songyan1, Li Zhaomin1

(1.ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),QingdaoShandong266580,China；2.PetroChinaXinjiangOilfieldCompany,KaramayXinjiang834000,China；3.ChinaPetroleumandNaturalGasPipelineBureau,LangfangHebei065000,China)

The traditional rod pumping unit with high share and low efficiency is still dominant in the energy consumption of oilfield, thus, the accurate evaluation of rod pumping unit energy consumption is significance to guide oilfield energy saving. Based on fuzzy mathematic theory and combined with the related standard, evaluation index system of energy consumption is established. Then, rod pumping unit energy consumption fuzzy evaluation model is set up by calculating index weight and membership function. The well of Xinjiang Oilfield is chosen for example analysis. The results show that the motor is not match and out of balance. The field specialist shows that the valuation model is comprehensive and accurate.

Fuzzy math； Pumping unit； Energy consumption evaluation； Analytic hierarchy process

1006-396X(2015)06-0039-05

2015-07-20

2015-08-17

國家科技重大專項(xiàng)課題(2011ZX05032-001)；國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2009AA06Z205)；中國石油低碳關(guān)鍵技術(shù)重大專項(xiàng)(2011E240)。

李威(1992-)，男，碩士研究生，從事熱能工程方向的研究；E-mail：upcliwei@126.com。

李兆敏(1965-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事采油工程方面的研究；E-mail：lizhm@upc.edu.cn。

TE345

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.06.008