基于宏觀控制圖的能耗評(píng)價(jià)與工況分析方法

薛良玉（中國(guó)石油華北油田分公司二連分公司）

1 相關(guān)性分析

泵效宏觀控制圖反映的是地層供液能力與抽油系統(tǒng)排液能力的匹配情況，可進(jìn)行油井工況診斷和指導(dǎo)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，能夠從井筒到地面較為全面地指導(dǎo)采油系統(tǒng)優(yōu)化工作，提升管理水平[1]。根據(jù)阿爾低滲透油田生產(chǎn)特點(diǎn)，應(yīng)用分組分析、線性回歸等多種大數(shù)據(jù)挖掘方法[2-5]，結(jié)合能耗分析，優(yōu)化了泵效宏觀控制圖各邊界計(jì)算模型，改進(jìn)泵效宏觀控制圖圖版，探索出一種能夠全面、系統(tǒng)分析油井生產(chǎn)狀況的動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)。

泵效與產(chǎn)液、百米噸液耗電等均有密切聯(lián)系，通過(guò)散點(diǎn)矩陣分析可以看出，隨產(chǎn)液能力提升泵效呈現(xiàn)冪函數(shù)增長(zhǎng)；隨泵效增大，百米噸液耗電呈下降趨勢(shì)。泵效是指導(dǎo)采油系統(tǒng)優(yōu)化管理的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[5]。

2 泵效宏觀控制圖的繪制

常規(guī)泵效宏觀控制圖各邊界通常采用行標(biāo)劃分確定，針對(duì)不同油田其圖版也相對(duì)固定。通過(guò)能耗與泵效、沉沒(méi)度的趨勢(shì)擬合，散點(diǎn)矩陣等多種大數(shù)據(jù)挖掘方法來(lái)界定泵效宏觀控制圖的邊界值。

2.1 宏觀控制圖的構(gòu)成

利用統(tǒng)計(jì)回歸算法定出分界線，將繪圖區(qū)分為5 個(gè)區(qū)域：斷脫漏失區(qū)、參數(shù)偏小區(qū)、參數(shù)偏大區(qū)、合理區(qū)和待落實(shí)區(qū)[6]（圖1）。

圖1 宏觀控制圖示意圖

斷脫漏失區(qū)：泵效低，沉沒(méi)度高，主要是泵工作不正常所致；參數(shù)偏小區(qū)：泵效高，沉沒(méi)度高，主要是油井工作制度偏小所致；參數(shù)偏大區(qū)：沉沒(méi)度小、泵效低，主要是油層供液不足、抽汲參數(shù)偏大所致；合理區(qū)：泵工作良好，系統(tǒng)效率高；待落實(shí)區(qū)：泵效高，沉沒(méi)度低，主要是計(jì)量或測(cè)試資料有誤所致。

2.2 控制圖邊界線取值優(yōu)化

以阿爾油田實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，運(yùn)用能耗大數(shù)據(jù)散點(diǎn)矩陣分析方法，確定邊界取值的函數(shù)關(guān)系。

2.2.1 合理上下線（A、B 線）

管式泵泵效理論表達(dá)式為[7]：

由此推導(dǎo)出泵效與沉沒(méi)度的關(guān)系公式：

式中： η泵——泵效，%；

η沖程損失——沖程損失對(duì)泵效的影響系數(shù)，%；

η充滿程度——泵的充滿程度，%；

η漏失量——泵漏失對(duì)泵效的影響，%；

η余隙體積——余隙體積對(duì)泵效的影響，%；

D——泵直徑，mm；

ρ——混合液密度，g/cm3；

L——下泵深度，m；

ES——鋼的彈性系數(shù)；

R——原油溶解系數(shù)；

P沉——沉沒(méi)壓力，MPa；

d——抽油桿直徑，mm；

S——沖程，m；

B——綜合影響系數(shù)，%；

C ——?dú)庖罕取?/p>

利用泵效與沉沒(méi)度的關(guān)系公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)線，在標(biāo)準(zhǔn)線的基礎(chǔ)上上移和下移得到A 線（系數(shù)1.7～2.5） 和 B 線 （ 系 數(shù) 0.4～0.6）。 求 得： A 線Psw=0.178 5×1.025 6ηs；B線Psw=0.028 56×1.025 6ηs。其中， Psw為視流壓，MPa； ηs為泵效，%。

2.2.2 供液能力線（C、D 線）

利用分組統(tǒng)計(jì)和散點(diǎn)矩陣趨勢(shì)線大數(shù)據(jù)分析方法，每50 m 沉沒(méi)度為1 個(gè)梯度，繪制出沉沒(méi)度與百米噸液耗電量的關(guān)系曲線（圖2）。圖中可看出沉沒(méi)度過(guò)低（小于50 m）或過(guò)高（大于300 m），能耗值均較高，由此可得出阿爾油田合理沉沒(méi)度范圍為100～300 m。

圖2 百米噸液耗電與沉沒(méi)度的散點(diǎn)矩陣圖

根據(jù)下列公式計(jì)算得：D 線為0.18 MPa，C 線為0.28 MPa。視流壓計(jì)算公式為：

式中： Pwf——目前井底流壓，MPa；

Psw——視流壓，MPa；

Hm——油層中部深度，m；

Hp——泵深，m；

Hf——?jiǎng)右好?，m；

r0——原油相對(duì)密度，無(wú)量綱；

rm——混合液相對(duì)密度，無(wú)量綱；

Pc——套壓，MPa。

2.2.3 泵效低限（E 線）

從散點(diǎn)圖趨勢(shì)線（圖3）可以看出泵效與百米噸液耗電呈冪函數(shù)關(guān)系，隨著泵效的升高，百米噸液耗電下降。冪函數(shù)曲線存在1 個(gè)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)左側(cè)擬合線斜率絕對(duì)值大于右側(cè)，代表左側(cè)油井泵效每提高1 個(gè)百分點(diǎn)，百米噸液耗電量下降幅度遠(yuǎn)大于右側(cè)，因此優(yōu)先選取拐點(diǎn)左側(cè)單井進(jìn)行泵效改善，對(duì)降低能耗起到事半功倍的效果。拐點(diǎn)的確定方法是對(duì)冪函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)，當(dāng)f′(x)=-1 時(shí)，求得該拐點(diǎn)處泵效為6.2%，此時(shí)，左側(cè)散點(diǎn)擬合直線y =-1.491 6 x +16.971， 右側(cè)散點(diǎn)擬合直線y =-0.086 1 x+5.366 1。

圖3 泵效與百米噸液耗電的散點(diǎn)矩陣圖

2.2.4 泵效高限（F 線）

根據(jù)合理沉沒(méi)度范圍，若沉沒(méi)度大于300 m，此時(shí)泵供液充足，抽油機(jī)能耗不再隨著沉沒(méi)度的增加呈遞減趨勢(shì)，反而沉沒(méi)度越大，能耗越大。根據(jù)泵效與沉沒(méi)壓力計(jì)算公式（6）、（7），此時(shí)泵效為50%。根據(jù)以上理論編制成軟件，形成阿爾油田宏觀控制圖圖版。

3 軟件編制

3.1 程序結(jié)構(gòu)及流程

采用R 語(yǔ)言數(shù)據(jù)分析工具完成宏觀控制圖的繪制，該工具涵蓋R 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、函數(shù)與優(yōu)化、抽象模擬、統(tǒng)計(jì)分析、假設(shè)檢驗(yàn)、回歸分析和統(tǒng)計(jì)繪圖等功能[8]。

系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，支持主流操作系統(tǒng)、跨平臺(tái)部署、主流瀏覽器、CSS3 及HTML5。系統(tǒng)架構(gòu)采用層次化、模塊化、組件化和服務(wù)化的設(shè)計(jì)，能夠?yàn)槠渌到y(tǒng)提供基于Json 的訪問(wèn)查詢接口，便于智慧員工等系統(tǒng)的集成，宏觀控制圖版繪制流程見(jiàn)圖4。

圖4 宏觀控制圖版繪制流程

3.2 主要功能

1）按月度自動(dòng)繪制，可查看歷史數(shù)據(jù)。

2）各界限均可進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，更加符合油田實(shí)際生產(chǎn)情況。

3）可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各區(qū)域油井井?dāng)?shù)及井號(hào)，成果輸出匯總。

4）點(diǎn)擊圖中散點(diǎn)可顯示井號(hào)、泵效、視流壓等相關(guān)參數(shù)。

5）統(tǒng)計(jì)并顯示未參與計(jì)算井的井號(hào)。

4 應(yīng)用實(shí)例

圖5 阿爾油田2016 年6 月宏觀控制圖

導(dǎo)入阿爾油田2016 年6 月數(shù)據(jù)，可自動(dòng)生成宏觀控制圖（圖5）。圖中共統(tǒng)計(jì)井?dāng)?shù)204 口，其中合理區(qū)88 口，參數(shù)偏大井83 口，漏失井12 口，參數(shù)偏小井10 口，待落實(shí)區(qū)11 口。指導(dǎo)阿爾油田開(kāi)展參數(shù)優(yōu)化，實(shí)施間抽、換小泵、檢泵、洗井、碰泵等措施，實(shí)施后泵效由24.2%上升到26.6%，提升2.4 個(gè)百分點(diǎn)，百米噸液耗電下降了0.13 kWh，日節(jié)電2 100 kWh。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）運(yùn)用散點(diǎn)矩陣、相關(guān)性分析等方法，確定了泵效與能耗之間的定量關(guān)系。

2）以能耗控制為目標(biāo)，界定了泵效、沉沒(méi)度的邊界值，提高了泵效宏觀控制圖在不同油田應(yīng)用的針對(duì)性。

3） 采用R 語(yǔ)言分析工具，自動(dòng)計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)、繪制控制圖版，使能耗分析工作更加簡(jiǎn)單、直觀。

4）通過(guò)此方法，后續(xù)可開(kāi)展螺桿泵井泵效控制圖、系統(tǒng)效率宏觀控制圖的研究繪制，有利于擴(kuò)大成果的適用面。