基于夢(mèng)想云的油井能耗分析微服務(wù)應(yīng)用研究

高忠獻(xiàn)，朱瑞彬，崔健光，劉春海，陳軍政，王 靜，王進(jìn)修

1.華北油田公司工程技術(shù)研究院，河北任丘062552

2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北分公司，河北任丘062552

3.華北油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北任丘062552

油氣開(kāi)采會(huì)消耗巨大的電能，降低能耗不僅可以降本增效，而且有利于減排和環(huán)保。油氣開(kāi)采主要借助于油井機(jī)械采油系統(tǒng)，油井機(jī)械采油系統(tǒng)包括有桿泵采油系統(tǒng)和無(wú)桿泵采油系統(tǒng)，這里主要指有桿泵采油系統(tǒng)，如油梁式抽油機(jī)[1-2]。油井機(jī)械采油系統(tǒng)運(yùn)行狀況決定了其能效，且與油井能耗直接相關(guān)[3]，目前通常是人工查看油井工況和電能表，匯總后交由技術(shù)部門分析，對(duì)高能耗井作出調(diào)參指令，并調(diào)整油井電加熱間開(kāi)工作制度，使抽油機(jī)處于高效率的工作狀態(tài)，以此降低油井能耗。由于這一過(guò)程均為人工參與，存在油井能耗監(jiān)測(cè)不及時(shí)、數(shù)據(jù)失真、調(diào)參量過(guò)多依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)等問(wèn)題。

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)夢(mèng)想云系統(tǒng)、油氣水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（中石油A2 項(xiàng)目） 及油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（中石油A11 項(xiàng)目） 的廣泛開(kāi)展，油田企業(yè)對(duì)油井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的感知與數(shù)據(jù)整合能力迅速增強(qiáng)，為高效、快速、智能地進(jìn)行油井節(jié)能降耗管理提供了技術(shù)契機(jī)。

1 夢(mèng)想云微服務(wù)

本文介紹的夢(mèng)想云是指中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)夢(mèng)想云系統(tǒng)，該系統(tǒng)是為消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)勘探開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，提升上游業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)能力，而集科研、生產(chǎn)、管理于一體的統(tǒng)一共享平臺(tái)，平臺(tái)架構(gòu)如圖1 所示[4]。

該平臺(tái)基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)、統(tǒng)一技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)油氣勘探、開(kāi)發(fā)生產(chǎn)、協(xié)同研究（A6）、經(jīng)營(yíng)管理、安全環(huán)保及大數(shù)據(jù)分析等集成應(yīng)用。

依托夢(mèng)想云強(qiáng)大的數(shù)據(jù)資源與處理能力，針對(duì)油井節(jié)能降耗應(yīng)用，制定微服務(wù)目標(biāo)：設(shè)計(jì)一個(gè)基于夢(mèng)想云平臺(tái)的油井能耗分析系統(tǒng)，通過(guò)夢(mèng)想云平臺(tái)讀取油井能耗數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)抽油機(jī)運(yùn)行狀況，運(yùn)用能耗對(duì)標(biāo)的方法找出能耗超標(biāo)的井，診斷能耗超標(biāo)原因，并給出優(yōu)化建議[4-5]。通過(guò)對(duì)單井能耗進(jìn)行有效管理，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 油井能耗分析微服務(wù)系統(tǒng)

2.1 油井能耗分析微服務(wù)結(jié)構(gòu)

能效對(duì)標(biāo)是能耗分析的常用方法，該方法直觀清晰，易于理解。根據(jù)中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司能源管控技術(shù)規(guī)范，機(jī)械采油系統(tǒng)能效對(duì)標(biāo)因素主要包括抽油機(jī)平衡率、電機(jī)功率因數(shù)、電機(jī)效率、噸液百米耗電[6]。本文采用能耗參數(shù)縱向?qū)?biāo)方式，即針對(duì)油井單井主要能耗參數(shù)（抽油機(jī)電機(jī)及電加熱裝置總的有功功率、功率因數(shù)） 定期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并與其標(biāo)桿值和歷史數(shù)據(jù)對(duì)比分析，繪制環(huán)比曲線，篩選出油井工況較好時(shí)期下的主要操作條件，并作為參考。

為便于油井能耗分析，將比較因素約束在同一條件下，采用噸液百米耗電這一能效指標(biāo)，該指標(biāo)不受井深、產(chǎn)液量等因素影響，使油井能效變化過(guò)程及不同井間的比較更加清晰、合理[6]。油井噸液百米耗電計(jì)算公式為：

式中：Edybm為機(jī)械采油系統(tǒng)噸液百米耗電，kW·h/（t·100 m）；Ejcd為對(duì)標(biāo)周期內(nèi)機(jī)械采油系統(tǒng)用電量，kW·h；Qjc為對(duì)標(biāo)周期內(nèi)單井產(chǎn)液，t；Hjc為對(duì)標(biāo)周期內(nèi)單井機(jī)械采油有效揚(yáng)程（動(dòng)液面），m。

標(biāo)桿值作為能效比較與參考的依據(jù)，它的選擇在油井能耗分析中有著重要的作用，這里采用年噸液百米耗電量Eydybm作為單井能耗標(biāo)桿值。單井能耗標(biāo)桿值的設(shè)置，是通過(guò)讀取A2、A11 數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)參數(shù)后計(jì)算單井上一年的全年噸液百米耗電樣本值，并計(jì)算樣本平均值，當(dāng)樣本平均值大于60%以上的樣本值時(shí)，以略小于60%的樣本值為標(biāo)桿值；當(dāng)樣本平均值小于等于60%的樣本值時(shí)，以樣本平均值為標(biāo)桿值。

如圖2 所示，該系統(tǒng)采用B/S 結(jié)構(gòu)，服務(wù)器端依托夢(mèng)想云平臺(tái)，客戶端通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器端[7]?？蛻舳苏{(diào)用夢(mèng)想云油井能耗分析微服務(wù)系統(tǒng)查看油井能耗數(shù)據(jù)，設(shè)置超標(biāo)閾值[8]。服務(wù)器端計(jì)算單井能耗年標(biāo)桿值和噸液百米耗電，繪制油井能耗環(huán)比曲線，根據(jù)超標(biāo)閾值計(jì)算超標(biāo)指數(shù)，通過(guò)超標(biāo)指數(shù)判斷油井能耗是否超標(biāo)，如果能耗超標(biāo)則報(bào)警，通過(guò)分析油井能耗與產(chǎn)量、運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系，得出能耗超標(biāo)的原因，并給出降低能耗的方案與建議，使油井處于最優(yōu)能耗狀態(tài)。

圖2 油井能耗分析微服務(wù)結(jié)構(gòu)示意

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

上述系統(tǒng)功能主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，軟件架構(gòu)如圖3 所示，該云平臺(tái)微服務(wù)功能主要由單井能耗分析及建議模塊、能耗分析記錄模塊、獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制模塊及油井工況診斷微服務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)組成，其中油井工況診斷微服務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)模塊、油井工況診斷功能模塊、油井示功圖分析模塊構(gòu)成。

圖3 軟件系統(tǒng)架構(gòu)示意

（1） 單井能耗分析及建議模塊是該系統(tǒng)的核心部分，主要完成單井能耗標(biāo)桿值和噸液百米耗電的計(jì)算，繪制油井能耗環(huán)比曲線，計(jì)算超標(biāo)指數(shù)，判斷油井能耗是否超標(biāo)，分析能耗超標(biāo)的原因，給出降低能耗的建議[3]。

（2） 能耗分析記錄模塊是將噸液百米耗電、能耗判斷結(jié)果、超標(biāo)報(bào)警情況、降耗建議、現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題反饋存入數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄可由軟件查詢[8]。

（3） 獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制模塊通過(guò)統(tǒng)計(jì)能耗降低情況進(jìn)行降耗排名，促進(jìn)油井降耗管理。

（4） 油井工況診斷微服務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)功能包括：采集油井各項(xiàng)數(shù)據(jù)，為其他模塊提供計(jì)算參數(shù)；實(shí)時(shí)監(jiān)視油井運(yùn)行狀況，提供油井工況診斷結(jié)果，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在線率等；繪制油井示功圖，給出常見(jiàn)功圖樣本及說(shuō)明，協(xié)助分析油井工況。

2.2.1 單井能耗分析及建議模塊

該模塊根據(jù)單井能耗標(biāo)桿值進(jìn)行對(duì)標(biāo)，當(dāng)能耗高于對(duì)標(biāo)閾值時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信息，找出能耗有問(wèn)題的單井，在單井運(yùn)行數(shù)據(jù)的支持下，分析單井工況信息，找出能耗過(guò)高的原因。在確保油氣產(chǎn)量的前提下，以能耗最低為目標(biāo)，給出節(jié)能降耗建議，如調(diào)參、調(diào)平衡、原油降稠等[9]。為改善系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確性，需要現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員反饋降耗的真實(shí)過(guò)程與結(jié)果，通過(guò)豐富案例庫(kù)，不斷優(yōu)化算法。

系統(tǒng)依據(jù)超標(biāo)指數(shù)判斷能耗是否超標(biāo)，當(dāng)能耗等于或高于標(biāo)桿值時(shí)開(kāi)始計(jì)算超標(biāo)指數(shù)，當(dāng)超標(biāo)指數(shù)大于I 級(jí)閾值發(fā)出黃色報(bào)警，大于Ⅱ級(jí)閾值發(fā)出紅色嚴(yán)重報(bào)警。超標(biāo)指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：C 為超標(biāo)指數(shù)（C＞0）；Eddybm為日單井噸液百米耗電，kW·h/（t·100 m）；Eydybm為年單井噸液百米能耗標(biāo)桿值，kW·h/（t·100 m）。

單井能耗分析流程見(jiàn)圖4。首先，讀取單井上一年度歷史能耗相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)該數(shù)據(jù)計(jì)算出全年噸液百米耗電量樣本值，根據(jù)單井能耗標(biāo)桿值的設(shè)置規(guī)則計(jì)算出單井能耗標(biāo)桿值；為加強(qiáng)對(duì)比效果，計(jì)算上一年度日噸液百米耗電量與月噸液百米耗電量，為繪制環(huán)比曲線提供歷史數(shù)據(jù)。其次，讀取本年度每日能耗相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出日噸液百米耗電量與月噸液百米耗電量，繪制本年度日、月能效曲線及歷史能效曲線。最后，對(duì)本年日、月噸液百米耗電量與標(biāo)桿值進(jìn)行能效對(duì)標(biāo)，如果能效達(dá)標(biāo)則無(wú)需報(bào)警，否則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，并讀取油井工況信息，分析能效不達(dá)標(biāo)的原因，并給出降耗建議。系統(tǒng)有人工輸入接口，可以收集降耗執(zhí)行情況或反饋意見(jiàn)。

圖4 單井能耗分析流程

圖5 單井能耗環(huán)比曲線

2.2.2 能耗分析記錄模塊

該模塊主要是將單井運(yùn)維與能耗優(yōu)化過(guò)程存儲(chǔ)于夢(mèng)想云平臺(tái)，為降低能耗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，從而優(yōu)化系統(tǒng)分析功能。系統(tǒng)每天存儲(chǔ)一次日噸液百米耗電，當(dāng)噸液百米耗電量超出I 級(jí)閾值，系統(tǒng)發(fā)出黃色報(bào)警，鼠標(biāo)懸停在曲線某點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)向用戶顯示噸液百米耗電量和超標(biāo)指數(shù)。當(dāng)噸液百米耗電量超出Ⅱ級(jí)閾值，系統(tǒng)發(fā)出嚴(yán)重報(bào)警，同時(shí)分析能耗超標(biāo)原因作為報(bào)警事項(xiàng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，提供歷史查詢，記錄格式如表1 所示。

2.2.3 獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制模塊

為促進(jìn)節(jié)能降耗工作的開(kāi)展，建立節(jié)能降耗獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，對(duì)各單位油井能耗優(yōu)化效果及油井?dāng)?shù)據(jù)在線率進(jìn)行排名，為能耗降低幅度較大、油氣效益提升顯著、油井?dāng)?shù)據(jù)在線率高、解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題反饋及時(shí)的單位提供獎(jiǎng)勵(lì)依據(jù)，排名情況如圖6 所示。能耗降低幅度由單井月降耗指數(shù)來(lái)量化，降耗指數(shù)計(jì)算公式為：

表1 單井能耗分析記錄示例

式中：J 為降耗指數(shù)（J ＜0）；Emdybm為月噸液百米耗電，kW·h/（t·100 m）。

圖6 單井節(jié)能降耗排名示意

2.2.4 油井工況診斷微服務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)

如圖7 所示，該子系統(tǒng)通過(guò)云平臺(tái)數(shù)據(jù)接口采集油氣水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（A2） 及油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（A11）提供的油井運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)云平臺(tái)微服務(wù)判斷油井?dāng)?shù)字化設(shè)備是否在線，并分析油井工況[4]。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)、油井工況診斷、油井示功圖分析三個(gè)功能模塊，軟件架構(gòu)如圖3 所示。

圖7 油井工況診斷微服務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2.4.1 數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)模塊

油井?dāng)?shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)示意見(jiàn)圖8。采用A11 系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)判斷油井儀表狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)視油井儀表數(shù)據(jù)在線與完好情況，并作為油井在線情況的依據(jù)，數(shù)據(jù)保存至云平臺(tái)，便于儀表狀態(tài)分析及能耗異常狀況判斷。

圖8 油井?dāng)?shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)示意

2.2.4.2 油井工況診斷功能模塊

油井工況診斷功能結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖9。采用A2、A11 系統(tǒng)提供的油井?dāng)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)視油井工況，如溫度、壓力、電參量等，由此判斷抽油機(jī)井運(yùn)行健康狀況、皮帶斷脫情況，并給出維護(hù)建議。

圖9 油井工況診斷功能結(jié)構(gòu)示意

2.2.4.3 油井示功圖分析模塊

油井示功圖分析示意見(jiàn)圖10。油井示功圖可以反映油井多方面工作狀況[1]，云平臺(tái)示功圖分析模塊展示當(dāng)前油井示功圖，并提供各種工況下油井典型示功圖，也可查看歷史示功圖，幫助用戶分析油井工作狀況和能耗情況。

圖10 油井示功圖分析示意

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)基于夢(mèng)想云的油井能耗分析微服務(wù)應(yīng)用，將會(huì)為油井節(jié)能降耗管理及工況診斷帶來(lái)以下效果：

（1） 通過(guò)油井能效對(duì)標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)視油井能耗情況，根據(jù)油井工況數(shù)據(jù)和示功圖，分析能耗超標(biāo)原因，并給出節(jié)能建議。

（2） 通過(guò)油井降耗排名和油井?dāng)?shù)據(jù)在線情況統(tǒng)計(jì)，促進(jìn)油井節(jié)能降耗與運(yùn)維積極性。

（3） 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維情況的反饋，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決經(jīng)驗(yàn)的共享，存儲(chǔ)油井診斷與維護(hù)記錄，為油井大數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以保證系統(tǒng)優(yōu)化的可持續(xù)性。

通過(guò)石油夢(mèng)想云平臺(tái)將A2、A11 部分?jǐn)?shù)據(jù)整合，結(jié)合生產(chǎn)之需要，將微服務(wù)技術(shù)應(yīng)用于石油生產(chǎn)節(jié)能降耗領(lǐng)域，促進(jìn)原油開(kāi)采向著低能耗、高能效方向發(fā)展，進(jìn)而為創(chuàng)建綠色環(huán)保型企業(yè)提供技術(shù)支撐。