大數(shù)據(jù)技術(shù)在功圖計(jì)產(chǎn)方面的應(yīng)用研究

鄧 濤，姬宗江，李進(jìn)雅，楊 磊，瑪麗亞，陳攀東

（1.新疆油田采油二廠,新疆 克拉瑪依 834008；2.四川鴻韻科技有限公司，成都 610000）

0 引言

油井生產(chǎn)中建立功圖計(jì)產(chǎn)系統(tǒng)是數(shù)字化建設(shè)的重要內(nèi)容，可以推進(jìn)計(jì)量方式變革創(chuàng)新，獲取更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)果。伴隨著應(yīng)用油井?dāng)?shù)量增加，在功圖計(jì)產(chǎn)中大力推廣應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)有助于優(yōu)化生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、采集和處理，挖掘有價(jià)值的信息指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)管理和油井生產(chǎn)，在提升產(chǎn)能的同時(shí)最大限度降低建設(shè)和運(yùn)行成本。為了發(fā)揮更加積極的效應(yīng)和功圖計(jì)產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，油井生產(chǎn)中應(yīng)積極引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，推動(dòng)軟硬件維護(hù)和完善，從海量數(shù)據(jù)中深層次挖掘有價(jià)值的信息，在提升數(shù)據(jù)更新的及時(shí)性和準(zhǔn)確性的同時(shí)指導(dǎo)后續(xù)油井生產(chǎn)活動(dòng)高效進(jìn)行。因此，新時(shí)期積極推動(dòng)大數(shù)據(jù)技術(shù)和功圖計(jì)產(chǎn)融合是必然選擇，對(duì)于后續(xù)油井生產(chǎn)和管理工作開展具有積極的參考價(jià)值。

1 功圖計(jì)產(chǎn)計(jì)數(shù)原理和構(gòu)成

功圖計(jì)產(chǎn)是基于抽油系統(tǒng)有桿泵施工圖，將定向井有桿泵抽油系統(tǒng)作為三維振動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)較為復(fù)雜，在一定初始條件、邊界條件基礎(chǔ)上構(gòu)建的有桿泵抽油系統(tǒng)力學(xué)模型，基于有限元方法來實(shí)現(xiàn)。通過模型可以計(jì)算系統(tǒng)不同井口示功圖下的泵功圖響應(yīng)，深入分析后選擇多邊形逼近法、適量特征法來精準(zhǔn)識(shí)別沖程，計(jì)算出油井有效排量。油井功圖計(jì)產(chǎn)選擇有效沖程法的計(jì)算公式如下：

式（1）中，

A

是泵柱塞橫截面積，

n

是沖次，

S

是有效沖程，

B

是原油體積系數(shù)。式（2）中，

Q

是采集第

m

張功圖工況恒定，持續(xù)

T

時(shí)間的產(chǎn)液量。通過采集示功圖數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，獲取泵功圖得到有效沖程

S

后，即可計(jì)算得到精準(zhǔn)的產(chǎn)液量

Q

。

系統(tǒng)基于B/S 結(jié)構(gòu)和C/S 結(jié)構(gòu)，包括前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)庫、站點(diǎn)客戶端、Web 發(fā)布服務(wù)器等部分。系統(tǒng)各部分按照分布式協(xié)調(diào)處理方式運(yùn)行，基于前端數(shù)據(jù)采集計(jì)算分析，將處理后的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，并通過網(wǎng)頁服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

2 功圖計(jì)產(chǎn)的影響因素

基于功圖計(jì)產(chǎn)公式進(jìn)行分析，計(jì)量精度會(huì)受到有效沖程、沖次、泵徑功圖采集張數(shù)及原油體積系數(shù)等因素影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差較大。具體影響因素如下：①泵徑，誤差在23%～84%范圍內(nèi)；②沖程，誤差在16.6%～150%范圍內(nèi)；③抽杠桿材料；④抽油機(jī)型號(hào)，誤差為5%；⑤沖次，誤差在5%左右；⑥精神數(shù)據(jù)和有關(guān)規(guī)格，原油物性及原油密度等因素。

3 功圖計(jì)產(chǎn)中大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的注意要點(diǎn)和應(yīng)對(duì)措施

3.1 注意要點(diǎn)

3.1.1 硬件容易出現(xiàn)故障，信號(hào)失真

功圖計(jì)產(chǎn)選擇載荷與位移傳感器，使用較為頻繁，因此故障率較高，信號(hào)容易漂移，一定程度上影響到設(shè)備的使用壽命。載荷和位移傳感器出現(xiàn)信號(hào)漂移，在施工圖載荷測(cè)試時(shí)增減趨勢(shì)明顯，最終計(jì)量結(jié)果精度大大下降，尤其是載荷傳感器是在抽油機(jī)方卡子處安裝的，隨著抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)，抽油機(jī)工作按照沖次5 次/分計(jì)算，每年的運(yùn)動(dòng)次數(shù)多達(dá)700 萬次，磨損程度較大。傳感器長期暴露在戶外環(huán)境下，受環(huán)境因素影響較大，一旦傳感器受損，則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)漂移，計(jì)量結(jié)果精準(zhǔn)度隨之下降。位移和載荷傳感器應(yīng)配備單獨(dú)的電源線，傳感器長時(shí)間運(yùn)動(dòng)，可能導(dǎo)致線纜老化、斷裂，尤其是在修井作業(yè)期間，傳感器損壞概率較高。當(dāng)前節(jié)能環(huán)保背景下，使用無線太陽能一體化載荷和位移傳感器，使得油泥污染問題較為嚴(yán)重，出現(xiàn)的供電不足現(xiàn)象則會(huì)影響到傳感器正常采集數(shù)據(jù)。

3.1.2 數(shù)據(jù)需要及時(shí)更新

功圖計(jì)產(chǎn)方面有大量的生產(chǎn)參數(shù)，應(yīng)及時(shí)更新油井參數(shù)信息，全面保障計(jì)量結(jié)果的精準(zhǔn)性。同時(shí)，應(yīng)保證輸入的油井節(jié)點(diǎn)號(hào)的精準(zhǔn)性，初始化沖程后會(huì)得到正確的計(jì)算結(jié)果。

3.1.3 功圖計(jì)產(chǎn)軟件有一定適用范圍

功圖計(jì)產(chǎn)所選擇的軟件要有一定適用范圍，對(duì)于卡泵、凡爾失靈、抽油桿斷脫、氣鎖等一級(jí)預(yù)警，不需要計(jì)算分析。對(duì)于油管上部滲漏和連抽帶噴等特殊油井，則不適宜選擇功圖計(jì)產(chǎn)。

3.2 應(yīng)對(duì)措施

3.2.1 提升硬件可維護(hù)性

為了獲取精準(zhǔn)可靠的結(jié)果，應(yīng)提高硬件的可維護(hù)性，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。①系統(tǒng)故障診斷修正?？焖贆z測(cè)和定位故障位置，結(jié)合不同故障類型選擇對(duì)應(yīng)解決方法，提升系統(tǒng)可維護(hù)性。通過上位機(jī)周期性故障檢測(cè)信號(hào)發(fā)送，示功儀自動(dòng)檢測(cè)和反饋。適當(dāng)修正和調(diào)整漂移信號(hào)，盡可能減少維護(hù)工作量。②儀表診斷。示功儀自動(dòng)診斷，基于自我診斷模型，一旦發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)，如施工圖測(cè)試數(shù)據(jù)丟失、傳感器載荷漂移，就快速自動(dòng)檢測(cè)故障，并發(fā)出預(yù)警信號(hào)。特殊工況下載荷跳變?cè)\斷，上位機(jī)診斷工況，設(shè)置故障過濾，井況恢復(fù)正常后即可解除過濾。③載荷傳感器在線標(biāo)定，免于拆卸。如果載荷傳感器測(cè)量誤差較大，誤差超過5%，多選擇人工拆卸設(shè)備的方式，然后實(shí)驗(yàn)室內(nèi)借助壓力模擬機(jī)標(biāo)定，此種方式消耗的時(shí)間和精力較大，油井正常的生產(chǎn)活動(dòng)也會(huì)受到不同程度的影響。基于在線標(biāo)定技術(shù)，可以免去人工煩瑣拆卸環(huán)節(jié)，標(biāo)定時(shí)間縮短到10 分鐘以內(nèi)。

3.2.2 提升軟件適用性

提升軟件適用性可以從以下幾點(diǎn)入手。①深入研究原油體積系數(shù)影響因素、計(jì)算方法。②加強(qiáng)油井桿液黏滯摩阻力研究分析。③加強(qiáng)數(shù)據(jù)完整性研究。警示過期輸入數(shù)據(jù)，未能及時(shí)更新的數(shù)據(jù)信息定期分級(jí)預(yù)警，為后續(xù)數(shù)據(jù)維護(hù)管理提供支持；矛盾輸入數(shù)據(jù)預(yù)警，及時(shí)分析和處理；錄入數(shù)據(jù)時(shí)提供預(yù)警，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤指導(dǎo)改正；A2 數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)導(dǎo)入油、含稅和動(dòng)液面等數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，也要推動(dòng)軟件定期更新完善，豐富數(shù)據(jù)對(duì)比和數(shù)據(jù)挖掘功能，提供模型優(yōu)化數(shù)據(jù)。保證基礎(chǔ)資料精準(zhǔn)、完整，完成實(shí)測(cè)供圖對(duì)比的油井，將對(duì)比數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，獲取有價(jià)值的信息來調(diào)整油井生產(chǎn)工作。

4 功圖計(jì)產(chǎn)中大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用

功圖計(jì)產(chǎn)中大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要，對(duì)于油井生產(chǎn)中所產(chǎn)生的大規(guī)模、多類型的數(shù)據(jù)信息，可以發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從海量信息中提取有價(jià)值的信息，創(chuàng)新性地將數(shù)據(jù)庫技術(shù)、統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)和人工智能技術(shù)整合在一起。依托于油井工況、動(dòng)態(tài)分析及功圖計(jì)產(chǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、轉(zhuǎn)換和挖掘利用，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)分析深度，并組織動(dòng)液面計(jì)算，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行效率，區(qū)塊動(dòng)態(tài)分析。從油井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用效果可知，在滿足現(xiàn)場(chǎng)管理工作需要的同時(shí)，其能最大限度減少整體生產(chǎn)成本和資源損耗，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 井下泵示功圖計(jì)算動(dòng)液面

功圖計(jì)產(chǎn)中應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，發(fā)揮大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘作用，從海量數(shù)據(jù)中挖掘有價(jià)值的信息。在大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下，可以收集完整的油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、集成、轉(zhuǎn)換、挖掘應(yīng)用，功圖系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步深化，基于井下泵示功圖計(jì)算動(dòng)液面，整合動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)，將抽油泵沉沒壓力作為節(jié)點(diǎn)，并選擇油套環(huán)空壓力狀態(tài)和有關(guān)內(nèi)外桿柱受力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)泵沉沒壓力分別計(jì)算，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建專門的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡方程，精準(zhǔn)計(jì)算動(dòng)液面。在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)泵示功圖基礎(chǔ)上，可以有效規(guī)避抽油桿柱變形、振動(dòng)、慣性以及桿柱黏滯阻力等因素的不良影響。計(jì)算動(dòng)液面的公式如下：

式（3）中，

F

是固定法開啟平衡載荷，

F

是游定閥開啟平衡載荷，

f

是柱塞和泵筒之間的摩擦力，

f

是泵柱塞界面劑，Δ

p

是固定閥過閥壓降，Δ

p

是游動(dòng)閥過閥壓降，

P

是油套球空上部氣柱對(duì)動(dòng)液面壓力，

L

是動(dòng)液面深度，

P

是泵沉沒壓力，

ρ

是液體密度。按照公式來說，合計(jì)油井動(dòng)液面計(jì)算模塊嵌入到油井功圖計(jì)產(chǎn)系統(tǒng)中，可以在人機(jī)交互界面直觀顯示單井信息。

4.2 基于電參數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)抽油機(jī)系統(tǒng)

油田數(shù)字化前端采集油井電參數(shù)，這一指標(biāo)主要用于抽油機(jī)運(yùn)行工況判斷和分析。抽油機(jī)電參數(shù)和功圖計(jì)產(chǎn)結(jié)果輸入到系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)功能，但需要同步采集各個(gè)沖程內(nèi)電參和功圖數(shù)據(jù)。建立統(tǒng)一信息存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，改善數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)手段，統(tǒng)一存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)誤差不超過2%，可以滿足實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和發(fā)布需要，相較于傳統(tǒng)人工測(cè)試方式效率更高，工作量更少，成本更低，為后續(xù)的系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)提供支持。

4.3 區(qū)塊動(dòng)態(tài)分析

油井生產(chǎn)活動(dòng)持續(xù)進(jìn)行，相應(yīng)地會(huì)連續(xù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息，此類信息主要用于油井生產(chǎn)工況和產(chǎn)業(yè)量計(jì)算分析，探究如何借助此類數(shù)據(jù)源來反饋油井生產(chǎn)壓力、產(chǎn)量與地下水位變化規(guī)律等信息。功圖計(jì)產(chǎn)系統(tǒng)中融合大數(shù)據(jù)技術(shù)，加強(qiáng)區(qū)塊動(dòng)態(tài)分析，統(tǒng)計(jì)分析油井相關(guān)數(shù)據(jù)信息，按照對(duì)應(yīng)模板來智能化分析工業(yè)能力、設(shè)備故障和產(chǎn)量等問題，獲取可靠的信息，指導(dǎo)油井生產(chǎn)活動(dòng)順利進(jìn)行，滿足精細(xì)化管理需要。通過區(qū)塊動(dòng)態(tài)分析，可以實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)中區(qū)塊共性問題提煉和分析，遵循預(yù)設(shè)模板進(jìn)行產(chǎn)量分析、供液能力分析和故障分析，動(dòng)態(tài)分析下優(yōu)化油井生產(chǎn)管理工作，落實(shí)精細(xì)化管理模式，為后續(xù)的管理和決策提供支持。

功圖計(jì)產(chǎn)中大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，在實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)功能也得到了延伸拓展，有助于提高油田數(shù)字化前端系統(tǒng)的核心地位。但是，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用也要規(guī)范數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，提升數(shù)據(jù)挖掘效率，加大數(shù)據(jù)信息審核力度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類型和諧統(tǒng)一，保障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)質(zhì)量；數(shù)據(jù)挖掘中，借助可視化工具來支持各項(xiàng)工作開展，提升數(shù)據(jù)可視化效果，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘全過程可視化，滿足現(xiàn)場(chǎng)管理需要。另外，也要注重?cái)?shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)和算法的合理掌控，盡可能少走不必要的彎路，并且充分結(jié)合石油專業(yè)相關(guān)知識(shí)，尋找更適合石油企業(yè)實(shí)際情況的數(shù)據(jù)挖掘方法。通過此種方式，實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)和智能化管理，切實(shí)提升企業(yè)的核心競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)，謀求可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)語

在功圖計(jì)產(chǎn)中融合大數(shù)據(jù)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息高效采集、存儲(chǔ)和分析，在海量數(shù)據(jù)信息中挖掘有價(jià)值的信息，為油井現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、管理提供支持，提升精細(xì)化管理水平，盡可能降低工作量和工作成本。