基于宏观控制图的能耗评价与工况分析方法

薛良玉（中国石油华北油田分公司二连分公司）

1 相关性分析

泵效宏观控制图反映的是地层供液能力与抽油系统排液能力的匹配情况，可进行油井工况诊断和指导参数优化调整，能够从井筒到地面较为全面地指导采油系统优化工作，提升管理水平[1]。根据阿尔低渗透油田生产特点，应用分组分析、线性回归等多种大数据挖掘方法[2-5]，结合能耗分析，优化了泵效宏观控制图各边界计算模型，改进泵效宏观控制图图版，探索出一种能够全面、系统分析油井生产状况的动态管理系统。

泵效与产液、百米吨液耗电等均有密切联系，通过散点矩阵分析可以看出，随产液能力提升泵效呈现幂函数增长；随泵效增大，百米吨液耗电呈下降趋势。泵效是指导采油系统优化管理的一项关键技术指标[5]。

2 泵效宏观控制图的绘制

常规泵效宏观控制图各边界通常采用行标划分确定，针对不同油田其图版也相对固定。通过能耗与泵效、沉没度的趋势拟合，散点矩阵等多种大数据挖掘方法来界定泵效宏观控制图的边界值。

2.1 宏观控制图的构成

利用统计回归算法定出分界线，将绘图区分为5 个区域：断脱漏失区、参数偏小区、参数偏大区、合理区和待落实区[6]（图1）。

图1 宏观控制图示意图

断脱漏失区：泵效低，沉没度高，主要是泵工作不正常所致；参数偏小区：泵效高，沉没度高，主要是油井工作制度偏小所致；参数偏大区：沉没度小、泵效低，主要是油层供液不足、抽汲参数偏大所致；合理区：泵工作良好，系统效率高；待落实区：泵效高，沉没度低，主要是计量或测试资料有误所致。

2.2 控制图边界线取值优化

以阿尔油田实测数据为例，运用能耗大数据散点矩阵分析方法，确定边界取值的函数关系。

2.2.1 合理上下线（A、B 线）

管式泵泵效理论表达式为[7]：

由此推导出泵效与沉没度的关系公式：

式中： η泵——泵效，%；

η冲程损失——冲程损失对泵效的影响系数，%；

η充满程度——泵的充满程度，%；

η漏失量——泵漏失对泵效的影响，%；

η余隙体积——余隙体积对泵效的影响，%；

D——泵直径，mm；

ρ——混合液密度，g/cm3；

L——下泵深度，m；

ES——钢的弹性系数；

R——原油溶解系数；

P沉——沉没压力，MPa；

d——抽油杆直径，mm；

S——冲程，m；

B——综合影响系数，%；

C ——气液比。

利用泵效与沉没度的关系公式计算标准线，在标准线的基础上上移和下移得到A 线（系数1.7～2.5） 和 B 线 （ 系 数 0.4～0.6）。 求 得： A 线Psw=0.178 5×1.025 6ηs；B线Psw=0.028 56×1.025 6ηs。其中， Psw为视流压，MPa； ηs为泵效，%。

2.2.2 供液能力线（C、D 线）

利用分组统计和散点矩阵趋势线大数据分析方法，每50 m 沉没度为1 个梯度，绘制出沉没度与百米吨液耗电量的关系曲线（图2）。图中可看出沉没度过低（小于50 m）或过高（大于300 m），能耗值均较高，由此可得出阿尔油田合理沉没度范围为100～300 m。

图2 百米吨液耗电与沉没度的散点矩阵图

根据下列公式计算得：D 线为0.18 MPa，C 线为0.28 MPa。视流压计算公式为：

式中： Pwf——目前井底流压，MPa；

Psw——视流压，MPa；

Hm——油层中部深度，m；

Hp——泵深，m；

Hf——动液面，m；

r0——原油相对密度，无量纲；

rm——混合液相对密度，无量纲；

Pc——套压，MPa。

2.2.3 泵效低限（E 线）

从散点图趋势线（图3）可以看出泵效与百米吨液耗电呈幂函数关系，随着泵效的升高，百米吨液耗电下降。幂函数曲线存在1 个拐点，拐点左侧拟合线斜率绝对值大于右侧，代表左侧油井泵效每提高1 个百分点，百米吨液耗电量下降幅度远大于右侧，因此优先选取拐点左侧单井进行泵效改善，对降低能耗起到事半功倍的效果。拐点的确定方法是对幂函数求一阶导数，当f′(x)=-1 时，求得该拐点处泵效为6.2%，此时，左侧散点拟合直线y =-1.491 6 x +16.971， 右侧散点拟合直线y =-0.086 1 x+5.366 1。

图3 泵效与百米吨液耗电的散点矩阵图

2.2.4 泵效高限（F 线）

根据合理沉没度范围，若沉没度大于300 m，此时泵供液充足，抽油机能耗不再随着沉没度的增加呈递减趋势，反而沉没度越大，能耗越大。根据泵效与沉没压力计算公式（6）、（7），此时泵效为50%。根据以上理论编制成软件，形成阿尔油田宏观控制图图版。

3 软件编制

3.1 程序结构及流程

采用R 语言数据分析工具完成宏观控制图的绘制，该工具涵盖R 数据结构、函数与优化、抽象模拟、统计分析、假设检验、回归分析和统计绘图等功能[8]。

系统采用B/S 架构，支持主流操作系统、跨平台部署、主流浏览器、CSS3 及HTML5。系统架构采用层次化、模块化、组件化和服务化的设计，能够为其他系统提供基于Json 的访问查询接口，便于智慧员工等系统的集成，宏观控制图版绘制流程见图4。

图4 宏观控制图版绘制流程

3.2 主要功能

1）按月度自动绘制，可查看历史数据。

2）各界限均可进行动态调整，更加符合油田实际生产情况。

3）可自动统计各区域油井井数及井号，成果输出汇总。

4）点击图中散点可显示井号、泵效、视流压等相关参数。

5）统计并显示未参与计算井的井号。

4 应用实例

图5 阿尔油田2016 年6 月宏观控制图

导入阿尔油田2016 年6 月数据，可自动生成宏观控制图（图5）。图中共统计井数204 口，其中合理区88 口，参数偏大井83 口，漏失井12 口，参数偏小井10 口，待落实区11 口。指导阿尔油田开展参数优化，实施间抽、换小泵、检泵、洗井、碰泵等措施，实施后泵效由24.2%上升到26.6%，提升2.4 个百分点，百米吨液耗电下降了0.13 kWh，日节电2 100 kWh。

5 结论与认识

1）运用散点矩阵、相关性分析等方法，确定了泵效与能耗之间的定量关系。

2）以能耗控制为目标，界定了泵效、沉没度的边界值，提高了泵效宏观控制图在不同油田应用的针对性。

3） 采用R 语言分析工具，自动计算各项参数、绘制控制图版，使能耗分析工作更加简单、直观。

4）通过此方法，后续可开展螺杆泵井泵效控制图、系统效率宏观控制图的研究绘制，有利于扩大成果的适用面。