抽油機(jī)最優(yōu)懸點(diǎn)載荷利用率的判斷方法研究

朱治國(guó)（華北油田分公司第三采油廠）

1 現(xiàn)狀

在石油開(kāi)采過(guò)程中，抽油機(jī)是主要的采油設(shè)備，對(duì)于抽油機(jī)來(lái)說(shuō)，抽油機(jī)載荷利用率是決定抽油機(jī)井能耗水平高低的重要影響因素之一，抽油機(jī)載荷利用率是指抽油機(jī)實(shí)際懸點(diǎn)最大載荷與抽油機(jī)銘牌最大載荷之比。抽油機(jī)載荷利用率過(guò)高，容易造成抽油機(jī)使用壽命降低；抽油機(jī)載荷利用率過(guò)低，容易造成高耗能生產(chǎn)。為了降低抽油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的能耗，延長(zhǎng)抽油機(jī)的使用壽命，有必要對(duì)抽油機(jī)井的合理載荷利用率進(jìn)行優(yōu)化分析。

目前的研究主要集中在抽油機(jī)載荷利用率的影響因素上，例如，隨著沖程、沖速、動(dòng)液面、泵徑和泵掛深度的增加，抽油機(jī)載荷利用率成正比例線性增加，各項(xiàng)參數(shù)按照對(duì)抽油機(jī)載荷利用率的影響權(quán)重大小依次排序?yàn)椋簺_程、沖速、動(dòng)液面、泵徑和泵掛深度[1]。另外，合理的抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率對(duì)于抽油機(jī)選型也有重要的作用，有研究認(rèn)為目前的抽油機(jī)選型公式，由于各油田生產(chǎn)狀況的不同，需要對(duì)其進(jìn)行修正，以得到符合該油田的抽油機(jī)選型公式，在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上對(duì)公式進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了修正系數(shù)，用以指導(dǎo)抽油機(jī)選型，優(yōu)化后的公式準(zhǔn)確率提高了5%左右[2]。

2 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

大數(shù)據(jù)分析是指對(duì)海量多類(lèi)型、快增長(zhǎng)且內(nèi)容真實(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從中找出可以幫助決策的隱藏模式、未知的相關(guān)關(guān)系或其他有用信息的過(guò)程[3-4]。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)作為近年來(lái)的新技術(shù)，在很多領(lǐng)取取得了成功應(yīng)用，尤其在電子信息行業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，但是在石油行業(yè)，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)還沒(méi)有得到足夠的應(yīng)用，有部分研究學(xué)者將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用到石油工程領(lǐng)域，通過(guò)建立數(shù)據(jù)分析模型，保障了油田各項(xiàng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油井，甚至整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視，對(duì)提高油氣田產(chǎn)量具有重要意義。

與傳統(tǒng)的分析方法相比，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機(jī)的實(shí)際數(shù)據(jù)中，提取隱含其中的潛在應(yīng)用價(jià)值的信息和知識(shí)[5]。抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率是衡量抽油機(jī)是否運(yùn)行平穩(wěn)、節(jié)能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷過(guò)大，造成抽油機(jī)維修次數(shù)增加，抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷過(guò)小，將造成大馬拉小車(chē)的現(xiàn)場(chǎng)，增加生產(chǎn)能耗，因此合理的抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率在油井的正常生產(chǎn)中具有重要意義，此次分析是以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，確定抽油機(jī)最優(yōu)懸點(diǎn)載荷利用率，以實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能高效運(yùn)行。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是大數(shù)據(jù)分析的第一步，真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)有利于快速進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)采集了華北油田采油三廠近800余口油井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括井號(hào)、井?dāng)?shù)、電動(dòng)機(jī)負(fù)載率、抽油機(jī)載荷利用率、單井日耗電，并對(duì)其中明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得到可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的分析數(shù)據(jù)集。

3.2 數(shù)學(xué)分析

3.2.1 第一抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率的確定

對(duì)得到的分析數(shù)據(jù)集按電動(dòng)機(jī)負(fù)載率的不同由小至大進(jìn)行排序，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率相同的為一組，得到40組不同的數(shù)據(jù)，對(duì)所得40組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率與單井日耗電的二次多項(xiàng)式擬合，求出在定義域范圍內(nèi)的日耗電量最低時(shí)的抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率為抽油機(jī)在該電動(dòng)機(jī)負(fù)載率下的最優(yōu)懸點(diǎn)載荷利用率，稱之為第一抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率。

以電動(dòng)機(jī)負(fù)載率45%為例進(jìn)行說(shuō)明，建立直角坐標(biāo)系，以抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率為自變量，以單井日耗電量為因變量進(jìn)行散點(diǎn)圖繪制并進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，得到該組生產(chǎn)數(shù)據(jù)的二次多項(xiàng)式，如圖1所示。

圖1 抽油機(jī)載荷利用率如日耗電關(guān)系圖

對(duì)上述數(shù)學(xué)關(guān)系式 y=134.1x2-182.8x+385.3進(jìn)行一階求導(dǎo)，確定出在定義域范圍內(nèi)日耗電最低時(shí)的抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率為68.2%，稱之為第一抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率。按照類(lèi)似的方法對(duì)所得的40組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析，得出40組在各自電動(dòng)機(jī)負(fù)載率下的最優(yōu)抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率，具體數(shù)據(jù)如表1。

3.2.2 第二抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率的確定

上述得到的40組數(shù)據(jù)，明確了在特定的電動(dòng)機(jī)負(fù)載率下的油井合理的抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率，但是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于諸多原因，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率各不相同，因此為了針對(duì)所有油井確定一個(gè)可供參考的抽油機(jī)最優(yōu)先點(diǎn)載荷利用率，意義顯得尤為重要。故而以上述得到的40組第一抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，繪制了正態(tài)分布圖[6]，如圖2所示。

表1 第一抽油機(jī)載荷利用率

圖2 抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率正態(tài)分布圖

經(jīng)分析認(rèn)為：上述40組數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布N（0.65，0.007），引入正態(tài)分布參數(shù) μ和 σ對(duì)變量進(jìn)行約束，并依據(jù)“3σ準(zhǔn)則”劃分邊界條件進(jìn)行質(zhì)量控制，劃分邊界范圍P（μ-σ＜X≤μ+σ），即：P（0.566＜X≤0.734）。篩選出在邊界范圍的數(shù)據(jù)共有28組，對(duì)其求取平均值為0.67，即為第二抽油機(jī)載荷利用率。也即抽油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最優(yōu)懸點(diǎn)載荷利用率，在此抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率下運(yùn)轉(zhuǎn)抽油機(jī)能耗最低。

通過(guò)對(duì)油井抽油機(jī)每一組生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得每一組生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的單井日耗電量取最小值時(shí)的第一抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率，對(duì)多個(gè)第一抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，獲取第二抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率。當(dāng)抽油機(jī)以第二抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率運(yùn)行時(shí)，單井日耗電量最少，第二抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率即為所模擬出的油井抽油機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的最優(yōu)懸點(diǎn)載荷利用率。

3.2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，依據(jù)抽油機(jī)最優(yōu)懸點(diǎn)最優(yōu)載荷為67%的原則，結(jié)合油井完井優(yōu)化、地面調(diào)平衡等技術(shù)，使得抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷利用率盡量靠近67%，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能高效運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)平衡50井次，調(diào)沖程、沖速62井次，結(jié)合完井優(yōu)化設(shè)計(jì)桿柱組合197次，年節(jié)電約26.55×104kWh，節(jié)能效果良好。

4 結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷進(jìn)行了研究，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)確定出了抽油機(jī)最優(yōu)懸點(diǎn)載荷利用率為67%，基于最優(yōu)懸點(diǎn)載荷利用率可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整及抽油機(jī)選型，從而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)低能耗高效運(yùn)行，延長(zhǎng)收油機(jī)使用年限并現(xiàn)場(chǎng)調(diào)平衡50井次，調(diào)沖程、沖速62井次，優(yōu)化設(shè)計(jì)標(biāo)柱197次，年節(jié)電26.55×104kWh。