基于主成分分析法提高有桿抽油系統效率

曲占慶，張杰，劉少軍，林姍姍，田相雷

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島 266580；2.中國石化勝利油田東勝精攻石油開發集團股份有限公司，山東 東營 257061；3.中國石化勝利油田分公司現河采油廠，山東 東營 257067）

基于主成分分析法提高有桿抽油系統效率

曲占慶1，張杰1，劉少軍2，林姍姍1，田相雷3

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島 266580；2.中國石化勝利油田東勝精攻石油開發集團股份有限公司，山東 東營 257061；3.中國石化勝利油田分公司現河采油廠，山東 東營 257067）

有桿泵抽油在油田生產中被廣泛應用，但目前系統效率一般較低。影響有桿抽油系統效率的因素很多，不同因素之間又相互關聯，文中通過分析有桿抽油系統效率的影響因素，得出電機效率和泵效較低是造成有桿抽油系統效率低的主要原因。在現場應用過程中，結合區塊特點，選取9個原始指標，利用主成分分析法，在盡量減少信息損失的前提下，將9個原始指標轉化為4個綜合指標，進一步分析得出生產參數、電機選型等是影響有桿抽油系統效率的主要因素，對其進行重點優化能有效提高有桿抽油系統效率。

主成分分析；有桿抽油；系統效率

有桿泵采油設備簡單、操作方便，且綜合成本較低，在油田生產中被廣泛使用。目前，我國約有90%的油井采用此方式進行生產［1-2］，但系統效率一般較低。國內抽油機井系統工作情況統計表明，有70%以上的能耗做了無用功，在造成大量能源浪費的同時，加劇了機械損耗。與有桿抽油系統效率的最大理論目標值相比，目前的有桿抽油系統效率還有很大的提升空間［3］。

1 有桿抽油系統效率影響因素分析

有桿抽油系統可分為地面和井下2部分，其中地面部分由抽油機、電動機、控制柜、變壓器及井口裝置組成；井下部分由光桿、抽油桿、油管和抽油泵組成。

有桿抽油系統效率也相應分為地面效率和井下效率2部分。地面效率等于電機、皮帶、減速箱和四連桿機構效率的乘積［4-5］，其中皮帶、減速箱和四連桿的效率統稱為傳動效率。根據現場實際，目前陸上油田的電機效率為80%左右，皮帶傳動效率已達98%，在潤滑良好的情況下，抽油機減速箱傳動效率約為90%，四連桿機構傳動效率已達98%，現場抽油系統的傳動效率能達到86.4%左右。井下效率為盤根盒、抽油桿、抽油泵和管柱效率的乘積［6］，目前盤根盒效率已達98%，抽油桿效率已達95%，管柱效率約為98%，都已經很高，而抽油泵泵效大都在40%以下。

上述一系列統計數據表明，目前電機效率和泵效較低，還有很大的提升空間。所以，有必要從提高電機效率和泵效2方面入手，對有桿泵抽油系統進行優化設計，在確保產量的前提下，使其能耗最小，系統效率最大。

2 主成分分析法簡介

2.1 基本原理

主成分分析法是將多個指標轉化為少數相互無關的綜合指標的多元統計方法。在現場實際中，影響有桿抽油系統效率的指標很多，且各指標間存在較強的關聯性。如果考慮所有指標的影響，問題會非常繁雜；但若僅考慮某一個或幾個因素對系統效率的影響，則存在一定的局限性。因此，需要在盡量減少信息損失的前提下，將多個指標轉化為少數幾個綜合指標，這些綜合指標即為主成分。通過主成分分析，能夠客觀地確定各指標的權重，對多指標變量進行科學評價，從而避免主觀隨意性帶來的偏差。

2.2 計算步驟

設原始變量為x1，x2，…，xp，主成分分析后得到的新變量（綜合變量）為z1，z2，…，zm，它們分別是x1，x2，…，xp的線性組合（m＜p）。綜合變量z1，z2，…，zm構成的坐標系是原坐標系經平移和正交旋轉后得到的m維主超平面。在主超平面上，第一主成分z1是攜帶原始數據信息最多的一維變量，而m維主超平面是保留原始數據信息量最大的m維子空間［7］，具體步驟如下：

2）計算相關系數矩陣 R=（rij）p×p，其中分別取1，2，…，p。

行業特色型高校學科和專業建設規劃的演進——基于中國石油大學（華東）歷次五年規劃的文本分析 ……………………… 張永寧，李 輝（4．105）

4）求出每個特征值λi對應的特征向量u1，u2，…，up和主成分載荷矩陣（z1，z2，…，zp）=X*·（u1，u2，…，up），其中，X*為由標準化處理后的原始指標數據構成的矩陣。根據主成分載荷值，可以構建出相應的主成分值表達式。

3 現場應用

3.1 抽油機井基礎數據

在勝利油田單家寺油礦單-14區塊選取84口油井，這些井都使用CYJ12-4.2-73HB型抽油機，且均在1個月內連續生產。收集并整理這些油井的基本生產數據，應用主成分分析法進行有桿抽油系統效率的影響因素分析。對處于同一區塊的油井，可以將原油動力黏度和密度看作固定值，同時，由于該區塊的原油稠度較大，氣油比較低，文中不再針對氣體對泵效的影響進行討論。根據有桿抽油系統效率影響因素分析結果，選取影響有桿抽油系統效率的9個指標，它們分別為沖程X1、沖次X2、泵徑X3、日產油量X4、下泵深度X5、沉沒度X6、功率因數X7、電機額定功率X8和含水率X9，同一指標的不同油井數據均采用相同的單位。按照前述方法對原始數據進行標準化處理，并計算相關系數矩陣（見表1）。

3.2 計算過程

由表1的相關系數矩陣，根據特征方程求取特征根，將其按照從大到小的順序進行排列：λ1≥λ2≥…≥λ9，計算貢獻率和累積貢獻率（見表2）。可以看出，第1、第2、第3和第4成分的累積貢獻率已經達到了80.047%，且這4個成分的特征值均大于1，這表明它們基本包含了前述9個指標的大部分信息。由此確定主成分的個數為4，由4個主成分對應的特征值λ1，λ2，λ3，λ4，通過計算可以得到相應的特征向量u1，u2，u3，u4，然后再計算以上9個指標在4個主成分上的載荷值（見表3）。

表1 相關系數矩陣

式中：x1，x2，…，x9為每口油井各指標的標準化數據；系數項為表3中所列主成分的載荷值。

根據主成分特征值加權法，可計算綜合評價函數：

表2 各成分特征值、貢獻率和累積貢獻率

表3 主成分載荷矩陣

3.3 計算結果分析

由主成分載荷大小得出，與第1主成分密切相關的是泵徑、日產油量和含水率，它們代表了油井生產參數的設置和生產狀況，與第1主成分的相關系數絕對值都超過了0.48，因此，根據區塊生產狀況，確定合理的泵徑及油嘴大小是最重要的；與第2主成分密切相關的是功率因數和電機額定功率，這2個參數反映了電機效率影響的重要性，與第2主成分的相關系數絕對值都超過了0.47，基于電機選型及電機工作狀況的合理與否影響著系統效率的高低，應針對不同工況的抽油機井，選擇合理的電機與之匹配，盡量避免“大馬拉小車”的現象；與第3主成分密切相關的是沖程和下泵深度，它們與第3主成分的相關系數絕對值都超過了0.44，由此可見，根據區塊地層能量確定合理的下泵深度及沖程也十分重要；與第4主成分密切相關的是沉沒度和功率因數，它們反映了抽油機井內管、桿及電機與泵匹配的綜合影響，與第4主成分的相關系數絕對值都超過了0.42，需根據單井具體情況進行調整。

根據主成分分析理論，綜合評價值F越大，指標對降低有桿抽油系統效率的影響越大。利用上述計算結果，分別繪制系統效率與綜合評價值F及第1主成分值F1的對應關系圖（見圖1、圖2）。為了觀察第1主成分值與綜合評價值隨系統效率的變化趨勢是否吻合，又以系統效率為橫坐標，以F及F1為縱坐標，繪制了折線圖（見圖3）。

圖1 實際系統效率與綜合評價值對應關系

圖2 實際系統效率與第1主成分值對應關系

圖3 綜合評價值及第1主成分值與系統效率對應關系

由圖1可以看出，隨著F值的降低，系統效率增加，這說明提取的主成分與實際油井的系統效率狀況能較好地對應，主成分能夠反映影響有桿抽油系統效率的主要因素；由圖2可以看出，隨著F1的降低，有桿抽油系統效率增加，二者之間也存在較好的對應關系；由圖3可以看出，第1主成分值基本能體現出綜合評價值的變化趨勢，這表明與第1主成分密切相關的泵徑、日產油量和含水率對系統效率的影響最為顯著。

4 結束語

應用主成分分析法可有效地找出影響有桿抽油系統效率的主要因素。在現場應用過程中，可以按各個主成分值及綜合評價值的大小進行排序后，結合具體油井的各項指標，找出系統效率低的主要原因，從而實現有針對性的治理，提高綜合管理水平。

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（編輯 劉文梅）

Improving system efficiency of sucker rod pumping based on principal component analysis

Qu Zhanqing1,Zhang Jie1,Liu Shaojun2,Lin Shanshan1,Tian Xianglei3
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China;2.Dongsheng Jinggong Petroleum Development Group Co.,Ltd.,Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongying 257061,China;3.Xianhe Oil Production Plant, Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongying 257067,China)

Sucker rod pumping system is widely used in oil producing,but the system efficiency is quite low at present.There are many factors that influence the system efficiency of sucker rod pumping and these factors are associated with each other.By analyzing these influencing factors,this paper concludes that the lower efficiency of motor and pump are the main reasons for the low system efficiency of sucker rod pumping.In the process of field application,combined with the block characteristics,9 primary indexes are selected and 4 principle factors from 9 are extracted using principal component analysis in the premise that reducing the information loss as far as possible.Further analysis shows that the production parameters and the motor selection are the main factors influenced the system efficiency of sucker rod pumping.The optimization on these aspects can effectively improve the system efficiency of sucker rod pumping.

principal component analysis;sucker rod pumping;system efficiency

國家科技重大專項“復雜油氣田地質與提高采收率技術”（2009ZX05009）

TE355.5

：A

1005-8907（2012）03-0389-04

2011-10-10；改回日期：2012-03-10。

曲占慶，男，1963年生，教授，博士生導師，1986年畢業于華東石油學院采油工程專業，主要從事油氣田開發方面的教學與研究工作。E-mail：quzhq@hdpu.edu.cn。

曲占慶，張杰，劉少軍，等.基于主成分分析法提高有桿抽油系統效率［J］.斷塊油氣田，2012，19（3）：389-392. Qu Zhanqing，Zhang Jie，Liu Shaojun，et al.Improving system efficiency of sucker rod pumping based on principal component analysis［J］. Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（3）：389-392.