抽油機(jī)井維護(hù)措施優(yōu)化研究進(jìn)展

高麗潔*，闞唱軒，葛岢岢，檀朝東

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抽油機(jī)井維護(hù)措施優(yōu)化研究進(jìn)展

高麗潔*，闞唱軒，葛岢岢，檀朝東

(中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京昌平102249)

油田進(jìn)入開發(fā)中后期，出現(xiàn)系統(tǒng)效率降低、能耗高、卡泵、管桿偏磨等一系列問題，為了改善抽油機(jī)井生產(chǎn)狀況，需要不斷優(yōu)化油井工作參數(shù)并采取維護(hù)措施，包括：檢泵、調(diào)參、清防蠟、洗井、沖防砂、清防垢等。本文從機(jī)理模型的研究現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)挖掘方法的應(yīng)用現(xiàn)狀兩個(gè)方面，對(duì)抽油機(jī)井維護(hù)措施優(yōu)化的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，分析了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)未來研究方向進(jìn)行了展望。

維護(hù)措施優(yōu)化；數(shù)據(jù)挖掘；研究進(jìn)展

引言

抽油機(jī)舉升技術(shù)已經(jīng)有近百年的歷史。依靠其結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)實(shí)可靠的特點(diǎn)，一直占據(jù)著人工舉升的主導(dǎo)地位。抽油機(jī)使用壽命較長，當(dāng)油井開發(fā)進(jìn)入中后期，產(chǎn)量逐漸下降，能耗不斷增大，異常情況更加復(fù)雜，導(dǎo)致檢泵、調(diào)參、清防蠟、洗井等措施工作量和生產(chǎn)成本不斷增加。影響生產(chǎn)和措施效果的事件和變量繁多，且相互的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，給油井生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化、措施模式及參數(shù)選擇工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。多數(shù)做法是：油井專家根據(jù)日常維護(hù)措施效果的統(tǒng)計(jì)分析、基于業(yè)務(wù)的診斷設(shè)計(jì)方法、積累的經(jīng)驗(yàn)，確定維護(hù)措施的模式及工作參數(shù)。這類方法沒有很好地利用油井本身的數(shù)據(jù)資源優(yōu)勢，存在著很大隨機(jī)性和局限性，難于有針對(duì)地、有效地提高抽油機(jī)井產(chǎn)量、降低能耗、節(jié)省維護(hù)措施作業(yè)成本。

因此，充分利用數(shù)據(jù)資源，研究基于數(shù)據(jù)挖掘方法的抽油機(jī)井措施推薦與優(yōu)化，對(duì)真正實(shí)現(xiàn)從“業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皵?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”，有重要的理論意義。隨著油井舉升工況越來越復(fù)雜，采油成本不斷上升，基于數(shù)據(jù)挖掘方法的抽油機(jī)井維護(hù)措施推薦研究必將促使人工舉升采油朝著更加高效、節(jié)能、環(huán)保、可靠的方向發(fā)展。所以目前基于數(shù)據(jù)挖掘方法中進(jìn)行油井維護(hù)措施推薦是一個(gè)重要的研究方向。本文從機(jī)理方法和數(shù)據(jù)挖掘方法應(yīng)用于抽油機(jī)井措施優(yōu)化的研究現(xiàn)狀兩方面展開調(diào)研，分析各方法利弊，并對(duì)未來研究方向進(jìn)行了展望。

1 機(jī)理模型研究

國內(nèi)外專家學(xué)者，對(duì)如何提改善油井維護(hù)措施效果的評(píng)價(jià)、診斷、預(yù)測和優(yōu)化方法進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐。初期油井維護(hù)的研究多停留在機(jī)理模型的研究上，包括對(duì)油井日常維護(hù)的探討、故障類型與解決措施的分析、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用等。

張昊[1]和郝愛萍[2]分析了油田抽油機(jī)井的日常維護(hù)與提效措施，闡述了油井抽油機(jī)井的日常維護(hù)內(nèi)容，明確抽油機(jī)井措施提效主要從確定油井的日常管理基本要求、做好抽油機(jī)井抽油泵的故障判別工作、漏失井跟蹤和斷脫井跟蹤這4方面著手。胡良軍[3]圍繞抽油機(jī)采油常見故障進(jìn)行了探討，分析了抽油機(jī)偏磨、曲柄銷故障、減速箱滲漏這三類故障出現(xiàn)的原因及問題處理方法。游旭升、陳茂榮[4]以江漢油田為背景，了解到油田進(jìn)入開發(fā)后期，地層含水逐步上升，造成油井的生產(chǎn)條件和生產(chǎn)參數(shù)變化，套管漏失、變形及破損進(jìn)一步惡化了抽油桿、油管柱和抽油泵的工作環(huán)境，造成了油井維護(hù)性作業(yè)頻繁。針對(duì)這一情況，細(xì)致分析、研究發(fā)現(xiàn)油田以往生產(chǎn)中存在以下5方面問題：（1）注采井網(wǎng)不夠完善（2）部分井腐蝕偏磨嚴(yán)重，防偏磨治理不夠理想（3）目前作業(yè)使用的管、桿部分為舊的，使用壽命短，加大維護(hù)工作量（4）施工作業(yè)過程中，規(guī)程執(zhí)行不嚴(yán)造成工序返工，增加作業(yè)頻次。所以提出油井維護(hù)長效機(jī)制，通過加強(qiáng)日常管理、完善注水井網(wǎng)、提高維護(hù)性措施作業(yè)效果、改善施工工藝、加強(qiáng)質(zhì)量管理、優(yōu)化管桿組合、加強(qiáng)橫向交流提高作業(yè)質(zhì)量等方法來延長油井免修期，實(shí)現(xiàn)油井維護(hù)長效機(jī)制。李海燕[5]以土花溝油田為例，具體問題具體分析，結(jié)合土花溝油田的實(shí)際地質(zhì)狀況和出油品質(zhì)，淺析檢泵、熱洗、沖砂三個(gè)油井維護(hù)工藝流程，得到適用于土花溝油田的具體施工參數(shù)，延長了施工作業(yè)周期，提高施工質(zhì)量。呂斌[6]對(duì)新溝油田新一區(qū)進(jìn)行調(diào)研分析，結(jié)合目前新一區(qū)油井井況條件差，腐蝕、出砂、出油泥嚴(yán)重且井本身低產(chǎn)低液，管理難度大等生產(chǎn)狀況和作業(yè)井次成倍增加，作業(yè)頻次成倍增大的油井維護(hù)狀況，經(jīng)過不斷地摸索、試驗(yàn)、總結(jié)，提出以下方法降低油井維護(hù)性作業(yè)井次：（1）加強(qiáng)注入水的處理、改善地層液體的腐蝕性；（2）摸索油井防腐方法，改善油井腐蝕狀況；（3）加強(qiáng)井簡環(huán)境的治理；（4）加強(qiáng)作業(yè)監(jiān)督，提高施工質(zhì)量。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)逐漸應(yīng)用在抽油機(jī)井系統(tǒng)措施優(yōu)化上。Lekia等[7]將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)定向井有桿泵舉升系統(tǒng)桿柱載荷計(jì)算、桿柱振動(dòng)與動(dòng)態(tài)仿真、參數(shù)優(yōu)化等問題進(jìn)行了研究，可以提高動(dòng)態(tài)參數(shù)的仿真精度與優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的符合率。李兆敏等[8]對(duì)有桿泵抽油系統(tǒng)進(jìn)行了能量消耗分析，以機(jī)械采油系統(tǒng)效率最高為目標(biāo)，確立了機(jī)械采油系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，給出了有桿泵抽油時(shí)機(jī)、桿、泵及抽汲參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。許濤等[9]應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算機(jī)仿真方法，在波動(dòng)方程的基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)效率仿真分析數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算繪制出系統(tǒng)效率隨沖程和沖次的變化關(guān)系圖。

通過文獻(xiàn)調(diào)研了解到目前油田對(duì)抽油機(jī)井普遍采用日常維護(hù)和事后維修策略，完善抽油機(jī)井的日常維護(hù)不僅能夠更加準(zhǔn)確的對(duì)抽油機(jī)異常工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，同時(shí)也能夠根據(jù)存在的問題及時(shí)防范和予以相應(yīng)的維護(hù)措施，事后維修即當(dāng)某種故障導(dǎo)致油井失效而不能正常生產(chǎn)時(shí)再進(jìn)行維修。日常維護(hù)只能片面的解決維護(hù)措施次數(shù)高、作業(yè)成本高等問題，不能從根本上提高維護(hù)性措施效果；事后維修策略這種策略代價(jià)高，作業(yè)時(shí)間長，嚴(yán)重影響了油井產(chǎn)量，造成了經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)階段無論是日常維護(hù)還是事后維修都停留下理論層面和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)上，對(duì)具體井進(jìn)行具體分析，沒有普遍性。

2 措施優(yōu)化的數(shù)據(jù)挖掘方法

石油工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。調(diào)參、檢泵、洗井、清防蠟等作為抽油機(jī)井維護(hù)配套措施，在我國各油田普遍采用，用數(shù)據(jù)挖掘方法與傳統(tǒng)方法相結(jié)合來解決抽油機(jī)井維護(hù)措施推薦及優(yōu)化等問題，成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的抽油機(jī)井措施效果優(yōu)化正在成為一個(gè)重要發(fā)展方向。

2007年，廖銳全[10]以GM (1, 1)模型為基礎(chǔ)，引進(jìn)累加法，建立了一種數(shù)學(xué)模型對(duì)油井措施費(fèi)用進(jìn)行預(yù)測，實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明，新GM (1, 1) 模型的平均誤差比GM (1,1) 模型誤差稍小。2008年，大慶石油學(xué)院碩士畢業(yè)生王鵬珍[11]從大慶油田目前生產(chǎn)狀況入手，分析了影響措施井層選擇的因素，并對(duì)其進(jìn)行了歸納分類，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用模糊綜合評(píng)判方法對(duì)措施井層進(jìn)行選擇，建立了綜合考慮多種目標(biāo)的油井措施多目標(biāo)規(guī)劃模型，運(yùn)用回歸分析法來預(yù)測措施效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如增油量、含水率、產(chǎn)液量等。最后進(jìn)行了相應(yīng)的軟件編制。2010年，王飛飛、史培玉等人[12]通過分析灰色 GM(1,1)模型的建模原理，對(duì)初始序列進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，以改善其光滑性；利用歐拉改進(jìn)法構(gòu)建了改進(jìn)的灰色 GM(1, 1)預(yù)測模型，提高了擬合方程與待擬合系統(tǒng)微分方程之間的近似程度。應(yīng)用改進(jìn)模型對(duì)輸油管道結(jié)蠟速度和結(jié)蠟厚度指標(biāo)的實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了灰色動(dòng)態(tài)擬合，建立了相應(yīng)的灰色微分方程和時(shí)間響應(yīng)函數(shù)。與傳統(tǒng)模型相比，改進(jìn)模型有預(yù)測精度高靈活性大的特點(diǎn)。2011年，李文華[13]針對(duì)稠油井增產(chǎn)措施涉及到多種可選措施，衡量措施效果的指標(biāo)很多，且各指標(biāo)之間既有相關(guān)性又具有不可公度性，運(yùn)用主成分分析法與灰色關(guān)聯(lián)理論，結(jié)合實(shí)例分析, 計(jì)算了措施的灰色綜合關(guān)聯(lián)度，即優(yōu)選系數(shù)，為單井措施優(yōu)選的決策者提供了依據(jù)。2012年，王文發(fā)[14]通過對(duì)油井措施分析，建立油井措施評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在此基礎(chǔ)上建立了單項(xiàng)措施效益分析模型、注水措施井或區(qū)塊整體考慮措施井效益分析模型和措施井投資評(píng)價(jià)模型。2014年，王嘉琳[15]提出一種改進(jìn)混合蛙跳算法求解該模型，通過經(jīng)典函數(shù)極值優(yōu)化對(duì)比，改進(jìn)算法的性能優(yōu)于PSO 算法和SFLA 算法，實(shí)際數(shù)據(jù)測試表明，優(yōu)選出的措施優(yōu)化方案取得了很好的實(shí)際應(yīng)用效果。2015年，針對(duì)油田機(jī)采井沒有確定的故障率函數(shù)和最佳預(yù)防性檢泵周期及檢泵策略，任偉建[16]提出基于威布爾分布的油田機(jī)采井故障率研究。通過分析檢泵周期數(shù)據(jù)、假設(shè)并建立分布模型和運(yùn)用模糊粒子群—模擬退火（FPSO-SA）算法對(duì)分布模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)并確定機(jī)采井故障率函數(shù)。同時(shí)運(yùn)用模糊決策分析法計(jì)算最佳預(yù)防性檢泵周期。同年，張戰(zhàn)敏[17]通過對(duì)實(shí)際油井檢泵周期的統(tǒng)計(jì)分析，建立了檢泵周期概率密度分布模型和檢泵周期的可靠性預(yù)測模型，預(yù)測精度取決于樣本大小，增大樣本可以提高預(yù)測精度。盧麗[18]提出引用二分類logistic 回歸法建立油井熱洗預(yù)測模型的思路，利用模型在鄂爾多斯三疊系長8 層的典型低滲稠油M 油藏進(jìn)行油井熱洗效果的預(yù)測。

可以看出，目前基于大數(shù)據(jù)挖掘的抽油機(jī)井油井措施推薦和優(yōu)化應(yīng)用并不廣泛，更多的是側(cè)重石油工程業(yè)務(wù)模型改進(jìn)和經(jīng)典挖掘方法匹配研究，當(dāng)前研究局限于具體問題具體分析，還沒有形成一套系統(tǒng)的理論和知識(shí)體系、挖掘平臺(tái)和算法工具。具體存在以下問題：第一，多數(shù)研究完全屬于根據(jù)用戶需求定制開發(fā)，應(yīng)用過于單一，考慮并不全面，側(cè)重于已有方法及算法的簡單移植應(yīng)用。并沒有考慮整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化問題，也沒有充分考慮抽油井生產(chǎn)和措施事件數(shù)據(jù)的多維性從不同粒度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的建模。第二，由于數(shù)據(jù)、模型、算法的復(fù)雜性，中間判斷過程需要過多的人工干預(yù)，缺乏通用性和可移植性，特別是在海量生產(chǎn)和措施事件數(shù)據(jù)背景下，無法滿足工程化要求，已有的研究并未能充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)的特性和優(yōu)勢，真正實(shí)現(xiàn)從“業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)”轉(zhuǎn)變“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”。第三，以油井生產(chǎn)為核心，多種措施事件共同作用影響油井的產(chǎn)量和系統(tǒng)效率，現(xiàn)有的研究只能定量分析預(yù)測單一措施事件的效果，缺乏有效的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法，不利于維護(hù)措施模式和工作參數(shù)的推薦評(píng)價(jià)。因此基于維護(hù)措施效果綜合評(píng)價(jià)體系構(gòu)建將是今后需要研究的一個(gè)重要方向。

3 結(jié)束語

綜上所述，無論是機(jī)理模型研究還是應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘方法，仍存在很多問題，尋求更好的解決方法迫在眉睫，抽油機(jī)井維護(hù)措施優(yōu)化可以從以下幾個(gè)方面展開：

（1）從單一措施的優(yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻胧┑膬?yōu)化。因?yàn)楦鱾€(gè)措施效果影響因素眾多且相互關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，單一考慮一種措施的優(yōu)化，會(huì)忽略掉措施之間的相互作用，影響優(yōu)化結(jié)果。

（2）嘗試將新的數(shù)據(jù)挖掘算法應(yīng)用于措施優(yōu)化中，例如模式匹配，粒關(guān)聯(lián)規(guī)則等。余國安[19]早在1900年便將模式識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于抽油機(jī)井下故障的自動(dòng)診斷上。檀朝東在文[20]將弱通配符模式挖掘算法應(yīng)用于油田產(chǎn)量預(yù)測上，在文[21]應(yīng)用粒關(guān)聯(lián)規(guī)則和混沌時(shí)序算法，對(duì)油田集輸系統(tǒng)進(jìn)行能耗預(yù)測預(yù)警。由此可見已有學(xué)者創(chuàng)新性的將各種算法應(yīng)用于石油行業(yè)并取較好成績，所以要學(xué)習(xí)借鑒經(jīng)驗(yàn)，將新的數(shù)據(jù)挖掘算法應(yīng)用于措施優(yōu)化中。

（3）建立一套科學(xué)的措施效果評(píng)價(jià)體系。措施效果的好壞需要科學(xué)的指標(biāo)來進(jìn)行評(píng)定，一直以來并沒有一套被廣泛認(rèn)定的指標(biāo)來指導(dǎo)評(píng)價(jià)工作。所以建立一套科學(xué)的指標(biāo)，形成措施效果評(píng)價(jià)體系，可以更有針對(duì)性的優(yōu)化措施參數(shù)，達(dá)到事半功倍的效果。

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Research Progress on Optimizing Maintenance Measures of Pumping Well

GAO Lijie*, KAN Changxuan, GE Keke, TAN Chaodong

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

Lowsystem efficiency, high energy consumption, stuck pump, and a series of problems occurring after a long time of exploitation of pumping wells. So the oilfield should be maintained to improve the condition. The maintenance measures include pump checking, parameter adjusting, paraffin removal, flushing, sand cleansing, anti-scaling, and so on. This paper summarizes the research progress of the optimization of pumping well maintenance measures from two aspects: the research status of the mechanism model and the application status of the data mining method. The advantages and disadvantages of the two methodsare analyzed, and the future research directions areprospected.

optimizing maintenance measures; data mining; research progress

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.01.07

TP3

A

1672-9129(2017)01-0025-03

2017-01-13；

2017-01-25。

高麗潔(1993-)，女，遼寧寬甸，學(xué)生，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、油井措施診斷。Email：305642066@qq.com