基于夢想云的油井能耗分析微服務應用研究

高忠獻，朱瑞彬，崔健光，劉春海，陳軍政，王 靜，王進修

1.華北油田公司工程技術研究院，河北任丘062552

2.中國石油集團測井有限公司華北分公司，河北任丘062552

3.華北油田公司勘探開發研究院，河北任丘062552

油氣開采會消耗巨大的電能，降低能耗不僅可以降本增效，而且有利于減排和環保。油氣開采主要借助于油井機械采油系統，油井機械采油系統包括有桿泵采油系統和無桿泵采油系統，這里主要指有桿泵采油系統，如油梁式抽油機[1-2]。油井機械采油系統運行狀況決定了其能效，且與油井能耗直接相關[3]，目前通常是人工查看油井工況和電能表，匯總后交由技術部門分析，對高能耗井作出調參指令，并調整油井電加熱間開工作制度，使抽油機處于高效率的工作狀態，以此降低油井能耗。由于這一過程均為人工參與，存在油井能耗監測不及時、數據失真、調參量過多依賴個人經驗等問題。

隨著石油勘探開發夢想云系統、油氣水井生產數據管理系統（中石油A2 項目） 及油氣生產物聯網系統（中石油A11 項目） 的廣泛開展，油田企業對油井生產現場的感知與數據整合能力迅速增強，為高效、快速、智能地進行油井節能降耗管理提供了技術契機。

1 夢想云微服務

本文介紹的夢想云是指中國石油勘探開發夢想云系統，該系統是為消除信息孤島，實現勘探開發數據互聯互通，提升上游業務運營能力，而集科研、生產、管理于一體的統一共享平臺，平臺架構如圖1 所示[4]。

該平臺基于統一數據庫、統一技術平臺，實現油氣勘探、開發生產、協同研究（A6）、經營管理、安全環保及大數據分析等集成應用。

依托夢想云強大的數據資源與處理能力，針對油井節能降耗應用，制定微服務目標：設計一個基于夢想云平臺的油井能耗分析系統，通過夢想云平臺讀取油井能耗數據，監測抽油機運行狀況，運用能耗對標的方法找出能耗超標的井，診斷能耗超標原因，并給出優化建議[4-5]。通過對單井能耗進行有效管理，提高經濟效益。

2 油井能耗分析微服務系統

2.1 油井能耗分析微服務結構

能效對標是能耗分析的常用方法，該方法直觀清晰，易于理解。根據中國石油天然氣集團公司能源管控技術規范，機械采油系統能效對標因素主要包括抽油機平衡率、電機功率因數、電機效率、噸液百米耗電[6]。本文采用能耗參數縱向對標方式，即針對油井單井主要能耗參數（抽油機電機及電加熱裝置總的有功功率、功率因數） 定期進行數據采集，并與其標桿值和歷史數據對比分析，繪制環比曲線，篩選出油井工況較好時期下的主要操作條件，并作為參考。

為便于油井能耗分析，將比較因素約束在同一條件下，采用噸液百米耗電這一能效指標，該指標不受井深、產液量等因素影響，使油井能效變化過程及不同井間的比較更加清晰、合理[6]。油井噸液百米耗電計算公式為：

式中：Edybm為機械采油系統噸液百米耗電，kW·h/（t·100 m）；Ejcd為對標周期內機械采油系統用電量，kW·h；Qjc為對標周期內單井產液，t；Hjc為對標周期內單井機械采油有效揚程（動液面），m。

標桿值作為能效比較與參考的依據，它的選擇在油井能耗分析中有著重要的作用，這里采用年噸液百米耗電量Eydybm作為單井能耗標桿值。單井能耗標桿值的設置，是通過讀取A2、A11 數據庫相關參數后計算單井上一年的全年噸液百米耗電樣本值，并計算樣本平均值，當樣本平均值大于60%以上的樣本值時，以略小于60%的樣本值為標桿值；當樣本平均值小于等于60%的樣本值時，以樣本平均值為標桿值。

如圖2 所示，該系統采用B/S 結構，服務器端依托夢想云平臺，客戶端通過瀏覽器訪問服務器端[7]。客戶端調用夢想云油井能耗分析微服務系統查看油井能耗數據，設置超標閾值[8]。服務器端計算單井能耗年標桿值和噸液百米耗電，繪制油井能耗環比曲線，根據超標閾值計算超標指數，通過超標指數判斷油井能耗是否超標，如果能耗超標則報警，通過分析油井能耗與產量、運行狀態之間的關系，得出能耗超標的原因，并給出降低能耗的方案與建議，使油井處于最優能耗狀態。

圖2 油井能耗分析微服務結構示意

2.2 系統架構

上述系統功能主要通過軟件實現，軟件架構如圖3 所示，該云平臺微服務功能主要由單井能耗分析及建議模塊、能耗分析記錄模塊、獎勵機制模塊及油井工況診斷微服務應用子系統組成，其中油井工況診斷微服務應用子系統由數據在線監測模塊、油井工況診斷功能模塊、油井示功圖分析模塊構成。

圖3 軟件系統架構示意

（1） 單井能耗分析及建議模塊是該系統的核心部分，主要完成單井能耗標桿值和噸液百米耗電的計算，繪制油井能耗環比曲線，計算超標指數，判斷油井能耗是否超標，分析能耗超標的原因，給出降低能耗的建議[3]。

（2） 能耗分析記錄模塊是將噸液百米耗電、能耗判斷結果、超標報警情況、降耗建議、現場問題反饋存入數據庫，記錄可由軟件查詢[8]。

（3） 獎勵機制模塊通過統計能耗降低情況進行降耗排名，促進油井降耗管理。

（4） 油井工況診斷微服務應用子系統功能包括：采集油井各項數據，為其他模塊提供計算參數；實時監視油井運行狀況，提供油井工況診斷結果，統計數據在線率等；繪制油井示功圖，給出常見功圖樣本及說明，協助分析油井工況。

2.2.1 單井能耗分析及建議模塊

該模塊根據單井能耗標桿值進行對標，當能耗高于對標閾值時，系統產生報警信息，找出能耗有問題的單井，在單井運行數據的支持下，分析單井工況信息，找出能耗過高的原因。在確保油氣產量的前提下，以能耗最低為目標，給出節能降耗建議，如調參、調平衡、原油降稠等[9]。為改善系統判斷的準確性，需要現場運維人員反饋降耗的真實過程與結果，通過豐富案例庫，不斷優化算法。

系統依據超標指數判斷能耗是否超標，當能耗等于或高于標桿值時開始計算超標指數，當超標指數大于I 級閾值發出黃色報警，大于Ⅱ級閾值發出紅色嚴重報警。超標指數計算公式為：

式中：C 為超標指數（C＞0）；Eddybm為日單井噸液百米耗電，kW·h/（t·100 m）；Eydybm為年單井噸液百米能耗標桿值，kW·h/（t·100 m）。

單井能耗分析流程見圖4。首先，讀取單井上一年度歷史能耗相關數據，通過該數據計算出全年噸液百米耗電量樣本值，根據單井能耗標桿值的設置規則計算出單井能耗標桿值；為加強對比效果，計算上一年度日噸液百米耗電量與月噸液百米耗電量，為繪制環比曲線提供歷史數據。其次，讀取本年度每日能耗相關數據，計算出日噸液百米耗電量與月噸液百米耗電量，繪制本年度日、月能效曲線及歷史能效曲線。最后，對本年日、月噸液百米耗電量與標桿值進行能效對標，如果能效達標則無需報警，否則系統發出報警，并讀取油井工況信息，分析能效不達標的原因，并給出降耗建議。系統有人工輸入接口，可以收集降耗執行情況或反饋意見。

圖4 單井能耗分析流程

圖5 單井能耗環比曲線

2.2.2 能耗分析記錄模塊

該模塊主要是將單井運維與能耗優化過程存儲于夢想云平臺，為降低能耗提供基礎數據和經驗，從而優化系統分析功能。系統每天存儲一次日噸液百米耗電，當噸液百米耗電量超出I 級閾值，系統發出黃色報警，鼠標懸停在曲線某點時系統向用戶顯示噸液百米耗電量和超標指數。當噸液百米耗電量超出Ⅱ級閾值，系統發出嚴重報警，同時分析能耗超標原因作為報警事項存儲在數據庫中，提供歷史查詢，記錄格式如表1 所示。

2.2.3 獎勵機制模塊

為促進節能降耗工作的開展，建立節能降耗獎勵機制，對各單位油井能耗優化效果及油井數據在線率進行排名，為能耗降低幅度較大、油氣效益提升顯著、油井數據在線率高、解決現場問題反饋及時的單位提供獎勵依據，排名情況如圖6 所示。能耗降低幅度由單井月降耗指數來量化，降耗指數計算公式為：

表1 單井能耗分析記錄示例

式中：J 為降耗指數（J ＜0）；Emdybm為月噸液百米耗電，kW·h/（t·100 m）。

圖6 單井節能降耗排名示意

2.2.4 油井工況診斷微服務應用子系統

如圖7 所示，該子系統通過云平臺數據接口采集油氣水井生產數據管理系統（A2） 及油氣生產物聯網系統（A11）提供的油井運行數據，通過云平臺微服務判斷油井數字化設備是否在線，并分析油井工況[4]。該系統包括數據在線監測、油井工況診斷、油井示功圖分析三個功能模塊，軟件架構如圖3 所示。

圖7 油井工況診斷微服務應用子系統結構示意

2.2.4.1 數據在線監測模塊

油井數據在線監測示意見圖8。采用A11 系統提供的數據判斷油井儀表狀態，實時監視油井儀表數據在線與完好情況，并作為油井在線情況的依據，數據保存至云平臺，便于儀表狀態分析及能耗異常狀況判斷。

圖8 油井數據在線監測示意

2.2.4.2 油井工況診斷功能模塊

油井工況診斷功能結構示意見圖9。采用A2、A11 系統提供的油井數據，實時監視油井工況，如溫度、壓力、電參量等，由此判斷抽油機井運行健康狀況、皮帶斷脫情況，并給出維護建議。

圖9 油井工況診斷功能結構示意

2.2.4.3 油井示功圖分析模塊

油井示功圖分析示意見圖10。油井示功圖可以反映油井多方面工作狀況[1]，云平臺示功圖分析模塊展示當前油井示功圖，并提供各種工況下油井典型示功圖，也可查看歷史示功圖，幫助用戶分析油井工作狀況和能耗情況。

圖10 油井示功圖分析示意

3 結束語

通過基于夢想云的油井能耗分析微服務應用，將會為油井節能降耗管理及工況診斷帶來以下效果：

（1） 通過油井能效對標實時監視油井能耗情況，根據油井工況數據和示功圖，分析能耗超標原因，并給出節能建議。

（2） 通過油井降耗排名和油井數據在線情況統計，促進油井節能降耗與運維積極性。

（3） 加強現場運維情況的反饋，實現問題解決經驗的共享，存儲油井診斷與維護記錄，為油井大數據分析提供基礎數據，以保證系統優化的可持續性。

通過石油夢想云平臺將A2、A11 部分數據整合，結合生產之需要，將微服務技術應用于石油生產節能降耗領域，促進原油開采向著低能耗、高能效方向發展，進而為創建綠色環保型企業提供技術支撐。