基于模糊数学的有杆泵采油系统能耗评价与诊断方法

李 威， 周 勇， 薛兴昌， 麻 涛， 郭龙江， 李松岩， 李兆敏

(1. 中国石油大学(华东)，山东青岛 266580； 2.中国石油新疆油田公司，新疆克拉玛依 834000；3. 中国石油天然气管道局，河北廊坊 065000)



基于模糊数学的有杆泵采油系统能耗评价与诊断方法

李 威1， 周 勇2， 薛兴昌2， 麻 涛3， 郭龙江1， 李松岩1， 李兆敏1

(1. 中国石油大学(华东)，山东青岛 266580； 2.中国石油新疆油田公司，新疆克拉玛依 834000；3. 中国石油天然气管道局，河北廊坊 065000)

有杆泵采油系统在我国占有率高，但系统效率偏低，在油田能耗中占主导地位，因此，准确评价有杆泵采油系统能耗对油田节能改造有重要的指导作用。基于模糊数学理论，结合相关国家、行业标准，建立了全面的能耗评价指标体系，并应用科学方法计算指标权重及隶属度函数，最终建立有杆泵采油系统能耗评价模型。对新疆油田某系统进行实例分析，评价结果表明该系统电机匹配不合理、平衡度差，能耗等级为中，经油田现场确认，评价结果全面、诊断结果准确。

模糊数学； 有杆抽油机系统； 能耗评价； 层次分析法

有杆抽油方式占全国油井抽油总数的70%以上，是目前最主要的采油工艺，同时其能耗在原油生产过程中所占的比例也是最大的[1]。与国外油田相比，国内油田有杆泵采油系统效率偏低，具有很大节能潜力。因此，对有杆抽油系统能耗总体及各设备运行状况进行准确的评价对降低有杆抽油系统能耗、提高系统经济性具有重要意义[2]。但目前采用的评价方法都是对单个因素或设备的简单判定，不能全面、完整、准确地反映系统运行状况。考虑到上述不足，本文基于模糊数学理论，建立了有杆泵采油系统能耗模糊综合评价模型，对有杆泵采油系统能耗状况进行全面、准确的分析及评价。

1 有杆泵采油系统能耗影响因素

有杆泵采油系统是利用电机等装置将能量进行传递和转换，最终将井底液体举升到井口的装置，主要由抽油机、抽油杆和抽油泵等部件组成，根据系统结构将抽油机系统能耗影响因素分为地面、井下及管理三个方面[3-4]。

地面因素指自光杆悬绳器以上设备对能耗的影响，主要包括原动机(电动机)、皮带、减速器及四连杆等因素[5]。电动机损耗主要包括铜损、铁损、机械损耗和杂散损耗，与电机种类及负载率等因素有关；摩擦损失是其他地面设备的主要能损形式，一般占输入能量的15%～20%。

井下因素指光杆悬绳器以下装置对系统的影响，主要包括盘根盒、抽油杆、抽油泵等因素。摩擦损失也是盘根盒及抽油杆能耗的主要原因；抽油泵损失主要包括机械、容积和水力损耗，主要受泵充不满和漏失的影响[6-7]。

管理因素指系统参数调整不合理对系统能耗造成的影响，主要包括抽汲参数、平衡度以及设备保养等因素[8]。

2 有杆泵采油系统能耗模糊综合评价模型的建立

所谓模糊数学就是在多个影响指标(因素)制约下，对原来只能定性分析的事物进行模糊综合决断，得到可量化评价结果的过程。因素集、评语集和权重集是模糊综合评价的三个基本要素[9]。

2.1有杆泵采油系统能耗评价因素集

根据有杆泵采油系统结构及能耗影响因素，得到能耗评价指标体系(因素集)，从有杆泵采油系统经济技术、机型匹配、电机匹配、传动部件、井下及管理六个方面及其对应的二级评价指标对系统能耗状况进行模糊综合评价。

各评价指标内部细化为其对应的二级指标，如表1所示。

2.2 有杆泵采油系统能耗评价评语集

评语集是对客观事物优劣的直观体现，不同人对事物有着不同的观点，也是一个模糊的概念。本文将有杆泵采油系统能耗评判等级V定义为4个等级，用V=[V1V2V3V4]=[优良中差]来表示有杆泵采油系统能耗状况[10]。

表1 有杆泵采油系统能耗评价因素集

等级的划分是一种模糊的概念，为了更加明确的比较和表达系统的优劣，对评语集进行量化处理，通过数值对应相应模糊评语，如表2所示。

表2 系统能耗等级表

2.3 有杆泵采油系统能耗评价隶属度函数

确定评价因素集及评语集后，需要根据指标特性以及被评价对象的实际情况，确定各评价指标对评语集的隶属度函数，准确的构造隶属度函数是影响评价结果准确度的关键[11]。本文根据相关国家、行业标准，结合相关文献资料和油田统计数据，利用梯形函数对各二级评价指标进行隶属度函数构造。

2.3.1 偏大型梯形函数 偏大型梯形法分布如图1所示。理论上系统效率、产液量、功率因数等评价指标越大，表示系统越好，因此采用偏大型梯形构造隶属度函数。μi(x)(i=1,2,3,4)分别代表评价指标值x对评价集{优，良，中，差}的隶属度函数，Xi(i=1,2,3,4)表示阈值。具体阈值见表3。

图1 偏大型梯形法分布

Fig.1 Partial large trapezoidal distribution

表3 偏大型指标阈值表

注：K为渗透度及泵挂深度对系统效率的影响系数[12]。

2.3.2 中间型梯形函数 中间型梯形法分布如图2所示。理论上电机功率利用率和平衡度等评价指标存在一定范围内的最优值，采用中间型梯形构造隶属度函数。其中μi(x)(i=1,2,3,4)分别代表评价指标对评价集{优，良，中，差}的隶属度函数，Xi(i=1,2,3,…,7,8)表示阈值。具体阈值见表4。

图2 中间型梯形法分布图

Fig.2 Intermediate trapezoid distribution

2.4 有杆泵采油系统能耗评价权重集

对于评价对象而言，每个评价指标对其影响的程度不同，同时不同人所偏向的重点也不相同，所以需要确定各评价指标对评价对象的权重集[13]。

2.4.1 一级指标权重 层次分析法即考虑到人为因素对评价结果的正确影响，又应用数学的方法减小了人为因素的不确定性，因此采用层次分析法(AHP)确定能耗评价一级指标权重集W。

表4 中间型指标阈值表

1) 构造判断矩阵

根据各指标间的相互关系，按照判断矩阵标度构造判断矩阵D|ξij|,ξij表示指标i对指标j的重要程度，如ξ14=8表示经济技术指标比传动部件指标强烈重要，同时ξ14=1/8。

(1)

2) 计算权重集

(2)

(3)

3)验证权重集准确性

通过计算判断矩阵DW的最大特征根

(4)

(5)

最终计算指标一致性比率

(6)

因此，权重集确定合理，并且从中可以看出经济技术指标是影响系统能耗的主要因素，其次依次为电机匹配指标、井下指标等。式中，当因素个数n=6时，RI=1.24。

2.4.2 二级指标权重 专家评分法指利用专家经验对各指标赋权重的方法，此方法简单、易于操作，在评价指标较少的情况下可以充分发挥专家的知识、经验，通过数学的方法综合每位专家意见，得到的权重集，结果较为准确。

本文中各一级指标的二级指标个数都较少，因此采用专家评分法。在查阅大量相关文献以及参考油田测试数据的基础上，通过向对抽油机系统能耗较为了解且具有丰富教学和实践经验的中国石油大学(华东)石油工程系、能源与动力工程系、机械工程系等专业的专家、教授发放调查问卷的方式，统计调查问卷结果得到各一级指标的二级指标权重集：W1=[0.95 0.05],W2=[0.65 0.35],W3=[0.72 0.28],W4=1.00,W5=[0.74 0.26],W6=[0.65 0.25 0.10]。

$result = socket_listen($sock,4)or die(“socket_listen()fail:”.socket_strerror(socket_last_error()).“/n”);

2.5 模糊综合评价

进行模糊综合评价首先根据各因素Ui与评语集中各元素Vj一一对应的隶属度rij，得到U到V的隶属关系构成模糊关系矩阵为Rn×m=|rij|。

已知二级权重，令Bi=WiRi，计算得到各一级评价指标的评判集Bi，记B=[B1，B2，…，Bn]，则

(7)

已知一级评价指标权重集W，则可得综合评判集向量:

(8)

(9)

式中：y为模糊综合评价分值；x为综合评价等级转化矩阵。

3 实例分析

应用模糊综合评价方法，以新疆油田红五作业区某系统为例，对系统能耗进行综合评价。根据现场提供初始参数通过数学运算得到系统能耗评价指标各二级指标值如表5所示。

表5 能耗评价二级指标值

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

根据隶属度最大原则对各二级指标进行单因素分析可以看出：该系统电机功率利用率、电机功率因数、沉没度偏差度为差，平衡度为中，其他因素良好。分析结果表明，该系统电机匹配不合理、平衡度差，可对该系统进行相关调整，如：通过改变电机接线方式或者更换电动机、及时调整平衡度等，但二级指标的评价结果不能对该系统进行整体的掌控及评比，需要进一步进行模糊评价。

已知二级指标权重集Wi及模糊关系Ri，令Bi=WiRi，例如：

得到各评价一级评价指标的评判集B=

[B1B2…B6]T如下：

(16)

将式(3)、式(16)代入式(8)计算得出综合评判集向量：

(17)

(18)

查表2可以看出,该井系统能耗等级为三级，评价结果为中，经过新疆油田现场人员及专家确认，该系统电机的确存在异常情况，并长时间疏于管理，评价、分析结果准确。

4 结论

(1) 分析有杆泵采油系统能耗影响因素，建立了从整体到局部的系统能耗评价指标体系，结合相关标准确立了各评价指标对评语集的隶属度函数；应用层次分析法及专家打分法分别对一二级各评价指标进行权重系数确定，建立了基于模糊数学的有杆泵采油系统能耗评价模型。

(2) 应用该评价模型对新疆油田红五作业区某系统进行实例分析，评价结果表明该系统评价分值65.80，能耗等级为中。诊断认为电机不匹配是导致能耗偏高的主要问题，同时平衡度差、管理水平低也是重要原因之一。

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(编辑 王亚新)

Energy Consumption Evaluation Method of Rod Pumping System Based on Fuzzy Mathematics

Li Wei1, Zhou Yong2, Xue Xingchang2, Ma Tao3, Guo Longjiang1, Li Songyan1, Li Zhaomin1

(1.ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),QingdaoShandong266580,China；2.PetroChinaXinjiangOilfieldCompany,KaramayXinjiang834000,China；3.ChinaPetroleumandNaturalGasPipelineBureau,LangfangHebei065000,China)

The traditional rod pumping unit with high share and low efficiency is still dominant in the energy consumption of oilfield, thus, the accurate evaluation of rod pumping unit energy consumption is significance to guide oilfield energy saving. Based on fuzzy mathematic theory and combined with the related standard, evaluation index system of energy consumption is established. Then, rod pumping unit energy consumption fuzzy evaluation model is set up by calculating index weight and membership function. The well of Xinjiang Oilfield is chosen for example analysis. The results show that the motor is not match and out of balance. The field specialist shows that the valuation model is comprehensive and accurate.

Fuzzy math； Pumping unit； Energy consumption evaluation； Analytic hierarchy process

1006-396X(2015)06-0039-05

2015-07-20

2015-08-17

国家科技重大专项课题(2011ZX05032-001)；国家高科技研究发展计划(863计划)(2009AA06Z205)；中国石油低碳关键技术重大专项(2011E240)。

李威(1992-)，男，硕士研究生，从事热能工程方向的研究；E-mail：upcliwei@126.com。

李兆敏(1965-)，男，博士，教授，博士生导师，从事采油工程方面的研究；E-mail：lizhm@upc.edu.cn。

TE345

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.06.008