抽油机最优悬点载荷利用率的判断方法研究

朱治国（华北油田分公司第三采油厂）

1 现状

在石油开采过程中，抽油机是主要的采油设备，对于抽油机来说，抽油机载荷利用率是决定抽油机井能耗水平高低的重要影响因素之一，抽油机载荷利用率是指抽油机实际悬点最大载荷与抽油机铭牌最大载荷之比。抽油机载荷利用率过高，容易造成抽油机使用寿命降低；抽油机载荷利用率过低，容易造成高耗能生产。为了降低抽油机在运转过程中的能耗，延长抽油机的使用寿命，有必要对抽油机井的合理载荷利用率进行优化分析。

目前的研究主要集中在抽油机载荷利用率的影响因素上，例如，随着冲程、冲速、动液面、泵径和泵挂深度的增加，抽油机载荷利用率成正比例线性增加，各项参数按照对抽油机载荷利用率的影响权重大小依次排序为：冲程、冲速、动液面、泵径和泵挂深度[1]。另外，合理的抽油机悬点载荷利用率对于抽油机选型也有重要的作用，有研究认为目前的抽油机选型公式，由于各油田生产状况的不同，需要对其进行修正，以得到符合该油田的抽油机选型公式，在统计分析的基础上对公式进行了优化，获得了修正系数，用以指导抽油机选型，优化后的公式准确率提高了5%左右[2]。

2 大数据分析技术

大数据分析是指对海量多类型、快增长且内容真实的数据进行分析，从中找出可以帮助决策的隐藏模式、未知的相关关系或其他有用信息的过程[3-4]。大数据分析技术作为近年来的新技术，在很多领取取得了成功应用，尤其在电子信息行业的发展突飞猛进，但是在石油行业，大数据分析技术还没有得到足够的应用，有部分研究学者将数据挖掘技术应用到石油工程领域，通过建立数据分析模型，保障了油田各项数据的质量，实现了对油井，甚至整个系统的监视，对提高油气田产量具有重要意义。

与传统的分析方法相比，数据挖掘技术可以实现从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际数据中，提取隐含其中的潜在应用价值的信息和知识[5]。抽油机悬点载荷利用率是衡量抽油机是否运行平稳、节能的一项重要指标，抽油机悬点载荷过大，造成抽油机维修次数增加，抽油机悬点载荷过小，将造成大马拉小车的现场，增加生产能耗，因此合理的抽油机悬点载荷利用率在油井的正常生产中具有重要意义，此次分析是以现场实际采集的生产数据为基础，应用大数据分析技术，确定抽油机最优悬点载荷利用率，以实现抽油机节能高效运行。

3 现场应用

3.1 数据采集

数据采集是大数据分析的第一步，真实可靠的数据有利于快速进行分析，数据采集了华北油田采油三厂近800余口油井的生产数据，包括井号、井数、电动机负载率、抽油机载荷利用率、单井日耗电，并对其中明显错误的数据进行了处理，得到可以进行数据分析的分析数据集。

3.2 数学分析

3.2.1 第一抽油机悬点载荷利用率的确定

对得到的分析数据集按电动机负载率的不同由小至大进行排序，电动机负载率相同的为一组，得到40组不同的数据，对所得40组数据分别进行抽油机悬点载荷利用率与单井日耗电的二次多项式拟合，求出在定义域范围内的日耗电量最低时的抽油机悬点载荷利用率为抽油机在该电动机负载率下的最优悬点载荷利用率，称之为第一抽油机悬点载荷利用率。

以电动机负载率45%为例进行说明，建立直角坐标系，以抽油机悬点载荷利用率为自变量，以单井日耗电量为因变量进行散点图绘制并进行二次多项式拟合，得到该组生产数据的二次多项式，如图1所示。

图1 抽油机载荷利用率如日耗电关系图

对上述数学关系式 y=134.1x2-182.8x+385.3进行一阶求导，确定出在定义域范围内日耗电最低时的抽油机悬点载荷利用率为68.2%，称之为第一抽油机悬点载荷利用率。按照类似的方法对所得的40组数据分别进行分析，得出40组在各自电动机负载率下的最优抽油机悬点载荷利用率，具体数据如表1。

3.2.2 第二抽油机悬点载荷利用率的确定

上述得到的40组数据，明确了在特定的电动机负载率下的油井合理的抽油机悬点载荷利用率，但是现场实际生产过程中，由于诸多原因，电动机的负载率各不相同，因此为了针对所有油井确定一个可供参考的抽油机最优先点载荷利用率，意义显得尤为重要。故而以上述得到的40组第一抽油机悬点载荷利用率为数据基础，进行了统计分析，绘制了正态分布图[6]，如图2所示。

表1 第一抽油机载荷利用率

图2 抽油机悬点载荷利用率正态分布图

经分析认为：上述40组数据服从正态分布N（0.65，0.007），引入正态分布参数 μ和 σ对变量进行约束，并依据“3σ准则”划分边界条件进行质量控制，划分边界范围P（μ-σ＜X≤μ+σ），即：P（0.566＜X≤0.734）。筛选出在边界范围的数据共有28组，对其求取平均值为0.67，即为第二抽油机载荷利用率。也即抽油机正常运转时的最优悬点载荷利用率，在此抽油机悬点载荷利用率下运转抽油机能耗最低。

通过对油井抽油机每一组生产数据进行处理，求得每一组生产数据中的单井日耗电量取最小值时的第一抽油机悬点载荷利用率，对多个第一抽油机悬点载荷利用率进行数据分析处理，获取第二抽油机悬点载荷利用率。当抽油机以第二抽油机悬点载荷利用率运行时，单井日耗电量最少，第二抽油机悬点载荷利用率即为所模拟出的油井抽油机在正常运转过程中的最优悬点载荷利用率。

3.2.3 现场应用

现场实际应用过程中，依据抽油机最优悬点最优载荷为67%的原则，结合油井完井优化、地面调平衡等技术，使得抽油机悬点载荷利用率尽量靠近67%，实现系统节能高效运行。现场调平衡50井次，调冲程、冲速62井次，结合完井优化设计杆柱组合197次，年节电约26.55×104kWh，节能效果良好。

4 结论

通过应用大数据分析技术对抽油机悬点载荷进行了研究，依据现场实际生产数据确定出了抽油机最优悬点载荷利用率为67%，基于最优悬点载荷利用率可以进行适当的参数调整及抽油机选型，从而实现抽油机低能耗高效运行，延长收油机使用年限并现场调平衡50井次，调冲程、冲速62井次，优化设计标柱197次，年节电26.55×104kWh。