數據挖掘聚類算法在斜井抽油扶正器設計中的應用

王學軍，劉學軍，王 龍，李 莎，趙永峰

(1.南京工業大學電子與信息工程學院，江蘇南京 210009;2.承德石油高等專科學校，河北承德 067000;3.中國石油天然氣管道通信電力工程總公司，河北廊坊 065000)

對于斜井抽油生產過程來說，影響其工作的因素有很多，包括井眼軌跡、抽油機的桿柱組合、井底流壓、扶正器的位置等多個因素，對于抽油桿來說，其工作狀態與效率，將直接影響整個抽油過程，在對抽油桿的設計中，為防止由于受力、井斜、井深等多方面的影響，可以使用扶正器將抽油桿進行固定，達到防止“失穩”的效果，本文就是通過數據挖掘的聚類算法對扶正器設計的研究應用。

1 聚類算法中的k-均值劃分算法的描述

1.1 聚類算法的劃分方法描述

聚類的劃分算法是指，對于給定對象的數據庫，利用目標函數最小化的方法，通過迭代把數據分成n個組，每個組成為一個簇，這樣的過程稱為劃分。

劃分方法必須要滿足兩個條件:

1)每個分組至少包含一個對象;

2)每個對象必須屬于某一個分組。

1.2 k-均值算法

1)算法定義

k-均值算法是比較流行的聚類算法，其含義是指利用簇內點的均值或加權平均值(質心)作為簇的代表點。

2)算法實現的核心思想

通過迭代把數據對象劃分到不同的簇中，以求目標函數最小化，從而實現通過迭代所生成的簇盡可能地緊湊和獨立。

3)算法實現過程

首先，隨機選取k個數據作為初始的k個簇的質心;

其次，將其余對象根據其與各個簇質心的距離分配到最近的簇中;

再次，求新形成的簇的質心;

最后，上述三個步驟重復執行，直到目標函數最小化為止。

4)算法流程圖(見圖1)

2 基于劃分方法的斜井扶正器位置設計及實驗過程

2.1 斜井扶正器的設計思路

對于目前石油工業比較流行的斜井抽油，扶正器的設計(包括個數、位置等方面)也將影響生產過程及效率。影響扶正器設計的因素很多，包括抽油機的桿柱組合、抽油桿的使用頻率、斜井所在的地理位置等。斜井抽油生產過程中扶正器設計的目標就是利用較少的扶正器防止抽油桿失去穩定性，達到正常生產的目的。本文通過數據挖掘的K均值算法對井深、井斜角等數據的分析，將數據劃分成不同的簇，達到實現設計扶正器位置的目標。

2.2 實驗數據

以某油井(測深不超過400 m的井段)為例，根據測量得到下面的數據表(如表1所示)。

表1 實驗數據表

續表

2.3 扶正器的個數計算

根據該井段的數據分析來看，在這個測深不超過400 m的井段，井眼軌跡的變化不是很大，因此可根據扶正器安裝個數的計算公式aL3－2FL2+λEI=0得到，通過計算可知在該井段大約需要安裝4個扶正器。

2.4 扶正器的位置設計

根據數據挖掘聚類算法中的k-均值算法，對于實驗數據為14個數據(即n=14)，需要劃分的簇個數為4(即k=4)，也就是將14個數據劃分到4個簇中，從而確定其均值(即扶正器需要安裝的位置)。

第一步:隨機選取4個對象為簇的質心，根據該斜井段數據變化比較規律的特性，可將扶正器均勻分布到該井段，因此，可選取4號點(測深56)、8號點(測深170)、10號點(測深227)、13號點(測深340)這四個點為簇的質心。

第二布:利用如下的曼哈坦距離公式，計算其余的10個點到4個質心的距離。

以8號點(測深170)為例，將8號點的數據作為初始的平均數據，計算結果(見表2)。

表2 利用曼哈坦距離公式的計算結果

根據計算結果，按照距離最近的原則，將觀測點分配到相應的簇中，得到了4個簇的劃分結果為:(1，2，3，4，5)、(6，7，8，9)、(10)、(11、12、13、14)，這樣的結果和我們預想的結果不同，不是均勻分布的結果。

第三步:將得到的4個簇重新計算均值，結果見表3:

表3 4個簇重新計算均值的結果

第四步:以新的均值(質心)作為依據，按照第二步重新劃分簇，對其數值改變后，按照距離最近的原則，重新進行簇的劃分，結果為:(1，2，3，4)、(5，6，7，8，9)、(10)、(11、12、13、14)，結果發生了變化。

第五步:對新的簇進行均值的計算(即求質心的過程)，結果見表4:

表4 質心的位置數據

將該結果與第一次均值比較，發現，前面兩個簇的均值發生了變化。

第七步:利用新的均值(即質心)進行最小距離求解，結果沒有發生任何變化，說明計算過程結束。

2.5 計算結論

通過分析，在該口井的不超過400 m深的井段，將安放4個扶正器，分別在測深為30.5 m、141.2 m、227 m、319.75 m處安放扶正器，效果最佳。

3 結束語

通過研究可以發現，在以石油工程斜井抽油生產為代表的工程實踐中將產生很多的工程數據，這些數據之間存在很多的聯系，通過對數據的研究，可得到很多的有用信息，這些信息將對工程生產實踐起到重要的支撐作用，這些應用也將對數據挖掘技術的應用領域起到拓展作用，同時也為相關領域的工程數據處理和預測提供了思路。

［1］王學軍，田乃林，高書香.斜井抽油相關數據的處理方法［J］.油氣田地面工程，2011，30(6):3－4.

［2］檀朝東，張嗣偉.鋼絲繩桿泵抽油系統優化設計方法及現場應用［J］.石油學報，2005，26(6):104－108.

［3］覃成錦.斜井抽油桿扶正器安放間距三維計算［J］.石油機械，1997，25(5):47－48.