海上稠油井電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型及應(yīng)用

陳歡，朱磊，曹硯鋒，于繼飛

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京100028)

電潛泵采油工藝是為了適應(yīng)經(jīng)濟有效地開采地下石油而發(fā)展起來日趨成熟的一種人工舉升采油方式，隨著油田開發(fā)進入高含水期，電潛泵采油工藝以其優(yōu)越的強采能力和排量大的特點在高含水期油田和海上稠油油田得到廣泛應(yīng)用，在海上油田增油上產(chǎn)方面發(fā)揮了巨大作用。但電泵井系統(tǒng)效率低、耗電量高[1～3]。電潛泵耗電量與系統(tǒng)效率、產(chǎn)液量等諸多因素有關(guān)，這些因素的匹配與否將直接影響電潛泵耗電量，其結(jié)果將進一步影響到電潛泵井的工況[4,5]。目前，電潛泵耗電量的計算一般是依靠專業(yè)軟件來完成的，但是由于其涉及較多的油藏地質(zhì)參數(shù)及較復(fù)雜的計算，軟件計算出來的耗電量是一個相對準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并不能實時監(jiān)測反映油井電潛泵實際的耗電量。在考慮多個影響因素的基礎(chǔ)上，通過對海上某些稠油油田現(xiàn)場大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、分析、整理和統(tǒng)計計算，建立考慮各個影響因素的電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型，分析了各個影響因素對電潛泵耗電量的影響，再經(jīng)過科學(xué)合理配置，對各項采油工藝參數(shù)精確優(yōu)化，為現(xiàn)場提供了一種方便、快捷、實時的計算海上稠油井電潛泵耗電量新方法。

1 電潛泵耗電量影響因素

電潛泵耗電量受很多因素制約，與泵系統(tǒng)效率(ηs)、產(chǎn)液量(QL)、流壓(pwf)、含水率(fw)、氣油比(RGO)、原油黏度(μo)、原油密度(ρo)、井深(L)等諸多因素有關(guān)。由于人力、物力以及現(xiàn)場條件限制，目前只能收集到電潛泵耗電量與系統(tǒng)效率、產(chǎn)液量、井底流壓、含水率和氣油比的數(shù)據(jù)，缺少油水黏度和混合液密度等生產(chǎn)數(shù)據(jù)。而原油黏度和氣油比與井筒壓力和含水率有關(guān)，考慮井底流壓和含水率就間接反映了原油黏度和氣油比。因此，主要研究系統(tǒng)效率、產(chǎn)液量、井底流壓和含水率等因素對電潛泵耗電量的影響。通過對海上某稠油油田大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分析電潛泵系統(tǒng)效率、產(chǎn)液量、井底流壓、含水率等單因素對電潛泵耗電量的影響，結(jié)果如圖1～4所示。

從圖中可以看出，在流體性質(zhì)相近，油藏埋深相近，產(chǎn)液量、流壓、含水率相近，系統(tǒng)效率相同的情況下，電潛泵耗電量的差別也是很大的。電潛泵耗電量是同時受產(chǎn)液量、流壓、含水率、氣油比、系統(tǒng)效率等綜合因素的影響。

圖1 電潛泵耗電量與產(chǎn)液量的關(guān)系 圖2 電潛泵耗電量與流壓的關(guān)系

圖3 電潛泵耗電量與含水率的關(guān)系 圖4 電潛泵耗電量與系統(tǒng)效率的關(guān)系

2 電潛泵耗電量影響因素權(quán)重排序

決定電潛泵井耗電量的因素很多，在建立評價指標(biāo)體系時，主要考慮以下三個方面因素：第一是能夠客觀反映各井的狀況；第二是資料獲取的難易程度以及資料的可靠性；第三評價指標(biāo)與研究目標(biāo)之間函數(shù)關(guān)系規(guī)律性明顯。

為了快速準(zhǔn)確評價電潛泵耗能水平，借鑒層次分析方法和統(tǒng)計分析方法[6～8]對電潛泵耗電量影響因素進行了排序。基于以上原則，選擇了系統(tǒng)效率、產(chǎn)液量、含水率、流壓、氣油比、原油黏度、井深和原油密度共8項指標(biāo)作為主要評價因素，采用最常用的單層評價體系(表1)。

根據(jù)影響電潛泵耗電量的各指標(biāo)敏感性大小，認為8項指標(biāo)對耗電量的影響程度依次為系統(tǒng)效率、產(chǎn)液量、含水率、氣油比、流壓、原油黏度、井深、原油密度，且相鄰兩個的影響程度之差可以認為基本相等，基于以上原則建立指標(biāo)判斷矩陣并求解。

表1 構(gòu)造判斷矩陣賦值

得到：

經(jīng)過計算求得A的最大特征值為λmax=8.2883，相應(yīng)的特征向量為:

(2)

作歸一化處理，則有：

(3)

按總排序向量各元素數(shù)值的大小進行排列，數(shù)值大者，耗電量優(yōu)勢就越大。由ηs、QL、fw、RGO、pwf、μo、L和ρo的歸一化權(quán)重向量可以看出，后3個參數(shù)的權(quán)重大小為0.0477、0.0327、0.0236，可以忽略不計。因此，重點考慮ηs、QL、fw、pwf這4個參數(shù)對電潛泵耗電量的影響，其影響因素大小排序依次為ηs、QL、fw和pwf。

另外，以海上4個油田為例，用統(tǒng)計軟件對稠油井電潛泵耗電量與各影響因素進行多元線性回歸分析。定量分析各影響因素對電潛泵耗電量的影響大小，按照影響程度大小對各因素進行排序，并與層次分析結(jié)果進行對比，如表2所示。

表2 層析分析法與統(tǒng)計軟件影響因素權(quán)重大小排序?qū)Ρ?/p>

從表2中可以看出，層析分析法和統(tǒng)計軟件的影響因素權(quán)重大小排序除了系統(tǒng)效率和產(chǎn)液量不一樣外，其余的影響因素排序是一樣的。導(dǎo)致排序不一樣的原因可能是電潛泵管理不善、下泵深度不合適或者現(xiàn)場標(biāo)配的耗電量與電潛泵實際耗電量不匹配。另外，層析分析法是屬于“專家打分法”，依賴于主觀判斷；而統(tǒng)計學(xué)分析方法主要依賴于各參數(shù)的實際數(shù)據(jù)，沒有考慮到實際工程對具體情況的特殊要求，使得到的部分計算結(jié)果與期望值出現(xiàn)的有所出入。

3 電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型

3.1 含水原油乳化現(xiàn)象

根據(jù)海上稠油油田原油物性試驗研究結(jié)果，原油含水量對原油黏度的影響比較復(fù)雜。原油黏度主要影響泵的特性參數(shù)——系統(tǒng)效率，而系統(tǒng)效率與電潛泵井耗電量直接相關(guān)。含水率對泵特性參數(shù)的影響很大，主要通過乳化作用[9～12]使黏度急劇變化得以體現(xiàn)，當(dāng)含水率較低時，油水乳狀液一般表現(xiàn)為油包水型，其黏度隨著含水率的增加而緩慢增加；當(dāng)含水率較高時，黏度迅速上升；當(dāng)含水率超過某一定值時，黏度又迅速下降，此時油水乳狀液轉(zhuǎn)向為水包油型。此后隨著含水率的進一步增加，油水乳狀液的黏度變化不大。因此，研究含水率與系統(tǒng)效率的關(guān)系間接反映了原油乳化現(xiàn)象。如圖5所示，為稠油油田M1電潛泵系統(tǒng)效率與含水率關(guān)系曲線。

圖5 系統(tǒng)效率與含水率關(guān)系曲線

從圖5中可以看出，M1油田含水率與系統(tǒng)效率的關(guān)系曲線在含水率約為35%時出現(xiàn)拐點，即M1油田在含水率fw=35%時，原油黏度出現(xiàn)轉(zhuǎn)相點。含水率對電潛泵特性參數(shù)的影響較復(fù)雜，它主要通過乳化作用使黏度急劇變化表現(xiàn)出來。當(dāng)fw<35%時，隨含水率的增加，系統(tǒng)效率減小，含水原油乳化液的黏度增加，泵特性變得越來越差；當(dāng)fw>35%時，隨含水率增加，系統(tǒng)效率增加，含水原油乳化液黏度急劇下降，泵特性變得越來越好。隨著含水率的進一步增加，油水乳化液的黏度變化不大。

綜上所述，由于含水原油的乳化作用對電潛泵特性的分段現(xiàn)象，在建立電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型時，應(yīng)分段考慮原油含水率的變化。

3.2 動態(tài)預(yù)測模型的建立

根據(jù)電潛泵耗電量影響因素權(quán)重大小排序以及電量與QL、pwf、fw和ηs的關(guān)系可看出，簡單的統(tǒng)計其數(shù)值關(guān)系是難以分析電潛泵耗電量的影響因素。另外，考慮含水原油的乳化作用對泵特性參數(shù)的影響，需考慮各個影響因素對電潛泵耗電量的綜合影響，建立適合海上稠油油田的電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型。

對收集到的數(shù)據(jù)，利用最小二乘法進行統(tǒng)計。根據(jù)海上油田大量現(xiàn)場生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)，電潛泵耗電量與產(chǎn)液量、流壓、含水率、系統(tǒng)效率之間的相互影響關(guān)系可以用多元線性回歸方程表示。根據(jù)含水原油乳化對電潛泵耗電量的影響作用，電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型可以用分段函數(shù)表示為：

式中：QL為產(chǎn)液量，m3/d；pwf為流壓，MPa；fw為含水率，%；fz為原油含水率轉(zhuǎn)相點，%；ηs為電潛泵系統(tǒng)效率，1；a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2、δ1、δ2分別為模型相關(guān)系數(shù)。

當(dāng)已知油田的電潛泵實際耗電量、產(chǎn)液量、流壓、含水率等計量數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析得到電潛泵系統(tǒng)效率，應(yīng)用層次分析法和多元線性回歸分析就可以得出電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型的各項相關(guān)系數(shù)。

4 應(yīng)用實例

以海上稠油油田M1油田為例，根據(jù)M1油田現(xiàn)場實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)及室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，該油田原油含水率轉(zhuǎn)向點fw=35%。應(yīng)用電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型模擬M1油田在生產(chǎn)過程中電潛泵井所需的電量，并與實際電潛泵耗電量和軟件預(yù)測結(jié)果進行對比分析，如圖6、7所示。

從圖6、7可以看出，電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型和軟件預(yù)測結(jié)果在一定程度上均能反映出電潛泵在實際生產(chǎn)過程中的耗電情況，但電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果與實際耗電量擬合效果較好，計算結(jié)果更準(zhǔn)確，能夠?qū)崟r地反映電潛泵耗電量，而軟件計算結(jié)果高于實際電潛泵耗電量，計算結(jié)果較保守。

表3為M1油田電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型相關(guān)系數(shù)。動態(tài)預(yù)測模型中QL的相關(guān)系數(shù)為正值，表示產(chǎn)液量與耗電量是“正相關(guān)”，當(dāng)產(chǎn)液量增加時，電潛泵需要舉升的流體增加，耗電量是會增大的。pwf的相關(guān)系數(shù)為負值，表示井底流壓與耗電量是“負相關(guān)”，當(dāng)井底流壓增加時，電潛泵需要舉升流體的揚程減小，電量也隨之減小。ηs的相關(guān)系數(shù)為負值，表示系統(tǒng)效率與電潛泵耗電量呈“負相關(guān)”，系統(tǒng)效率越高，耗電量越低。當(dāng)含水率小于35%時，fw的相關(guān)系數(shù)為0.061，隨含水率的增加，含水原油乳化液的黏度增加，泵特性變得越來越差；當(dāng)含水率大于35%時，fw的相關(guān)系數(shù)為—0.041，隨含水率的增加，含水原油乳化液黏度急劇下降，泵特性變得越來越好。電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型中各參數(shù)的相關(guān)系數(shù)具有統(tǒng)計學(xué)意義和物理意義。

圖6 M1油田電潛泵耗電量預(yù)測結(jié)果對比(fw<35%) 圖7 M1油田電潛泵耗電量預(yù)測結(jié)果對比(fw≥35%)

0≤fw<35%a1b1c1d1δ135%≤fw<100%a2b2c2d2δ20.504-2.2530.061-286.20666.0060.262-2.765-0.041-137.05673.399

電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型充分考慮了電潛泵井的ηs、QL、fw、pwf等因素的影響，考慮因素全面，評價結(jié)果客觀，可以應(yīng)用于油田開發(fā)設(shè)計中。

針對海上新油田或綜合調(diào)整油田，當(dāng)新油田或調(diào)整油田含水率低于轉(zhuǎn)相點時，含水原油會出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，在前期研究設(shè)計中電潛泵耗電量預(yù)測需根據(jù)原油含水率轉(zhuǎn)向點進行分段考慮。以綜合調(diào)整M2油田為例，該油田原油含水率轉(zhuǎn)相點為45%，應(yīng)用電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型進行電潛泵耗電量預(yù)測，其單井的電潛泵耗電量預(yù)測結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 M2油田W1井電潛泵耗電量預(yù)測結(jié)果 圖9 M2油田W2井電潛泵耗電量預(yù)測結(jié)果

M2油田應(yīng)用電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果與軟件計算結(jié)果比較接近，且電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型計算更加快捷、方便。與軟件計算結(jié)果相比，平均誤差范圍為6.8%，其計算精度比較可靠，可用于海上稠油油田開發(fā)設(shè)計電潛泵耗電量預(yù)測，并可應(yīng)用于海上稠油油田或者海外油田快速評價。

5 結(jié)論

1)通過對海上稠油油田大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分析了系統(tǒng)效率、產(chǎn)液量、井底流壓、含水率等單因素對電潛泵耗電量的影響。

2)應(yīng)用層次分析法和統(tǒng)計分析法對電潛泵耗電量的影響因素進行權(quán)重排序，分析方法比較可靠。

3)考慮稠油油田原油乳化現(xiàn)象，建立了考慮多影響因素的稠油井電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型，并進行了現(xiàn)場應(yīng)用。計算結(jié)果比較可靠，能夠?qū)崟r地反映電潛泵耗電量，可用于指導(dǎo)稠油油田的開發(fā)設(shè)計，并可用于油田的快速評價。