大數據技術在功圖計產方面的應用研究

鄧 濤，姬宗江，李進雅，楊 磊，瑪麗亞，陳攀東

（1.新疆油田采油二廠,新疆 克拉瑪依 834008；2.四川鴻韻科技有限公司，成都 610000）

0 引言

油井生產中建立功圖計產系統是數字化建設的重要內容，可以推進計量方式變革創新，獲取更加精準的數據結果。伴隨著應用油井數量增加，在功圖計產中大力推廣應用大數據技術有助于優化生產流程，實現數據信息的自動化監測、采集和處理，挖掘有價值的信息指導現場管理和油井生產，在提升產能的同時最大限度降低建設和運行成本。為了發揮更加積極的效應和功圖計產優勢，油井生產中應積極引入大數據技術，推動軟硬件維護和完善，從海量數據中深層次挖掘有價值的信息，在提升數據更新的及時性和準確性的同時指導后續油井生產活動高效進行。因此，新時期積極推動大數據技術和功圖計產融合是必然選擇，對于后續油井生產和管理工作開展具有積極的參考價值。

1 功圖計產計數原理和構成

功圖計產是基于抽油系統有桿泵施工圖，將定向井有桿泵抽油系統作為三維振動系統，系統較為復雜，在一定初始條件、邊界條件基礎上構建的有桿泵抽油系統力學模型，基于有限元方法來實現。通過模型可以計算系統不同井口示功圖下的泵功圖響應，深入分析后選擇多邊形逼近法、適量特征法來精準識別沖程，計算出油井有效排量。油井功圖計產選擇有效沖程法的計算公式如下：

式（1）中，

A

是泵柱塞橫截面積，

n

是沖次，

S

是有效沖程，

B

是原油體積系數。式（2）中，

Q

是采集第

m

張功圖工況恒定，持續

T

時間的產液量。通過采集示功圖數據進行大數據分析，獲取泵功圖得到有效沖程

S

后，即可計算得到精準的產液量

Q

。

系統基于B/S 結構和C/S 結構，包括前端數據采集設備、數據庫、站點客戶端、Web 發布服務器等部分。系統各部分按照分布式協調處理方式運行，基于前端數據采集計算分析，將處理后的數據上傳到服務器，并通過網頁服務器發送數據信息。

2 功圖計產的影響因素

基于功圖計產公式進行分析，計量精度會受到有效沖程、沖次、泵徑功圖采集張數及原油體積系數等因素影響，導致數據偏差較大。具體影響因素如下：①泵徑，誤差在23%～84%范圍內；②沖程，誤差在16.6%～150%范圍內；③抽杠桿材料；④抽油機型號，誤差為5%；⑤沖次，誤差在5%左右；⑥精神數據和有關規格，原油物性及原油密度等因素。

3 功圖計產中大數據技術應用的注意要點和應對措施

3.1 注意要點

3.1.1 硬件容易出現故障，信號失真

功圖計產選擇載荷與位移傳感器，使用較為頻繁，因此故障率較高，信號容易漂移，一定程度上影響到設備的使用壽命。載荷和位移傳感器出現信號漂移，在施工圖載荷測試時增減趨勢明顯，最終計量結果精度大大下降，尤其是載荷傳感器是在抽油機方卡子處安裝的，隨著抽油機運動，抽油機工作按照沖次5 次/分計算，每年的運動次數多達700 萬次，磨損程度較大。傳感器長期暴露在戶外環境下，受環境因素影響較大，一旦傳感器受損，則會導致信號漂移，計量結果精準度隨之下降。位移和載荷傳感器應配備單獨的電源線，傳感器長時間運動，可能導致線纜老化、斷裂，尤其是在修井作業期間，傳感器損壞概率較高。當前節能環保背景下，使用無線太陽能一體化載荷和位移傳感器，使得油泥污染問題較為嚴重，出現的供電不足現象則會影響到傳感器正常采集數據。

3.1.2 數據需要及時更新

功圖計產方面有大量的生產參數，應及時更新油井參數信息，全面保障計量結果的精準性。同時，應保證輸入的油井節點號的精準性，初始化沖程后會得到正確的計算結果。

3.1.3 功圖計產軟件有一定適用范圍

功圖計產所選擇的軟件要有一定適用范圍，對于卡泵、凡爾失靈、抽油桿斷脫、氣鎖等一級預警，不需要計算分析。對于油管上部滲漏和連抽帶噴等特殊油井，則不適宜選擇功圖計產。

3.2 應對措施

3.2.1 提升硬件可維護性

為了獲取精準可靠的結果，應提高硬件的可維護性，主要表現在以下幾點。①系統故障診斷修正。快速檢測和定位故障位置，結合不同故障類型選擇對應解決方法，提升系統可維護性。通過上位機周期性故障檢測信號發送，示功儀自動檢測和反饋。適當修正和調整漂移信號，盡可能減少維護工作量。②儀表診斷。示功儀自動診斷，基于自我診斷模型，一旦發現異常點，如施工圖測試數據丟失、傳感器載荷漂移，就快速自動檢測故障，并發出預警信號。特殊工況下載荷跳變診斷，上位機診斷工況，設置故障過濾，井況恢復正常后即可解除過濾。③載荷傳感器在線標定，免于拆卸。如果載荷傳感器測量誤差較大，誤差超過5%，多選擇人工拆卸設備的方式，然后實驗室內借助壓力模擬機標定，此種方式消耗的時間和精力較大，油井正常的生產活動也會受到不同程度的影響。基于在線標定技術，可以免去人工煩瑣拆卸環節，標定時間縮短到10 分鐘以內。

3.2.2 提升軟件適用性

提升軟件適用性可以從以下幾點入手。①深入研究原油體積系數影響因素、計算方法。②加強油井桿液黏滯摩阻力研究分析。③加強數據完整性研究。警示過期輸入數據，未能及時更新的數據信息定期分級預警，為后續數據維護管理提供支持；矛盾輸入數據預警，及時分析和處理；錄入數據時提供預警，發現錯誤指導改正；A2 數據庫以及數據采集與監視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統導入油、含稅和動液面等數據信息。同時，也要推動軟件定期更新完善，豐富數據對比和數據挖掘功能，提供模型優化數據。保證基礎資料精準、完整，完成實測供圖對比的油井，將對比數據上傳到服務器中進行數據挖掘，獲取有價值的信息來調整油井生產工作。

4 功圖計產中大數據技術的應用

功圖計產中大數據技術的應用至關重要，對于油井生產中所產生的大規模、多類型的數據信息，可以發揮大數據技術優勢，從海量信息中提取有價值的信息，創新性地將數據庫技術、統計分析技術和人工智能技術整合在一起。依托于油井工況、動態分析及功圖計產產生的數據信息，利用大數據技術對數據進行整理、轉換和挖掘利用，進一步提高數據分析深度，并組織動液面計算，實時監測系統運行效率，區塊動態分析。從油井生產現場大數據技術的應用效果可知，在滿足現場管理工作需要的同時，其能最大限度減少整體生產成本和資源損耗，創造更大的經濟效益。

4.1 井下泵示功圖計算動液面

功圖計產中應用大數據技術，發揮大數據的數據挖掘作用，從海量數據中挖掘有價值的信息。在大數據技術支持下，可以收集完整的油井生產數據，發揮大數據技術實現數據采集、集成、轉換、挖掘應用，功圖系統數據分析進一步深化，基于井下泵示功圖計算動液面，整合動態數據和靜態數據，將抽油泵沉沒壓力作為節點，并選擇油套環空壓力狀態和有關內外桿柱受力等參數，實現泵沉沒壓力分別計算，在此基礎上構建專門的系統動態平衡方程，精準計算動液面。在數據實時分析系統泵示功圖基礎上，可以有效規避抽油桿柱變形、振動、慣性以及桿柱黏滯阻力等因素的不良影響。計算動液面的公式如下：

式（3）中，

F

是固定法開啟平衡載荷，

F

是游定閥開啟平衡載荷，

f

是柱塞和泵筒之間的摩擦力，

f

是泵柱塞界面劑，Δ

p

是固定閥過閥壓降，Δ

p

是游動閥過閥壓降，

P

是油套球空上部氣柱對動液面壓力，

L

是動液面深度，

P

是泵沉沒壓力，

ρ

是液體密度。按照公式來說，合計油井動液面計算模塊嵌入到油井功圖計產系統中，可以在人機交互界面直觀顯示單井信息。

4.2 基于電參數據的在線監測抽油機系統

油田數字化前端采集油井電參數，這一指標主要用于抽油機運行工況判斷和分析。抽油機電參數和功圖計產結果輸入到系統中，可以實現系統在線監測功能，但需要同步采集各個沖程內電參和功圖數據。建立統一信息存儲標準，改善數據采集、存儲手段，統一存儲到數據庫中。系統計算數據誤差不超過2%，可以滿足實時在線監測和發布需要，相較于傳統人工測試方式效率更高，工作量更少，成本更低，為后續的系統智能調節提供支持。

4.3 區塊動態分析

油井生產活動持續進行，相應地會連續產生數據信息，此類信息主要用于油井生產工況和產業量計算分析，探究如何借助此類數據源來反饋油井生產壓力、產量與地下水位變化規律等信息。功圖計產系統中融合大數據技術，加強區塊動態分析，統計分析油井相關數據信息，按照對應模板來智能化分析工業能力、設備故障和產量等問題，獲取可靠的信息，指導油井生產活動順利進行，滿足精細化管理需要。通過區塊動態分析，可以實現油田生產中區塊共性問題提煉和分析，遵循預設模板進行產量分析、供液能力分析和故障分析，動態分析下優化油井生產管理工作，落實精細化管理模式，為后續的管理和決策提供支持。

功圖計產中大數據技術應用優勢明顯，在實踐中積累了豐富的經驗，系統功能也得到了延伸拓展，有助于提高油田數字化前端系統的核心地位。但是，大數據技術的應用也要規范數據存儲格式，提升數據挖掘效率，加大數據信息審核力度，實現數據類型和諧統一，保障數據存儲質量；數據挖掘中，借助可視化工具來支持各項工作開展，提升數據可視化效果，實現數據挖掘全過程可視化，滿足現場管理需要。另外，也要注重數據挖掘系統和算法的合理掌控，盡可能少走不必要的彎路，并且充分結合石油專業相關知識，尋找更適合石油企業實際情況的數據挖掘方法。通過此種方式，實現油田生產和智能化管理，切實提升企業的核心競爭優勢，謀求可持續發展。

5 結語

在功圖計產中融合大數據技術可以實現數據信息高效采集、存儲和分析，在海量數據信息中挖掘有價值的信息，為油井現場生產、管理提供支持，提升精細化管理水平，盡可能降低工作量和工作成本。