有杆抽油系统能耗评价专家系统研究

麻 涛， 杨肖曦， 李松岩， 龙凤乐， 王观军，张 强， 杜红勇， 秦国顺

（1.中国石油天然气管道局，河北廊坊065000；2.中国石油大学储运与建筑工程学院，山东青岛266580；3.中国石油大学石油工程学院，山东青岛266580；4.胜利石油管理局技术检测中心，山东东营257000）

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［1－2］，因此对有杆抽油系统能耗总体及各设备运行状况情况进行准确的评价对降低有杆抽油系统能耗，提高系统经济性有重要作用［3］。而目前针对有杆抽油系统能耗的评价过多的依赖现场维护人员的经验，不能全面考虑。本文以专家系统理论为基础，结合专家经验及相关标准组建有杆抽油系统能耗评价知识库，构建有杆抽油系统能耗评价专家系统，对系统及设备进行全面的评价，为现场节能降耗提供准确的技术支持。

1 知识库表示

专家系统中，知识库表示的恰当与否直接影响着系统的知识获取能力和知识运用效率，因此，知识库表示是建造专家系统中最基本的问题。有杆抽油系统能耗评价领域知识比较丰富，主要由评价指标体系、评价规则体系和评语体系组成。

1.1 评价指标体系

查阅大量文献资料，参考多位专家意见，并结合评价指标建立原则得出有杆抽油系统能耗评价指标体系由技术指标、经济指标和社会指标3部分构成［4］。

1.1.1 技术指标 有杆抽油系统有效能量与输入能量之比为系统效率η，是有杆抽油系统的主要技术指标，也是系统能耗评价的重点。计算公式如式（1）所示：

其中：P有为有杆抽油系统有效功率，kW；P入为有杆抽油系统输入功率，kW。

同时根据有杆抽油系统能耗分布及系统结构，评价技术指标还应包括地面因素、井下因素和管理等方面因素。

地面因素指以抽油机光杆悬绳器为界，电机、皮带、减速箱及四连杆等设备对系统能耗的影响，但现场对于一些设备参数采集较为困难，地面因素评价指标简化为电机功率因数cosφ及电机功率利用率β两部分。计算公式如式（2）、（3）所示：

井下因素指抽油机光杆悬绳器以下的设备（盘根盒、抽油杆、抽油泵等）对系统能耗的影响，同样简化抽油泵排量系数α排作为井下因素主要评价指标。计算公式如式（4）所示：

其中：Q实为抽油泵的实际排量，m3／d；Q理为抽油泵的理论排量，m3／d。

管理因素指日常生产管理对系统能耗的影响，主要包括平衡度和抽汲参数匹配数两部分。计算公式如式（5）、（6）所示：

其中：I下为下行最大电流，A；I上为上行最大电流，A；S为冲程，m；n为冲次，min－1；Hd为有效扬程，m。

另外，原油的物理参数及地质因素，如渗透率、油气比、黏度等对有杆抽油系统能耗也存在较大影响，需要对不同油藏及地质参数分层考虑进行评价。1.1.2 经济指标 百米吨液耗电是指抽油系统将井下一吨液体提升100m所消耗的电能，单位是kW·h／（100m·t），是有杆抽油系统重要的经济指标。计算公式如式（7）所示：

其中：QT为产液量，t／d。

1.1.3 社会指标 由于社会对原油需求日益增长，因此产液量QT也必须作为评价有杆抽油系统的一项指标。

1.2 评价规则体系

规则体系存放专家设立的判断各个指标优劣的阀值或范围区间，是联系指标体系和评价体系的纽带，也是系统评价准确与否的关键所在。本系统采用分类统计法对多名专家提出的有杆抽油系统能耗评价指标规则及国标规定值进行处理，得到相对准确的评判规则。

不同油藏条件下有杆抽油系统效率的限定值及节能值如表1、2、3所示。

表1 系统效率节能监测指标Table1 Monitoring index system efficiency and energy saving

表2地层渗透率对系统效率的影响系数Table2 The influence coefficient of oilfield permeability on system efficiency

表3 泵挂深度对系统效率的影响系数Table3 The influence coefficient of pump setting depth on system efficiency

国家行业标准规定有杆抽油系统电动机功率因数限定值为0.4，功率因数低于标准，则表示电动机无功损失太大，造成了大量的能量消耗，应及时检修；电机功率利用率大于35%为节能，大于20%即为合格，同时，功率利用率大于50%时出现过载现象［5］；稀油井抽油泵排量系数达到0.45为合格，稠油井到达0.4为合格，过低的抽油泵排量系数会造成泵效降低，能量损失增大；国标规定抽油机的平衡度在85%～115%为合格，但由于平衡块的惯性作用，考虑到实际生产情况，把平衡度定为70%～110%［6］；规定有杆抽油系统普通稠油百米吨液耗电小于1.55kW·h／（100m·t）为合格，特稠油百米吨液耗电小于9.75kW·h／（100m·t）为合格，超稠油百米吨液耗电小于23.25kW·h／（100m·t）为合格。

产液量及抽汲参数匹配数为越大越优，但在有杆抽油机井抽汲参数及产液量设计时不应该总是考虑以其极大值为最佳，因为若过分追求某一最大可能会导致其他参数值的降低，最终不利于整体能耗的控制。

1.3 评语体系

有杆抽油系统评语体系由整合多位专家针对整体能耗状况或单个设备运行状况的多条评价语句构成，总体归为3类：Y1—运行参数偏小；Y2—运行参数正常；Y3—运行参数偏大，结合相应的评价指标及专家处理意见，得到相应的评语，如“系统整体状况较好，请继续保持”，“电机选型过大，存在大马拉小车现象，请调整电机接线方式”等。当用户输入的指标条件与其特定规则匹配时就会调用对应的评语，向用户做出正确的评价及建议。

2 有杆抽油系统能耗评价专家系统

专家系统（ES，ExpertSystem）是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统，是人工智能中发展和应用最成熟的一个方向［7－9］。有杆抽油系统能耗评价专家系统是模拟采油技术、能量评价领域专家考虑问题、解决问题的方法，对选定系统进行科学的诊断、评价的人工智能系统［10］。

有杆抽油系统能耗评价专家系统主要包括人机对话模块、黑板模块、知识库模块和推理机。人机对话模块用于接受信息、显示结果及获取知识更新；黑板模块用于暂时存放中间数据，可随时擦除、替换，是内部数据的中转站；知识库包含指标库、规则库、评语库，是专家系统准确与否的关键；推理机用于数据的计算、比较、判断等。

系统通过人机对话模块接收用户输入的基础参数，在系统指标库的主导下，启动推理机的推理计算子模块，得到相关的评价指标值存入“黑板”，然后调用规则库，搜索各指标的评判规则，并查询“黑板”匹配规则条件，匹配成功则把相应的评语保存至黑板；如不成功，则继续匹配。能耗评价专家系统流程如图1所示。

图1 有杆抽油系统能耗评价专家系统流程图Fig.1 The process diagram of rod pumping system energy consumption evaluation expert－system

3 应用实例

以胜利油田临盘采油厂一矿L14－X30井2011年2月测试数据为例，应用专家系统进行能耗评价。首先由人机接口模块收集基础参数（如图2所示），推理机对系统各项评价指标值进行计算，中间参数存入“黑板”，调用知识库中的规则体系对计算得到的指标依次判断，寻找匹配的评价语句输出用户界面（如图3所示），同时应用系统辅助模块对数据进行统计、存档等。

图2 参数输入界面Fig.2 Data collection

图3 评价及建议界面Fig.3 Evaluation and suggestions

系统分析认为电机不匹配、平衡度差、抽汲参数不合理是该系统目前存在的主要问题，应该更换小功率电机或节能电机，及时调整平衡度及抽汲参数，加强日常管理。对该井现场调研表明本系统提出的评价建议准确、实用，可对现场管理人员提供一定程度的技术支持。

4 结论

1）建立了以系统效率、电机负载率等为主体，能反映有杆抽油系统技术、经济、社会层面的能耗评价指标体系，同时确立了其评价规则及评价语句，构成了有杆抽油系统能耗评价知识库。

2）构建了有杆抽油系统能耗评价专家系统，对胜利油田临盘采油厂一矿L14－X30井进行评价，认为电机不匹配、日常管理水平差是该系统存在的主要问题，并提出相关建议，评价结果准确。

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