油气井生产系统优化设计与诊断决策软件

吴晓东，张建军，韩国庆，师俊峰，岑学齐，赵瑞东

(1.中国石油大学(北京) “石油工程”教育部重点实验室，北京 102249； 2.中国石油 勘探开发研究院，北京 100083)

油气井生产系统优化设计与诊断决策软件

吴晓东1，张建军2，韩国庆1，师俊峰2，岑学齐1，赵瑞东2

(1.中国石油大学(北京) “石油工程”教育部重点实验室，北京 102249； 2.中国石油 勘探开发研究院，北京 100083)

应用采油采气工程技术和计算机SOA架构和B/S模式，成功研制了基于Web的“油气井生产系统优化设计与诊断决策”软件。该软件可对抽油机井、螺杆泵井、电潜泵井、气举采油井4种主体人工举升方式和小油管、连续气举、泡排3种排水采气方式进行优化设计，并具有辅助决策功能。通过在华北、冀东、大港、吉林4个油田近3 200井次(其中：抽油机井2 249口；螺杆泵井408口；电潜泵井439口；气举采油井52口；气井52口)应用与推广，结果表明：平均提高系统效率3.7%，诊断符合率92%；频繁检泵井平均延长检泵周期80 d；其辅助决策模块能大幅提高采油采气工程技术人员的工作效率和管理水平。

油气井生产系统；优化设计；诊断决策；Web服务；应用软件

我国拥有数量巨大的油气井，人工举升和排水采气是油气井开采的主体方式，99%的油井靠人工举升方式开采，80%的气井为产水气井。油气井人工举升能耗巨大，如油井年耗电300×108kW·h，占总采油成本的12%；人工举升系统效率偏低，抽油机井平均为23%，螺杆泵井平均为33%；随着深井、斜井规模应用，检泵周期缩短，作业成本上升。因此，提高单井产量、延长检泵周期、节能降耗是采油采气工程主要的工作目标。目前，用于设计与诊断的商业软件的共同问题是：功能单一且不适合国内复杂油气井现状；国外软件设备库不能满足国内多样化采油设备的设计与诊断；购置费和升级费用昂贵；为单机版软件，无法利用国内数字化平台丰富的数据。本文研发一套功能全面、符合国内油气井开采现状、能够充分利用中石油数字信息平台的油气井生产系统优化设计与诊断决策软件。

1 软件总体功能

软件功能如图1所示，具有物性分析计算、单井产能预测、多相管流计算、温度场计算、人工举升系统(抽油机井、螺杆泵井、电潜泵井、气举采油井4种主体油井举升方式和小油管、连续气举、泡排3种气井排采方式)优化设计与诊断等计算分析功能，能够实现油气井生产系统优化设计、生产系统诊断、生产参数预测、生产潜力预测、决策分析、数据检索等油气井关键生产设计流程的计算机辅助设计和模拟功能，适用于常规油气藏、凝析气藏，直井、斜井、水平井。

图1 软件主要功能工作包

2 软件平台设计

2.1 软件体系结构设计

软件结构如图2示，系统基于B/S结构，分4层：数据服务层、业务管理层、功能应用层和表示层。

图2 软件结构图

油气井生产系统优化设计与诊断决策软件围绕油气井对象进行优化设计与诊断，需要大量的功能模块协同完成。而每个功能实现模块又包括大量的科学计算与图形展示，每一项科学计算对应广泛的输入参数数据和输出参数数据，包括油气井设备数据、油气井生产数据、单元区块油气藏数据、物性参数数据、井身结构数据和其他用户设置的特性数据等；不同计算之间存在相互调用、协同工作、共享数据等关系。针对这种数据类型广泛、计算复杂、功能实现模块粒度差异大等问题，需要设计与建立一个数据处理与计算效率高、可扩展性强、功能模块松耦合高内聚的总体实现平台。

组件是指可进行独立分离、易于重复使用的功能对象。使用组件，用户可以创造性地创建应用程序中某些独立的部分，以后可以重复地使用这些部分。组件在一定程度上就是将完成特定数据处理功能的程序组合起来，这样用户就可以不用关心程序细节，而是直接根据组件的接口对功能进行调用即可。可以将许多功能相似或可协同工作的组件组织在一起形成组件库，这样就可以使用这些组件快速开发应用程序，提高开发效率。此外可以将功能组件分为多个粒度层次，粗粒度的功能组件由细粒度的功能组件组合或者协同完成。不同粒度的组件可以进行数据交换，实现中间结果数据的共享，减少软件计算，缩短响应时间。

基于该设计思想，借助工作流管理机制，将该软件设计为支持组件注册、组合和协同的。整个软件可以看作是油气井生产系统优化设计与诊断决策的框架系统，通过调用各种功能组件实现数据计算、图形显示等操作，方便灵活地对模块组件进行组合以满足不同的功能需求，最终实现油气井生产系统优化设计与诊断决策。

2.2 数据库设计

2.2.1 数据库逻辑模型 软件中围绕油气井的数据，以事物对象、活动、特性3个层面对“油气井数据模型”进行设计与实现。在本软件中：事物对象就是油气井生产中涉及的实体对象，包括电潜泵井、抽油泵井、螺杆泵井和气井等；活动指的是在事物对象上进行的操作，如生产系统优化设计、软件效率计算、工况诊断、井身结构设计、经济评价等，同一个事物对象可在不同时期、不同环境下进行多次“活动”；特性是对事物对象属性以及活动产生结果的描述，如对油气井进行操作过程中涉及的各种数据、属性和计算结果等。

2.2.2 数据库物理模型 逻辑数据模型采用面向对象模型，其面向对象特性的实现采用面向对象编程语言来实现(如C#语言)，利用面向对象语言中的类来构建数据模型中的类，逻辑数据模型中使用的数据类型基于自定义类或者面向对象语言的数据类型，逻辑数据模型中的引用完整性约束通过类之间的关联来维护。数据库采用成熟的对象-关系型数据库Oracle作为数据存储的物理实现。在逻辑模型中需要访问数据库时采用ODBC、ADO+来执行SQL完成数据库操作。

2.2.3 数据访问接口 提供数据接口和支撑是数据平台的关键任务之一，在标准的数据模型基础上，针对逻辑数据模型设计统一的数据存取与交换规范，并通过接口函数实现。

针对底层数据源，采用OLE DB、ADO+、ODBC和其他数据库联接驱动进行连接。根据功能实现的数据要求，通过Oracle编制存储过程和触发器，定制数据抽取规则，解决数据异构冲突，实时地从数据源中抽取各种所需数据，为建立基础数据库进行数据加载。依托基础数据层，在油气井生产系统优化与诊断过程中，通过定义的“油气井数据模型”中对这些数据类型进行抽象与扩充，通过建立标准的存取函数进行访问，可以有效地为上层功能应用提供直接的数据支持服务。数据访问接口采用facade(外观)设计模式。Facade模式属于结构模式的一种具体形式，它主要为软件提供统一的接口，使得客户端通过这个接口来操作子软件，从而使子软件便于使用，也降低了客户端与软件的耦合度。

2.2.4 数据逻辑结构 逻辑模型设计是将概念结构模型转换成油气井开采工程数据库软件可支持的逻辑数据模型。逻辑模型设计的任务就是把概念模型转换成为某个具体的数据库管理软件所支持的数据模型。概念模型的转换原则是：一个实体转换为一个关系模式，实体的属性就是关系的属性，实体的码就是关系的码。一个联系转换为一个关系模式，与该联系相连的各实体的码以及联系的属性转换为该关系的属性。

按照上述原则，结合分布式数据库概念模型，可确定分布式数据库各实体的关系模式。由于油气井开采工程数据关系复杂，所以采用面向对象的思想设计油气井开采工程数据库的逻辑模型。

2.3 数据桥设计

支撑该软件网络平台的底层数据从中石油各个油田公司及其下属分公司采集整理得到。

该软件数据接口与中石油地球科学与钻井系统(以下简称A1)、上游生产信息系统(以下简称A2)生产数据库同时开发，数据接口与A1、A2生产数据库接口保持一致，高度共享。但是石油勘探开发的生产管理数据类型复杂，联系多样，而且数据量极大，有以关系数据库为存储方式，也有以各种格式的数据文件为存储方式的。为实现对这些多数据库系统的统一查询，屏蔽各个业务节点数据库的结构、运行环境上的差异、网络分布状况和具体的物理位置，就需要通过多规则映射——数据桥系统，建立数据集成平台，对各个异构数据源进行无缝连接。多元异构数据源到数据集成平台的映射关系如图3所示。

图3 多元异构数据源到数据集成平台的映射关系

除A1、A2数据库外，软件需要更多的数据支持，然而油田的数据源多、分布零散，结构不统一、格式混乱，为此利用Ontology技术，按照统一的标准开发数据映射工具——数据桥。通过了解中石油12个油田的数据库结构，制定映射规则，开发通用数据桥模块，解决了CNPC各油田公司的数据平台的动态连接的问题，实现了复杂异构数据的动态获取(图4)。

图4 数据动态连接示意图

3 软件关键技术

3.1 基于Web的B/S开发模式

软件采用基于Web的B/S开发模式。其优点为：中石油数据库动态连接，数据实时更新，使得设计结果更准确；基于Internet发布，无需安装配置，设备与投资较少；集中管理，便于整体升级；资源共享，协同工作。

基于Web开发网络软件，实现联网即用，减少投资，便于维护，利于推广普及。实现在线使用软件人数达1 000人，复杂模块满足300人同时计算。使机采系统设计分析具有普及性，利于整体提高系统效率，节能降耗。

3.2 基于BP神经网络的示功图诊断技术

软件采用BP神经网络算法[1]。结合油田生产实际，确定10种有杆泵抽油系统常见工况(10种工况分别是正常、供液不足、气影响、活塞撞固定凡尔、稠油影响、游动凡尔漏、固定凡尔漏、活塞脱出工作筒、衬套乱、抽油杆断脱)，作为神经网络的识别目标，即为确定10个单元的输出层[2]。选取表征示功图集合特征的参数作为输入层，提取典型的图形特征：归一化面积、归一化周长、示功图厚薄率、面积周长比、平均载荷等。为了尽量体现示功图的特征，将其上下冲程线性插值为36点，并将输入节点设为41个。

构建好BP神经网络结构以后，必须有足够的样本来进行训练。样本的来源包括：油田现场采集到的真实地面示功图，通过示功图转化得到地下泵功图，从中选取作为样本。另一方面，为了确保训练后的BP神经网络对每种示功图类型保持敏感，各类型示功图的样本数保持一致，对于现场示功图缺乏的情况下，可以通过人工设计示功图[1-3]。最终使各个类型的示功图数目相当，并且包含故障的不同严重程度的情况。本软件样本库400多个，增加样本有助于提高识别精度。

3.3 基于动态三维杆柱力学的设计方法

我国油田每年新增油井60%是斜井，超过10%的斜井检泵周期低于100 d。针对国内复杂油气井现状，实现了基于动态三维杆柱力学的设计方法，开发了适合于油井和气井，直井、定向井和水平井的优化设计与诊断决策软件[4]。该软件利用三维杆柱力学分析方法，更真实准确地描述了实际情况，杆柱受力分析更准确，设计方案更合理，工况诊断更精确[5-7]。

根据软件中三维侧向力分布计算结果，科学设计扶正器下入方案，改变了现场根据狗腿度下扶正器的经验方法(图5)。

三维与非三维杆柱力学相比，杆柱受力计算不同、泵功图形状不同、有效位移不同(图6)。使用三维杆柱力学分析能够提高功图量油、功图求液面计算精度[8-11]。

3.4 异型机优化设计技术

目前抽油机井优化设计仅限于常规抽油机，对于近几年研发应用的新型节能抽油机及节能配套技术缺乏有针对性的设计方法。软件中根据抽油机结构特征，建立了双驴头抽油机、下偏杠铃抽油机和塔架抽油机悬点运动参数计算模型，可准确描述抽油机悬点运动规律，并建立了悬点载荷计算模型，可预测整个周期内悬点载荷变化规律。从而指导选择合理机型，优化运行参数，提高系统效率，实现节能降耗的目的。

图5 三维杆柱侧应力分布图

图6 泵功图计算结果对比图

3.5 效益最大化设计模型

油井自身条件不同严重影响系统效率大小，因此系统效率不能真正反映系统挖掘潜力。对有杆泵设计方案优选而言，一个好的设计方案，应该包括3个方面：设计产量尽可能接近指定产量；系统效率应该尽量达到该区块最高水平；检泵周期足够长，安全系数足够高[12-14]。

软件中首次引入无因次产量、无因次吨油耗电以及无因次安全系数3个无因次参量来对应采油方案的产量、系统效率、检泵周期3个指标，建立方案优选的新方法。

3.6 系统效率潜力评价模型

鉴于油气井油藏条件、油井深度、井眼轨迹等各方面的差异，油气井系统效率所能发挥的程度也各不相同，传统的以单一系统效率衡量所有井的方法不妥[15-16]。当量系统效率是油井实际系统效率与油井理论系统效率的比值。当量效率的提出可以更清楚地了解各个油井或区块的生产状况，以便指导现场人员做进一步措施调整，挖掘各个油井或区块的最大潜能。考虑油气井油藏条件、油井条件、工具现状的基础上建立当量系统效率模型，该模型为正确认识油气井生产状况、科学提高系统效率提供了依据。

4 现场应用效果

软件先后在华北、冀东、大港、吉林4个油田进行了现场应用与推广。截止到2012年8月底培训近300人，应用井次近3 200口，其中：抽油机井2 249口；螺杆泵井408口；电潜泵井439口；气举采油井52口；气井52口。平均提高系统效率3.7%，诊断符合率92%。频繁检泵井平均延长检泵周期80 d，取得了显著的增油、降耗、延长检泵周期的效果。辅助决策模块大幅提高了采油采气工程技术人员的工作效率和管理水平，降低了管理成本，统计显示减少人力工作20%以上。作为网络版软件节省了大量的软件购置费，4个油田节省同类软件购置费和升级费1.65亿元以上。

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责任编辑：张新宝

2014-04-19

中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目“油气井生产系统优化设计与诊断决策软件研究”(编号：07-06-01-05)

吴晓东(1958-)，男，教授，博士，博士生导师，主要从事油气田开发工程研究。E-mail:wuxd308@263.com

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