李 威， 周 勇， 薛興昌， 麻 濤， 郭龍江， 李松巖， 李兆敏

(1. 中國石油大學(華東)，山東青島 266580； 2.中國石油新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834000；3. 中國石油天然氣管道局，河北廊坊 065000)

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基于模糊數學的有桿泵采油系統能耗評價與診斷方法

李 威1， 周 勇2， 薛興昌2， 麻 濤3， 郭龍江1， 李松巖1， 李兆敏1

(1. 中國石油大學(華東)，山東青島 266580； 2.中國石油新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834000；3. 中國石油天然氣管道局，河北廊坊 065000)

有桿泵采油系統在我國占有率高，但系統效率偏低，在油田能耗中占主導地位，因此，準確評價有桿泵采油系統能耗對油田節(jié)能改造有重要的指導作用。基于模糊數學理論，結合相關國家、行業(yè)標準，建立了全面的能耗評價指標體系，并應用科學方法計算指標權重及隸屬度函數，最終建立有桿泵采油系統能耗評價模型。對新疆油田某系統進行實例分析，評價結果表明該系統電機匹配不合理、平衡度差，能耗等級為中，經油田現場確認，評價結果全面、診斷結果準確。

模糊數學； 有桿抽油機系統； 能耗評價； 層次分析法

有桿抽油方式占全國油井抽油總數的70%以上，是目前最主要的采油工藝，同時其能耗在原油生產過程中所占的比例也是最大的[1]。與國外油田相比，國內油田有桿泵采油系統效率偏低，具有很大節(jié)能潛力。因此，對有桿抽油系統能耗總體及各設備運行狀況進行準確的評價對降低有桿抽油系統能耗、提高系統經濟性具有重要意義[2]。但目前采用的評價方法都是對單個因素或設備的簡單判定，不能全面、完整、準確地反映系統運行狀況。考慮到上述不足，本文基于模糊數學理論，建立了有桿泵采油系統能耗模糊綜合評價模型，對有桿泵采油系統能耗狀況進行全面、準確的分析及評價。

1 有桿泵采油系統能耗影響因素

有桿泵采油系統是利用電機等裝置將能量進行傳遞和轉換，最終將井底液體舉升到井口的裝置，主要由抽油機、抽油桿和抽油泵等部件組成，根據系統結構將抽油機系統能耗影響因素分為地面、井下及管理三個方面[3-4]。

地面因素指自光桿懸繩器以上設備對能耗的影響，主要包括原動機(電動機)、皮帶、減速器及四連桿等因素[5]。電動機損耗主要包括銅損、鐵損、機械損耗和雜散損耗，與電機種類及負載率等因素有關；摩擦損失是其他地面設備的主要能損形式，一般占輸入能量的15%～20%。

井下因素指光桿懸繩器以下裝置對系統的影響，主要包括盤根盒、抽油桿、抽油泵等因素。摩擦損失也是盤根盒及抽油桿能耗的主要原因；抽油泵損失主要包括機械、容積和水力損耗，主要受泵充不滿和漏失的影響[6-7]。

管理因素指系統參數調整不合理對系統能耗造成的影響，主要包括抽汲參數、平衡度以及設備保養(yǎng)等因素[8]。

2 有桿泵采油系統能耗模糊綜合評價模型的建立

所謂模糊數學就是在多個影響指標(因素)制約下，對原來只能定性分析的事物進行模糊綜合決斷，得到可量化評價結果的過程。因素集、評語集和權重集是模糊綜合評價的三個基本要素[9]。

2.1有桿泵采油系統能耗評價因素集

根據有桿泵采油系統結構及能耗影響因素，得到能耗評價指標體系(因素集)，從有桿泵采油系統經濟技術、機型匹配、電機匹配、傳動部件、井下及管理六個方面及其對應的二級評價指標對系統能耗狀況進行模糊綜合評價。

各評價指標內部細化為其對應的二級指標，如表1所示。

2.2 有桿泵采油系統能耗評價評語集

評語集是對客觀事物優(yōu)劣的直觀體現，不同人對事物有著不同的觀點，也是一個模糊的概念。本文將有桿泵采油系統能耗評判等級V定義為4個等級，用V=[V1V2V3V4]=[優(yōu)良中差]來表示有桿泵采油系統能耗狀況[10]。

表1 有桿泵采油系統能耗評價因素集

等級的劃分是一種模糊的概念，為了更加明確的比較和表達系統的優(yōu)劣，對評語集進行量化處理，通過數值對應相應模糊評語，如表2所示。

表2 系統能耗等級表

2.3 有桿泵采油系統能耗評價隸屬度函數

確定評價因素集及評語集后，需要根據指標特性以及被評價對象的實際情況，確定各評價指標對評語集的隸屬度函數，準確的構造隸屬度函數是影響評價結果準確度的關鍵[11]。本文根據相關國家、行業(yè)標準，結合相關文獻資料和油田統計數據，利用梯形函數對各二級評價指標進行隸屬度函數構造。

2.3.1 偏大型梯形函數 偏大型梯形法分布如圖1所示。理論上系統效率、產液量、功率因數等評價指標越大，表示系統越好，因此采用偏大型梯形構造隸屬度函數。μi(x)(i=1,2,3,4)分別代表評價指標值x對評價集{優(yōu)，良，中，差}的隸屬度函數，Xi(i=1,2,3,4)表示閾值。具體閾值見表3。

圖1 偏大型梯形法分布

Fig.1 Partial large trapezoidal distribution

表3 偏大型指標閾值表

注：K為滲透度及泵掛深度對系統效率的影響系數[12]。

2.3.2 中間型梯形函數 中間型梯形法分布如圖2所示。理論上電機功率利用率和平衡度等評價指標存在一定范圍內的最優(yōu)值，采用中間型梯形構造隸屬度函數。其中μi(x)(i=1,2,3,4)分別代表評價指標對評價集{優(yōu)，良，中，差}的隸屬度函數，Xi(i=1,2,3,…,7,8)表示閾值。具體閾值見表4。

圖2 中間型梯形法分布圖

Fig.2 Intermediate trapezoid distribution

2.4 有桿泵采油系統能耗評價權重集

對于評價對象而言，每個評價指標對其影響的程度不同，同時不同人所偏向的重點也不相同，所以需要確定各評價指標對評價對象的權重集[13]。

2.4.1 一級指標權重 層次分析法即考慮到人為因素對評價結果的正確影響，又應用數學的方法減小了人為因素的不確定性，因此采用層次分析法(AHP)確定能耗評價一級指標權重集W。

表4 中間型指標閾值表

1) 構造判斷矩陣

根據各指標間的相互關系，按照判斷矩陣標度構造判斷矩陣D|ξij|,ξij表示指標i對指標j的重要程度，如ξ14=8表示經濟技術指標比傳動部件指標強烈重要，同時ξ14=1/8。

(1)

2) 計算權重集

(2)

(3)

3)驗證權重集準確性

通過計算判斷矩陣DW的最大特征根

(4)

(5)

最終計算指標一致性比率

(6)

因此，權重集確定合理，并且從中可以看出經濟技術指標是影響系統能耗的主要因素，其次依次為電機匹配指標、井下指標等。式中，當因素個數n=6時，RI=1.24。

2.4.2 二級指標權重 專家評分法指利用專家經驗對各指標賦權重的方法，此方法簡單、易于操作，在評價指標較少的情況下可以充分發(fā)揮專家的知識、經驗，通過數學的方法綜合每位專家意見，得到的權重集，結果較為準確。

本文中各一級指標的二級指標個數都較少，因此采用專家評分法。在查閱大量相關文獻以及參考油田測試數據的基礎上，通過向對抽油機系統能耗較為了解且具有豐富教學和實踐經驗的中國石油大學(華東)石油工程系、能源與動力工程系、機械工程系等專業(yè)的專家、教授發(fā)放調查問卷的方式，統計調查問卷結果得到各一級指標的二級指標權重集：W1=[0.95 0.05],W2=[0.65 0.35],W3=[0.72 0.28],W4=1.00,W5=[0.74 0.26],W6=[0.65 0.25 0.10]。

$result = socket_listen($sock,4)or die(“socket_listen()fail:”.socket_strerror(socket_last_error()).“/n”);

2.5 模糊綜合評價

進行模糊綜合評價首先根據各因素Ui與評語集中各元素Vj一一對應的隸屬度rij，得到U到V的隸屬關系構成模糊關系矩陣為Rn×m=|rij|。

已知二級權重，令Bi=WiRi，計算得到各一級評價指標的評判集Bi，記B=[B1，B2，…，Bn]，則

(7)

已知一級評價指標權重集W，則可得綜合評判集向量:

(8)

(9)

式中：y為模糊綜合評價分值；x為綜合評價等級轉化矩陣。

3 實例分析

應用模糊綜合評價方法，以新疆油田紅五作業(yè)區(qū)某系統為例，對系統能耗進行綜合評價。根據現場提供初始參數通過數學運算得到系統能耗評價指標各二級指標值如表5所示。

表5 能耗評價二級指標值

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

根據隸屬度最大原則對各二級指標進行單因素分析可以看出：該系統電機功率利用率、電機功率因數、沉沒度偏差度為差，平衡度為中，其他因素良好。分析結果表明，該系統電機匹配不合理、平衡度差，可對該系統進行相關調整，如：通過改變電機接線方式或者更換電動機、及時調整平衡度等，但二級指標的評價結果不能對該系統進行整體的掌控及評比，需要進一步進行模糊評價。

已知二級指標權重集Wi及模糊關系Ri，令Bi=WiRi，例如：

得到各評價一級評價指標的評判集B=

[B1B2…B6]T如下：

(16)

將式(3)、式(16)代入式(8)計算得出綜合評判集向量：

(17)

(18)

查表2可以看出,該井系統能耗等級為三級，評價結果為中，經過新疆油田現場人員及專家確認，該系統電機的確存在異常情況，并長時間疏于管理，評價、分析結果準確。

4 結論

(1) 分析有桿泵采油系統能耗影響因素，建立了從整體到局部的系統能耗評價指標體系，結合相關標準確立了各評價指標對評語集的隸屬度函數；應用層次分析法及專家打分法分別對一二級各評價指標進行權重系數確定，建立了基于模糊數學的有桿泵采油系統能耗評價模型。

(2) 應用該評價模型對新疆油田紅五作業(yè)區(qū)某系統進行實例分析，評價結果表明該系統評價分值65.80，能耗等級為中。診斷認為電機不匹配是導致能耗偏高的主要問題，同時平衡度差、管理水平低也是重要原因之一。

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(編輯 王亞新)

Energy Consumption Evaluation Method of Rod Pumping System Based on Fuzzy Mathematics

Li Wei1, Zhou Yong2, Xue Xingchang2, Ma Tao3, Guo Longjiang1, Li Songyan1, Li Zhaomin1

(1.ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),QingdaoShandong266580,China；2.PetroChinaXinjiangOilfieldCompany,KaramayXinjiang834000,China；3.ChinaPetroleumandNaturalGasPipelineBureau,LangfangHebei065000,China)

The traditional rod pumping unit with high share and low efficiency is still dominant in the energy consumption of oilfield, thus, the accurate evaluation of rod pumping unit energy consumption is significance to guide oilfield energy saving. Based on fuzzy mathematic theory and combined with the related standard, evaluation index system of energy consumption is established. Then, rod pumping unit energy consumption fuzzy evaluation model is set up by calculating index weight and membership function. The well of Xinjiang Oilfield is chosen for example analysis. The results show that the motor is not match and out of balance. The field specialist shows that the valuation model is comprehensive and accurate.

Fuzzy math； Pumping unit； Energy consumption evaluation； Analytic hierarchy process

1006-396X(2015)06-0039-05

2015-07-20

2015-08-17

國家科技重大專項課題(2011ZX05032-001)；國家高科技研究發(fā)展計劃(863計劃)(2009AA06Z205)；中國石油低碳關鍵技術重大專項(2011E240)。

李威(1992-)，男，碩士研究生，從事熱能工程方向的研究；E-mail：upcliwei@126.com。

李兆敏(1965-)，男，博士，教授，博士生導師，從事采油工程方面的研究；E-mail：lizhm@upc.edu.cn。

TE345

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.06.008