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(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100028)

電潛泵采油工藝是為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)有效地開(kāi)采地下石油而發(fā)展起來(lái)日趨成熟的一種人工舉升采油方式，隨著油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入高含水期，電潛泵采油工藝以其優(yōu)越的強(qiáng)采能力和排量大的特點(diǎn)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(jìn)一步影響到電潛泵井的工況[4,5]。目前，電潛泵耗電量的計(jì)算一般是依靠專業(yè)軟件來(lái)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(jì)算，軟件計(jì)算出來(lái)的耗電量是一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反映油井電潛泵實(shí)際的耗電量。在考慮多個(gè)影響因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)海上某些稠油油田現(xiàn)場(chǎng)大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、分析、整理和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，建立考慮各個(gè)影響因素的電潛泵耗電量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，分析了各個(gè)影響因素對(duì)電潛泵耗電量的影響，再經(jīng)過(guò)科學(xué)合理配置，對(duì)各項(xiàng)采油工藝參數(shù)精確優(yōu)化，為現(xiàn)場(chǎng)提供了一種方便、快捷、實(shí)時(shí)的計(jì)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(chǎng)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(duì)電潛泵耗電量的影響。通過(guò)對(duì)海上某稠油油田大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(duì)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(shí)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，主要考慮以下三個(gè)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)電潛泵耗能水平，借鑒層次分析方法和統(tǒng)計(jì)分析方法[6～8]對(duì)電潛泵耗電量影響因素進(jìn)行了排序?；谝陨显瓌t，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(xiàng)指標(biāo)作為主要評(píng)價(jià)因素，采用最常用的單層評(píng)價(jià)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(rèn)為8項(xiàng)指標(biāo)對(duì)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(gè)的影響程度之差可以認(rèn)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(guò)計(jì)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?cái)?shù)值的大小進(jìn)行排列，數(shù)值大者，耗電量?jī)?yōu)勢(shì)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(gè)參數(shù)的權(quán)重大小為0.0477、0.0327、0.0236，可以忽略不計(jì)。因此，重點(diǎn)考慮ηs、QL、fw、pwf這4個(gè)參數(shù)對(duì)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(gè)油田為例，用統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)稠油井電潛泵耗電量與各影響因素進(jìn)行多元線性回歸分析。定量分析各影響因素對(duì)電潛泵耗電量的影響大小，按照影響程度大小對(duì)各因素進(jìn)行排序，并與層次分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 層析分析法與統(tǒng)計(jì)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(jì)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(chǎng)標(biāo)配的耗電量與電潛泵實(shí)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(jì)學(xué)分析方法主要依賴于各參數(shù)的實(shí)際數(shù)據(jù)，沒(méi)有考慮到實(shí)際工程對(duì)具體情況的特殊要求，使得到的部分計(jì)算結(jié)果與期望值出現(xiàn)的有所出入。

3 電潛泵耗電量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)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(yàn)研究結(jié)果，原油含水量對(duì)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(duì)泵特性參數(shù)的影響很大，主要通過(guò)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(shí)，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(shí)，黏度迅速上升；當(dāng)含水率超過(guò)某一定值時(shí)，黏度又迅速下降，此時(shí)油水乳狀液轉(zhuǎn)向?yàn)樗托?。此后隨著含水率的進(jìn)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(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，即M1油田在含水率fw=35%時(shí)，原油黏度出現(xiàn)轉(zhuǎn)相點(diǎn)。含水率對(duì)電潛泵特性參數(shù)的影響較復(fù)雜，它主要通過(guò)乳化作用使黏度急劇變化表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)fw<35%時(shí)，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(lái)越差；當(dāng)fw>35%時(shí)，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(lái)越好。隨著含水率的進(jìn)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(duì)電潛泵特性的分段現(xiàn)象，在建立電潛泵耗電量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型時(shí)，應(yīng)分段考慮原油含水率的變化。

3.2 動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)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(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)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(duì)泵特性參數(shù)的影響，需考慮各個(gè)影響因素對(duì)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(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型。

對(duì)收集到的數(shù)據(jù)，利用最小二乘法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)海上油田大量現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)動(dòng)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(duì)電潛泵耗電量的影響作用，電潛泵耗電量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)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(diǎn)，%；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(shí)際耗電量、產(chǎn)液量、流壓、含水率等計(jì)量數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)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(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型的各項(xiàng)相關(guān)系數(shù)。

4 應(yīng)用實(shí)例

以海上稠油油田M1油田為例，根據(jù)M1油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)及室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該油田原油含水率轉(zhuǎn)向點(diǎn)fw=35%。應(yīng)用電潛泵耗電量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型模擬M1油田在生產(chǎn)過(guò)程中電潛泵井所需的電量，并與實(shí)際電潛泵耗電量和軟件預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6、7所示。

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

表3為M1油田電潛泵耗電量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型相關(guān)系數(shù)。動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)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(shí)，電潛泵需要舉升的流體增加，耗電量是會(huì)增大的。pwf的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，表示井底流壓與耗電量是“負(fù)相關(guān)”，當(dāng)井底流壓增加時(shí)，電潛泵需要舉升流體的揚(yáng)程減小，電量也隨之減小。ηs的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，表示系統(tǒng)效率與電潛泵耗電量呈“負(fù)相關(guān)”，系統(tǒng)效率越高，耗電量越低。當(dāng)含水率小于35%時(shí)，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(lái)越差；當(dāng)含水率大于35%時(shí)，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(lái)越好。電潛泵耗電量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型中各參數(shù)的相關(guān)系數(shù)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義和物理意義。

圖6 M1油田電潛泵耗電量預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比(fw<35%) 圖7 M1油田電潛泵耗電量預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)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(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)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(píng)價(jià)結(jié)果客觀，可以應(yīng)用于油田開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中。

針對(duì)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(diǎn)時(shí)，含水原油會(huì)出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，在前期研究設(shè)計(jì)中電潛泵耗電量預(yù)測(cè)需根據(jù)原油含水率轉(zhuǎn)向點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)為45%，應(yīng)用電潛泵耗電量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行電潛泵耗電量預(yù)測(cè)，其單井的電潛泵耗電量預(yù)測(cè)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(cè)結(jié)果 圖9 M2油田W2井電潛泵耗電量預(yù)測(cè)結(jié)果

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

5 結(jié)論

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

2)應(yīng)用層次分析法和統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)電潛泵耗電量的影響因素進(jìn)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(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。計(jì)算結(jié)果比較可靠，能夠?qū)崟r(shí)地反映電潛泵耗電量，可用于指導(dǎo)稠油油田的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，并可用于油田的快速評(píng)價(jià)。