陳歡，朱磊，曹硯鋒，于繼飛

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 海洋石油高效開發(fā)國家重點(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)有效地開采地下石油而發(fā)展起來日趨成熟的一種人工舉升采油方式，隨著油田開發(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，電潛泵耗電量的計算一般是依靠專業(yè)軟件來完成的，但是由于其涉及較多的油藏地質(zhì)參數(shù)及較復(fù)雜的計算，軟件計算出來的耗電量是一個相對準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并不能實(shí)時監(jiān)測反映油井電潛泵實(shí)際的耗電量。在考慮多個影響因素的基礎(chǔ)上，通過對海上某些稠油油田現(xiàn)場大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、分析、整理和統(tǒng)計計算，建立考慮各個影響因素的電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型，分析了各個影響因素對電潛泵耗電量的影響，再經(jīng)過科學(xué)合理配置，對各項(xiàng)采油工藝參數(shù)精確優(yōu)化，為現(xiàn)場提供了一種方便、快捷、實(shí)時的計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電潛泵耗電量的影響。通過對海上某稠油油田大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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，在建立評價指標(biāo)體系時，主要考慮以下三個方面因素：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；第三評價指標(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)確評價電潛泵耗能水平，借鑒層次分析方法和統(tǒng)計分析方法[6～8]對電潛泵耗電量影響因素進(jìn)行了排序。基于以上原則，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)作為主要評價因素，采用最常用的單層評價體系(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)過計算求得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數(shù)值的大小進(jìn)行排列，數(shù)值大者，耗電量優(yōu)勢就越大。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個參數(shù)的權(quán)重大小為0.0477、0.0327、0.0236，可以忽略不計。因此，重點(diǎn)考慮ηs、QL、fw、pwf這4個參數(shù)對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個油田為例，用統(tǒng)計軟件對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電潛泵耗電量的影響大小，按照影響程度大小對各因素進(jìn)行排序，并與層次分析結(jié)果進(jìn)行對比，如表2所示。

表2 層析分析法與統(tǒng)計軟件影響因素權(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)計學(xué)分析方法主要依賴于各參數(shù)的實(shí)際數(shù)據(jù)，沒有考慮到實(shí)際工程對具體情況的特殊要求，使得到的部分計算結(jié)果與期望值出現(xiàn)的有所出入。

3 電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型

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)。含水率對泵特性參數(shù)的影響很大，主要通過乳化作用[9～12]使黏度急劇變化得以體現(xiàn)，當(dāng)含水率較低時，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，黏度迅速上升；當(dāng)含水率超過某一定值時，黏度又迅速下降，此時油水乳狀液轉(zhuǎn)向?yàn)樗托汀４撕箅S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%時出現(xiàn)拐點(diǎn)，即M1油田在含水率fw=35%時，原油黏度出現(xiàn)轉(zhuǎn)相點(diǎn)。含水率對電潛泵特性參數(shù)的影響較復(fù)雜，它主要通過乳化作用使黏度急劇變化表現(xiàn)出來。當(dāng)fw<35%時，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，泵特性變得越來越差；當(dāng)fw>35%時，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電潛泵特性的分段現(xiàn)象，在建立電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型時，應(yīng)分段考慮原油含水率的變化。

3.2 動態(tài)預(yù)測模型的建立

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，簡單的統(tǒng)計其數(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泵特性參數(shù)的影響，需考慮各個影響因素對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態(tài)預(yù)測模型。

對收集到的數(shù)據(jù)，利用最小二乘法進(jìn)行統(tǒng)計。根據(jù)海上油田大量現(xiàn)場生產(chǎn)動態(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)含水原油乳化對電潛泵耗電量的影響作用，電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測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、含水率等計量數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計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態(tài)預(yù)測模型的各項(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)用電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型模擬M1油田在生產(chǎn)過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)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，如圖6、7所示。

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

表3為M1油田電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型相關(guān)系數(shù)。動態(tài)預(yù)測模型中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，電潛泵需要舉升的流體增加，耗電量是會增大的。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，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，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，泵特性變得越來越差；當(dāng)含水率大于35%時，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，泵特性變得越來越好。電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型中各參數(shù)的相關(guān)系數(shù)具有統(tǒng)計學(xué)意義和物理意義。

圖6 M1油田電潛泵耗電量預(yù)測結(jié)果對比(fw<35%) 圖7 M1油田電潛泵耗電量預(yù)測結(jié)果對比(fw≥35%)

0≤fw<35%a1b1c1d1δ135%≤fw<100%a2b2c2d2δ20.504-2.2530.061-286.20666.0060.262-2.765-0.041-137.05673.399

電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測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，評價結(jié)果客觀，可以應(yīng)用于油田開發(fā)設(shè)計中。

針對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，含水原油會出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，在前期研究設(shè)計中電潛泵耗電量預(yù)測需根據(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)用電潛泵耗電量動態(tài)預(yù)測模型進(jìn)行電潛泵耗電量預(yù)測，其單井的電潛泵耗電量預(yù)測結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 M2油田W1井電潛泵耗電量預(yù)測結(jié)果 圖9 M2油田W2井電潛泵耗電量預(yù)測結(jié)果

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

5 結(jié)論

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

2)應(yīng)用層次分析法和統(tǒng)計分析法對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態(tài)預(yù)測模型，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。計算結(jié)果比較可靠，能夠?qū)崟r地反映電潛泵耗電量，可用于指導(dǎo)稠油油田的開發(fā)設(shè)計，并可用于油田的快速評價。