有杆泵采油过程动液面软测量方法研究

摘要

游梁式抽油机井有杆泵采油是目前国内外油田广泛使用的人工举升方式。抽油井动液面是油井生产过程中的重要工况参数，其实时获取对于生产过程的优化与控制具有十分重要的意义。目前还没有实用的在线传感器能直接检测该参数，油田现场大都采用人工临时安装回声仪的方法获得。上述测量方法给动液面实时监测和油井运行优化控制带来了很大的困难。因此，在现有技术条件下，如何实现抽油井动液面参数在线检测，是目前油田生产中亟待解决的问题。 软测量技术是一种利用易于在线测量参数对难于在线测量参数进行在线估计的一种新的途径。本文以油田实际生产过程为研究背景，将软测量技术引入抽油井动液面在线检测中，对动液面在线检测的软测量建模方法及相关问题做了较为深入的研究与探讨，并在油田现场进行了相关应用实践。本文的主要研究内容如下: (1)从有杆泵采油基本原理出发，首先分析了有杆泵采油工艺和动液面实时测量对于油井运行优化控制的重要意义。建立了描述有杆泵采油过程油气渗流入井筒的新油井流入动态方程;建立了深井泵工作过程中三相流体进泵过程机理模型，为求解描述抽油杆柱纵向振动的弹簧-质量-阻尼器分布参数系统确定了井下边界条件;建立了游梁式抽油机悬点负载耦合动力学模型;研究了有杆泵采油过程中环空液面的变化规律;分析了油井关键生产参数和生产过程的综合复杂特性，找出了直接影响井下动液面或与其强相关的因素，揭示了动液面软测量的可行理论与技术途径，确定了软测量模型的辅助变量，为软测量建模奠定了坚实基础。 (2)针对目前我国油田生产自动化、信息化水平总体较低，从油田现场往往无法预先获得大量历史数据进行数据驱动软测量建模的实际情况，通过对有杆泵采油机理的深入研究与分析，提出直接在地面示功图上动态地确定动液面观测特征点（或区域），和提取与抽油井动液面强相关的油井工况特征信息作为软测量模型输入变量的工程方法，建立了新的抽油井动液面机理软测量模型。 (3)考虑到我国各大油田数字化建设正逐步完善，拥有众多优势的数据驱动软测量方法完全可以应用在抽油井动液面实时检测中，以便获得更高动液面软测量精度，提出了基于在线高斯过程回归的抽油井动液面软测量方法。针对传统的以共轭梯度法求取高斯过程回归超参数存在依赖初值、容易陷入局部最做优等问题，提出采用模拟退火算法对软测量建模过程中的超参数进行优化选择。针对有杆泵采油过程的动态和时变特性，软测量模型需要依据工况变化在线更新的问题，通过计算每个新的输入样本处模型的失配程度，判断新数据是否加入基本训练集，采取计算具有遗忘函数的数据信息增益删除旧数据，采用一种增量学习算法对高斯过程回归模型进行在线更新，以使其适应实际生产过程中油井工况变化，从而提高软测量模型的预测精度和泛化能力。 (4)建立了多源信息特征融合的动液面集成软测量模型。面向有杆泵采油过程多工况运行特性，历史数据样本通常需尽量覆盖所有工况，采用单一模型进行抽油井动液面软测量建模会导致模型训练时间过长、过程特性匹配不佳、信息融合不充分、预测精度低和泛化性差等问题。此外，游梁式抽油机周期性运行过程中产生的驴头负荷和振动、示功图、电参数和井口压力等数据蕴含着丰富油井工况信息，但上述数据间存在多源多尺度、相关性、互补与冗余等综合复杂特性。提出采用核主元分析方法对油井多源时频数据特征进行融合提取，使用改进的模糊ISODATA算法实现训练样本集聚类，建立基于权重优化证据融合方法和鱼群算法优化组合核函数的高斯过程回归动液面集成软测量模型。 (5)结合采油工程和油田现场实际，将无线通讯技术、自动化检测与控制技术应用于油田生产过程实时在线监控，建立一套集关键生产参数自动采集与远程无线传输、数据存储与共享、油井工况诊断与闭环优化控制于一体的油田生产数字化监控系统平台。将抽油井动液面软测量方法嵌入上述数字化监控平台，在某油田现场进行了动液面实时检测应用实践，软测量效果满足油田工程应用要求。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2抽油井动液面检测方法研究现状

1．2．1浮筒测量法

1．2．2压力计测量法

1．2．3回声探测法

1．2．4示功图法

1．3软测量技术及其研究现状

1．3．1辅助变量的选择

1．3．2数据预处理与特征选取

2．4本章小结

1．3．3软测量建模方法

1．4抽油井动液面软测量技术应用现状及主要问题

1．5本文主要工作

第2章有杆泵采油工艺分析

2．1有杆抽油系统工作原理

2．1．1抽油机

2．1．2抽油杆

2．1．3抽油泵

2．2有杆泵采油主要运行指标

2．2．1泵效

2．2．2系统效率

第3章有杆泵采油机理建模

3．1油井流入动态特性

3．2多相流进泵过程机理建模

3．2．1有杆泵工作机理分析

3．2．2建模原则

3．2．3溶解气油质量比

3．2．4泵腔容积变化规律

3．2．5泵腔压力变化规律

3．2．6进泵流体流量方程

3．2．7泵腔内液体体积变化规律

3．2．8泵负荷计算

3．2．9实例验证

3．3环空动液面机理分析

3．4抽油杆柱振动机理描述

3．4．1波动方程模型

3．4．2边界条件

3．4．4弹簧-质量-阻尼器分布参数模型

3．4．5实例验证

3．5抽油机悬点运动规律及悬点载荷

3．5．1悬点运动规律

3．5．2抽油机悬点载荷

3．6有杆泵采油过程特性分析

3．6．1过程变量特性分析

3．6．2运行工况特性分析

3．7动液面软测量策略制定

3．7．1动液面软测量方案设计

3．7．2辅助变量选择

3．8本章小结

第4章基于示功图的动液面软测量方法

4．1示功图机理分析

4．2油井工况示功图分析法

4．2．1井下库伦摩擦力计算

4．2．2下冲程悬点平均静载荷计算

4．2．3上冲程悬点平均静载荷计算

4．2．2油管内液体等效密度计算

4．2．3泵阀阻力计算

4．2．4井下等效粘性阻尼系数计算

4．2．5示功图的工程分析法

4．3动液面软测量机理建模

4．3．1动液面观测区法

4．3．2动液面观测点法

4．4实例验证

4．7本章小结

第5章基于在线高斯过程回归的动液面软测量方法

5．1高斯过程回归理论

5．1．1线性回归的贝叶斯推断

5．1．2高斯过程回归模型

5．1．3协方差函数选择

5．1．4超参数寻优

5．2模拟退火超参数优化

5．2．1模拟退火算法

5．2．2实例验证

5．4在线高斯过程回归软测量建模

5．4．1模型失配程度判别

5．4．2基于信息增益的训练集更新

5．4．3动态回归模型

5．4．4增量学习

5．5实例验证

5．5．1在线GPR软测量模型建立

5．5．2实验结果分析

5．4本章小结

第6章多源信息特征融合的动液面集成软测量方法

6．1动液面集成软测量建模

6．2非线性特征提取

6．3改进的模糊ISODATA算法

6．4基于权重优化的证据融合方法

6．5实例验证

6．6本章小结

第7章有杆泵采油过程实时监控系统

7．1有杆泵采油数字化监控系统架构

7．2智能油井系统

7．3作业区监控平台

7．3．1总体功能

7．3．2监控平台系统实现

7．4动液面软测量工程应用

7．5本章小结

第8章结论与展望

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间的主要工作及成果

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