用于计算电潜泵井产液量的方法与系统与流程

本发明涉及石油勘探领域，尤其涉及一种用于计算电潜泵井产液量的方法与系统。

背景技术：

对于油井的产液量的计量是油田生产和治理过程中一项非常重要的工作。目前在国内，大部分油田采用电潜泵进行石油开采，电潜泵采油技术是20世纪80年代初从国外引进的，由于其具有排量大、功率高、地面设备小、维护费用低和能量传递方式简单等优点而获得了广泛应用。

油井计量要求计量结果准确与及时。现有技术中普遍采用的电潜泵油井的产液量的计量方法包括分离器玻璃管计量方法、翻斗式称重计量方法、气液分相计量方法以及活动计量车计量方法等。上述方法由于计量原理的限制，在应用上都存在一定的局限性。例如，分离器玻璃管计量方法的地面配套建设投资较大，操作复杂，不能实现油井的连续计量。翻斗式称重计量方法同样需要较复杂的地面配套建设，同时该种方法较易受油区周围的外部环境的影响。气液分相计量方法在对含水较高的油井进行测量时，会出现较大的误差。活动计量车计量方法的劳动强度大，并且受天气条件的影响较大。

综上，亟需一种对电潜泵油井的产液量进行准确且实时计量的方法以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种对电潜泵油液井的产液量进行准确且实时计量的方法。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种用于计算电潜泵井产液量的方法，包括获取电潜泵井井口处输入的总功率；基于输入功耗模型与所述总功率得到电潜泵的输入功率；建立基于所述电潜泵的输入功率与电潜泵的的 扬程的计量模型；利用遗传算法优化所述计量模型，并应用优化后的计量模型对油井产液量进行实时测量。

优选地，在建立基于所述电潜泵的输入功率与电潜泵的的扬程的计量模型的步骤中，包括：根据电潜泵特性选取分段的段数；对电潜泵的扬程与出液量的关系曲线进行分段线性化，并根据分段线性化的结果得到分段系数；基于功能关系与所述分段系数得到液量系数；利用所述液量系数建立电潜泵的输入功率与电潜泵的的扬程之间的计量模型。

优选地，根据以下表达式得到所述液量系数c_i：

式中，k_i为分段系数，η_i为对应于每一段的电潜泵的泵效，ρ为液体的密度，i为线性化分段的段数。

优选地，根据以下表达式建立所述计量模型：

式中，Q_i为电潜泵的扬程与出液量的关系曲线上每一段的液量，P_ei为对应于每一段的电潜泵的输入功率。

优选地，在利用遗传算法优化所述计量模型的步骤中，包括：步骤一、将所述液量系数编码为种群中的个体；步骤二、初始化种群的规模、选择概率、交叉概率以及变异概率；步骤三、计算种群中每个个体的适应度函数，并根据所述适应度函数与所述选择概率选取多个个体；步骤四、根据所述交叉概率以及变异概率对所述多个个体进行交叉以及变异，并将产生的新的个体加入种群；步骤五、重复执行步骤三与步骤四直至找到满意的个体。

本申请的实施例还提供了一种用于计算电潜泵井产液量的系统，包括：数据采集模块，其获取电潜泵井井口处输入的总功率；功能转换模块，其基于输入功耗模型与所述总功率得到电潜泵的输入功率；模型建立模块，其建立基于所述电潜泵的输入功率与电潜泵的的扬程的计量模型；优化检测模块，其利用遗传算法优化所述计量模型，并应用优化后的计量模型对油井产液量进行实时测量。

优选地，模型建立模块包括：选段单元，其根据电潜泵特性选取分段的段数；线性化单元，其对电潜泵的扬程与出液量的关系曲线进行分段线性化，并根据分段线性化的结果得到分段系数；系数单元，其基于功能关系与所述分段系数得到液量系数；建模单元，其利用所述液量系数建立电潜泵的输入功率与电潜泵的的 扬程之间的计量模型。

优选地，系数单元根据以下表达式得到所述液量系数c_i：

式中，k_i为分段系数，η_i为对应于每一段的电潜泵的泵效，ρ为液体的密度，i为线性化分段的段数。

优选地，建模单元根据以下表达式建立所述计量模型：

式中，Q_i为电潜泵的扬程与出液量的关系曲线上每一段的液量，P_ei为对应于每一段的电潜泵的输入功率。

优选地，优化检测模块根据以下步骤优化所述计量模型：步骤一、将所述液量系数编码为种群中的个体；步骤二、初始化种群的规模、选择概率、交叉概率以及变异概率；步骤三、计算种群中每个个体的适应度函数，并根据所述适应度函数与所述选择概率选取多个个体；步骤四、根据所述交叉概率以及变异概率对所述多个个体进行交叉以及变异，并将产生的新的个体加入种群；步骤五、重复执行步骤三与步骤四直至找到满意的个体。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

通过建立电潜泵井的计量模型对油井的液量进行测量，实现了电潜泵井液量的实时检测，测量精度高，操作简单易实施，同时可以对电潜泵井进行在线监测和故障诊断。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例的用于计算产液量的方法的流程示意图；

图2(a)-(b)为本申请实施例的电潜泵井系统能量流动的示意图；

图3为本申请实施例的动力电缆的等效电路示意图；

图4为本申请实施例的潜油电机的等效电路示意图；

图5为本申请实施例的电潜泵的特性曲线示意图；

图6为本申请一示例所采集的电潜泵电功示意图；

图7为本申请一示例的液量系数的优化结果示意图；

图8为本申请一示例的计量结果的对比示意图；

图9为本申请实施例的用于计算产液量的系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

图1为本申请实施例的用于计算产液量的方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

步骤S110、采集电潜泵井井口处输入的总功率。步骤S120、基于输入功耗模型与所述总功率得到电潜泵的输入功率。步骤S130、建立基于所述电潜泵的输入功率与电潜泵的的扬程的计量模型。步骤S140、利用遗传算法优化所述计量模型，并应用优化后的计量模型对油井产液量进行实时测量。

具体的，利用电压互感器与电流互感器测得电潜泵井井口处的电压U_井口和电流I_井口，该电压和电流为施加于电潜泵井系统的总电压和总电流。根据测得的电压和电流可以求得输入到电潜泵井系统的总功率为P_井口＝U_井口*I_井口。

典型的电潜泵井系统主要包括地面部分与井下部分两部分。其中，地面部分主要由地面电缆、变压器、控制柜以及动力电缆等组成，井下部分主要由潜油电机、保护器、油气分离器、电潜泵以及管柱等组成。在电潜泵井系统的工作过程中，上述各组成部分上均存在功率损失。

图2(a)-(b)为本申请实施例的电潜泵井系统能量流动的示意图，其中，图2(a)为完整的能量流动示意图，从图中可以看出，最终电潜泵所获得的功率如表达式(1)所示：

P_泵＝P_井口-ΣP_损 (1)

式中，P_泵为电潜泵的输入功率，P_损为电潜泵井系统中不同组成部分的功率损失。电潜泵最终获得的功率等于输入到电潜泵井系统中的总功率减去各组成部分的功率损耗的总和。

进一步地，在电潜泵井系统的各组成部分中，变压器、控制柜、保护器、油气分离器以及管柱上的功率损耗一般不超过输入到电潜泵井系统中的总功率的1％，可以忽略不计，因此，在本申请的实施例中，仅考虑在动力电缆与潜油电机上的功率损失，简化的能量流动示意图如图2(b)所示。

接下来，基于输入功耗模型计算电潜泵上获得的输入功率。输入功耗模型包括动力电缆功耗模型与潜油电机功耗模型，以下分别进行说明。

动力电缆功耗模型基于动力电缆的运行机理与传输性能建立得到。动力电缆是用于连接潜油电机与地面其他供电设备及控制设备的一种专用电缆，具有耐油、耐盐、耐腐蚀的特性。影响动力电缆传输性能的主要因素有井底温度、潜油电机的功率、电压和电流，以及油管接箍与套管之间的间隙等。动力电缆的电压损失和功率损失与电缆的截面积和长度密切相关。动力电缆的等效电路如图3所示，其中r₁、x₁、b₁和g₁分别为单位长度动力电缆的电阻、电抗、电纳和电导。则单位长度的动力电缆的阻抗为Z₁＝r₁+jx₁，单位长度的动力电缆的导纳为Y₁＝g₁+jb₁，根据图3建立的动力电缆功耗模型如表达式(2)所示：

Z′＝l\Z_c sinb₁γl

(2)

Y′＝2(cosb₁γl-1)/Z_c sinb₁γl

式中，Z′为动力电缆的等效阻抗，Y′为动力电缆的等效导纳，Z_c为单位长度的动力电缆的特性阻抗，其值可以由计算得到；γ为传播系数，其值可以由计算得到；l为动力电缆的长度。

根据输入到上述动力电缆功耗模型的电压和电流，一般近似认为该电压和电流等于电潜泵井井口处的电压U_井口和电流I_井口，可以计算得到潜油电机输入端得到电压U_M和电流I_M，即潜油电机的输入功率，如图2(b)所示。

潜油电机功耗模型基于潜油电机的运行机理与传输性能进行建模。工程实际中普遍采用三相异步电动机为油井提供能量。三相异步电动机一般是非线性且时变的，其输入变量较多，且各变量之间具有复杂的耦合关系。

潜油电机的等效电路如图4所示，其中，R_s为等效的定子电阻，R_r为等效的 转子电阻，X_s为等效的定子感抗，X_r为等效的转子感抗，R_Fe为等效的铁耗电阻，X_a为等效的励磁感抗。已知潜油电机的输入电压和输入电流后，根据等效电路可以计算得到负载端的输出电压向量与输出电流向量再利用如表达式(3)所示的潜油电机的功耗模型计算得到潜油电机的输出功率：

式中，P_L为潜油电机的输出功率，表示的共轭。

计算得到的潜油电机的输出功率即为电潜泵的输入功率，如图2(b)所示。

电潜泵是一种电动离心泵，其工作过程是，在潜油电机的带动下，其叶轮高速旋转，通过将高速转动的动能转化为低速举升的势能，使液体势能逐步增加，最终获得一定的扬程并将油井中的液体举升至地面，上述过程如表达式(4)所示：

Q＝1000ηP_e/ρgH (4)

式中，Q为电潜泵的出液量，即排量，P_e为电潜泵的输入功率，η为电潜泵的泵效，H为电潜泵的扬程，其中g为重力加速度，取9.8m/s²。

需要注意的是，在实际工作中，电潜泵的泵效η、输入功率P_e以及扬程H之间具有高度非线性的强耦合关系，如图5所示，其中曲线1为电潜泵的扬程H与出液量Q之间的关系曲线，曲线2为电潜泵的泵效η与出液量Q之间的关系曲线，曲线3为电潜泵的输入功率P_e与出液量Q之间的关系曲线。

由于对这种强耦合关系进行建模较为困难，因此在本申请的实施例中，采用分段线性化的方法拟合扬程与电潜泵的出液量之间的关系，可以显著地降低拟合误差。

首先，根据电潜泵特性选取分段的段数。然后根据选定的分段数，对电潜泵的扬程与出液量的特性曲线进行分段线性化，并根据分段线性化的结果得到分段系数。具体的，如表达式(5)所示：

H_i＝k_iQ_i (5)

式中，H_i为扬程与出液量的关系曲线上每一段的扬程，Q_i为扬程与出液量的关系曲线上每一段的液量，k_i为分段系数，i为线性化分段的段数。

根据表达式(4)和表达式(5)可以建立电潜泵的输入功率与电潜泵的的扬程之间的计量模型：

式中，P_ei为对应于每一段的电潜泵的输入功率，c_i为液量系数，其值可以由表达式(7)来计算：

式中，η_i为对应于每一段的电潜泵的泵效，可以看出，液量系数c_i的准确性决定着计量模型的精度。在本申请的实施例中，直接应用遗传算法对液量系数c_i进行优化，具体步骤如下：

步骤一、将液量系数编码为种群中的个体。

步骤二、初始化种群的规模、选择概率、交叉概率以及变异概率。

步骤三、计算种群中每个个体的适应度函数，并根据适应度函数与选择概率选取多个个体。

步骤四、根据交叉概率以及变异概率对多个个体进行交叉以及变异，并将产生的新的个体加入种群。

步骤五、重复执行步骤三与步骤四直至找到满意的个体。

具体的，编码采取二进制编码的形式，以线性化的段数作为编码的位数。对原始种群进行初始化，使种群中的每个个体都具有上述的编码形式。种群的初始化包括初始化初始种群的规模、选择概率、交叉概率以及变异概率。上述过程均可以根据函数随机确定。

常用的选择方式主要包括比例选择方式和联赛选择方式。在比例选择方式中，各个个体被选择的概率与个体的适应度值成比例，即个体的适应度值越大，其被选择的概率就越高。在联赛选择方式中，将上一代种群中的个体和本次遗传操作产生的所有新个体放到一起，按适应度值从大到小的顺序排队，然后取排在前面的多个个体组成新一代群体。在本申请的实施例中，采用比例选择方式，其中，适应度值采用表达式(6)所示的计量模型进行计算。通过选择、交叉、变异产生新的个体，组成新的种群，并对新的种群重复选择、交叉、变异操作，直至达到预设的次数或得到满意的个体后停止迭代过程。当利用表达式(6)得到的预测的出液量与实际测量的出液量之间的差值小于预设值时的个体为满意的个体。并以此个体所表示的液量系数根据表达式(6)建立计量模型，再利用建立的计量模型对出油井的产液量进行测量。

本申请实施例的用于计算产液量的方法能够用于电潜泵油井的单井测量，操作简单，运行维护费用低。该方法实效性强，可以实现实时的在线测量，提高了 测量的精度。

图6、图7和图8为采用本申请实施例的方法进行液量计量的一个示例，其中图6为本申请一示例所采集的电潜泵电功示意图，图7为本申请一示例的液量系数的优化结果示意图，以图6所示数据作为样本数据，应用遗传算法优化液量系数时，分段的段数为30，设定迭代次数为3800步，最后输出30个优选的液量系数，如图7所示。利用得到的液量系数建立分段的电潜泵的扬程与液量的特性曲线，并利用得到的特性曲线(电潜泵计量模型)对电潜泵的液量进行实时测量，利用计量模型进行测量的测量结果与液量的实际测量值之间的对比图如图8所示。其中，曲线1表示实际测量的液量值，曲线2表示利用计量模型得到的测量值，可以看出，二者具有较好的拟合效果，本申请实施例的计量模型具有较高的测量精度。

在本申请的其他实施例中，还提供了一种用于计算电潜泵井产液量的系统，如图9所示，该系统包括：

数据采集模块91，其采集井口处的输入功率。

功能转换模块92，其基于输入功耗模型利用所述井口的输入功率得到电潜泵的输入功率。

模型建立模块93，其建立基于所述电潜泵的输入功率与电潜泵的的扬程的计量模型。

优化检测模块94，其应用遗传算法优化所述计量模型，并利用优化后的计量模型对油井产液量进行实时测量。

进一步地，模型建立模块93还包括：

选段单元931，其根据作业计划选取段数。

线性化单元932，其对电潜泵的扬程与液量的特性曲线进行分段线性化，并根据分段线性化的结果得到分段系数。

系数单元933，其基于功能关系与所述分段系数得到液量系数。

建模单元934，其基于液量系数建立电潜泵的输入功率与电潜泵的的扬程之间的计量模型。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节 上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。