基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢泵周期預(yù)測(cè)模型

周浩

摘 要：檢泵周期是衡量油田工藝開(kāi)發(fā)和管理水平的重要指標(biāo)，隨著某區(qū)注聚的全面見(jiàn)效，產(chǎn)聚濃度的逐漸增大，抽油桿斷脫、卡泵、泵的漏失主要發(fā)生在某采油區(qū)。近年來(lái)，某采油廠的平均檢泵周期為680天，而注聚區(qū)2014年平均檢泵周期為345天，2015年為235天，2016年為324天，2017年為368天，明顯短于全廠的平均水平。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析，以井底方位角、井底位移、含水率、見(jiàn)聚濃度、泵徑、沖程、沖次七個(gè)因素為輸入層，檢泵周期為輸出層建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來(lái)預(yù)測(cè)檢泵周期，預(yù)測(cè)效果較好。此外，通過(guò)正交試驗(yàn)分析了4個(gè)影響因素對(duì)檢泵周期的敏感性，其敏感性排序?yàn)榫追轿唤?含水率>見(jiàn)聚濃度>井底位移。

關(guān)鍵詞：檢泵周期;影響因素;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);正交試驗(yàn)分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.062

近年來(lái)，隨著三次采油重大試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)，注聚井越來(lái)越多，注聚面積越來(lái)越大，檢泵周期明顯短于注水開(kāi)發(fā)區(qū)塊。延長(zhǎng)檢泵周期不僅有利于減少油田維護(hù)成本，更有利于減少對(duì)產(chǎn)量的影響。所以，有必要對(duì)抽油井的檢泵周期進(jìn)行研究。本文擬通過(guò)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)檢泵周期進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)影響因素進(jìn)行敏感性分析。

1 檢泵周期的主要影響因素

2011年，肖小紅通過(guò)對(duì)井斜、工作載荷、工作參數(shù)、高含水引起的桿管偏磨，得到了井斜、工作參數(shù)、高含水使得桿管與油管頻繁摩擦，檢泵周期縮短得到結(jié)論。2006年，郭曉忠的研究表明抽油桿與油管之間的摩擦系數(shù)隨著原油含水量增加而增加，磨損率也隨之增加。2010年，趙修太等通過(guò)對(duì)孤島采油廠抽油井管桿腐蝕情況的分析，認(rèn)為聚合物驅(qū)采出液礦化度高、水溫高、細(xì)菌含量高是造成桿柱腐蝕的主要原因。丁建國(guó)經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，抽油機(jī)井的檢泵周期與抽油機(jī)井的抽汲參數(shù)有直接關(guān)系，隨著抽汲參數(shù)和泵徑的增大，管柱承受載荷增大，造成檢泵率的升高。2000年，趙子剛等發(fā)現(xiàn)采出液含聚合物溶液的粘彈性以及聚合物的參與改變了采出液的成分，并導(dǎo)致采出液系統(tǒng)受力狀態(tài)發(fā)生變化，造成抽油桿柱與油管柱發(fā)生偏磨。綜上所述，影響檢泵周期的因素主要有井斜、含水率、見(jiàn)聚濃度以及生產(chǎn)參數(shù)。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)檢泵周期

2.1 數(shù)據(jù)選取和處理

在本文中選取影響檢泵周期的7個(gè)主要影響因素：井底方位角、井底位移、含水率、見(jiàn)聚濃度、泵徑、沖程、沖次。其中井底方位角和井底位移代表井斜的影響，泵徑、沖程、沖次代表生產(chǎn)參數(shù)的影響。數(shù)據(jù)來(lái)源于2014-2018年某區(qū)塊檢泵紀(jì)錄。

原始數(shù)據(jù)由于各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)量級(jí)差別較大且量綱不同，所以采用matlab的歸一化函數(shù)premnmx，把數(shù)據(jù)變換到[-1，1]的范圍之間。假設(shè)原始數(shù)據(jù)的輸入樣本為i，輸出樣本為o，用premnmx函數(shù)分別求出輸入輸出樣本的最大值maxi和maxo，最小值mini和mino，利用如下公式求出歸一化處理后的輸入樣本Pn和輸出樣本Tn：

在BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束后，對(duì)于得到的歸一化數(shù)據(jù)，需要postmnmx函數(shù)對(duì)其反歸一化處理，還原成正常值。

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

根據(jù)選取的影響因素和輸出結(jié)果，輸入、輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)分別設(shè)置為7和1。為了不讓網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度過(guò)慢，選取簡(jiǎn)單的單隱含層結(jié)構(gòu)。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定節(jié)點(diǎn)數(shù)：

式中：l為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，m、n分別為輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)和輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)，a為1～10間的參數(shù)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，當(dāng)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為7時(shí)，平均誤差最小。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)有多種。log型函數(shù)的輸入值可取任意值，輸出值在0和1之間;tan型函數(shù)的輸入值可取任意值，輸出值在-1到+1之間;線性傳遞函數(shù)在purelin的輸入與輸出值可取任意值。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常有一個(gè)或者多個(gè)隱含層，該層中的神經(jīng)元均采用sigmoid型傳遞函數(shù)，輸出層的神經(jīng)元均采用線傳遞函數(shù)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸出值可以取任意值。

選取歸一化處理后的數(shù)據(jù)作為樣本，將2014～2018年的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，選取單井T894和T872為測(cè)試樣本。本文確定動(dòng)量因子mc=0.8，最大訓(xùn)練步數(shù)1000次，誤差設(shè)定值0.001，建立了預(yù)測(cè)模型。

2.4 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

以2014-2018年某區(qū)的檢泵記錄為數(shù)據(jù)來(lái)源，訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，并選取T894井和T872井為例，進(jìn)行檢泵周期的預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差最小為0.8%，最大預(yù)誤差為52.05%，預(yù)測(cè)誤差百分比分布在8.48～24.70%。其中，最大誤差分布的點(diǎn)在檢泵周期為73天時(shí)，從檢泵周期的分布可以看出，檢泵周期為30-80天的檢泵周期分布較少，使得BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)未能充分訓(xùn)練，導(dǎo)致訓(xùn)練誤差較大。

3 檢泵周期敏感性因素分析

為了探究井斜、含水率、聚合物濃度、沖程、沖次、泵徑對(duì)檢泵周期的影響，引入了正交試驗(yàn)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表，利用極差分析和方差分析確定上述因素對(duì)檢泵周期的影響大小。

本文中以某區(qū)塊的地質(zhì)和流體參數(shù)為例，因?yàn)楸緟^(qū)塊的生產(chǎn)參數(shù)，即沖程、沖次、泵徑基本相同，沖程1.8m，沖次為3，泵徑為57mm，所以不將其列為影響因素。將方位角、井底位移、含水率、見(jiàn)聚濃度四項(xiàng)因素列為影響因素。取四個(gè)因素的三個(gè)水平值，計(jì)算出9種實(shí)驗(yàn)方案，并用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)出9種試驗(yàn)情況下的檢泵周期。

3.1 正交試驗(yàn)的極差分析與方差分析

通過(guò)極差分析，得到了關(guān)于影響檢泵周期的因素的主次關(guān)系，即方位角>含水率>見(jiàn)聚濃度>井底位移。但是，直觀分析的結(jié)果只能說(shuō)明影響檢泵周期的主次關(guān)系，并不能說(shuō)明方位角、井底位移、含水率與見(jiàn)聚濃度對(duì)檢泵周期的影響大小，所以，必須求取上述因素的計(jì)算偏差，進(jìn)行顯著性排序。

通過(guò)方差分析，得到四個(gè)因素的顯著性排序?yàn)榉轿唤?含水率>見(jiàn)聚濃度>井底位移。這與方差分析的結(jié)果一致，所以，檢泵周期受方位角影響最大，受含水率和見(jiàn)聚濃度影響次之，受井底位移影響最弱。

4 結(jié)論

（1）利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，選取井底方位角、井底位移、含水率、見(jiàn)聚濃度、生產(chǎn)參數(shù)為輸入層，檢泵周期為輸出層，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)效果較好。

（2）通過(guò)對(duì)影響檢泵周期的四個(gè)因素進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，影響因素的顯著性排序?yàn)榉轿唤?含水率>見(jiàn)聚濃度>井底位移，即方位角對(duì)檢泵周期影響最大，井底位移影響最小。