油田集輸管網仿真評價及優化研究

闞寶春（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

油田集輸管網仿真評價及優化研究

闞寶春（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

喇嘛甸油田進入特高含水期后，集輸系統管網的效率普遍降低，能耗升高。為降低集輸系統管網運行能耗，通過對集輸系統管網結構的分析，建立了管網的矩陣模型，利用連續性方程及能量平衡方程對矩陣模型進行求解，并應用能量平衡模型建立了管網能耗評價系統。通過應用仿真評價系統對集輸管網的能耗影響因素進行分析，確定了采用經濟管徑作為管網評價的方法；并在實際應用中通過將實際管徑和經濟管徑進行對比，確定了需要調整的低效管線；并以能耗最小為目標，提出了集輸管網縮小管徑及加強保溫等優化措施，優化后集輸管網能耗大幅降低，實現了集輸管網的優化運行。

集輸管網 能耗評價 節能 仿真 優化

喇嘛甸油田集輸系統共有聯合站7座，轉油站46座，集輸工藝普遍采用三級布站、雙管摻水工藝。集輸管網的建設先后經歷了基礎井網、一次加密井網、二次加密井網、三次加密井網的開發。“十五”后，油田進入特高含水期，集輸管網運行效率等參數均發生較大的變化，同時與開采初期相比，油井產液量遞減、含水上升，采出液已經由初期的W/O型乳狀液轉變為W/O/W型復雜多重乳狀液，且采出液黏度大大降低。集輸管網大部分是建站初期所建，隨著運行年限的增加，管網老化嚴重，其中25座轉油站站外管線使用年限在20年以上，導致更新改造、生產能耗和管理費用逐年增高。經統計，水驅集輸系統平均單井耗電9707 k W h/a，耗氣8706m3/a，單井運行費用高達1.91萬元/a。

1 集輸管網仿真系統的建立

1.1 管網仿真模型[1]的建立

1.1.1 管網結構的描述

任意一個管網，根據管網結構可以用一組矩陣來描述[2]。矩陣是表示管網圖的最簡單實用的方法，對矩陣本身能夠比較容易進行力學上的處理。如圖1中表示的混輸管網，這個管網由一個源節點［節點1（參考節點）］、三個載荷節點（節點2、3、4） 和五條枝 ［枝 （1）、（2）、（3）、（4）、（5）］組成。在管網中配置載荷L的地方稱為載荷節點。這些載荷可以是正的、負的或零。負的載荷可以從管網排出流體，如聯合站或中轉站；正的載荷表示向管網流入流體，這包括生產平臺；而零載荷是配置在沒有載荷的節點上，用來表示管網結構產生變化的點，比如在許多支管的連接處。對于穩定條件，作用于管網的全部載荷同在節點進入到管網內的流入量相平衡，其中支點-節點關聯用矩陣A=n×m來描述,它具有與管網中節點數（包括參考節點）相等的n行數和管網中支管數相等的m列數。支管-環路關聯用矩陣B=k×m來描述，它具有與管網獨立環路數目相等的k行數目和管網中支管數目相等的m列數目。

圖1 混輸管網的結構矩陣

1.1.2 管網水力計算模型

通過建立兩相流集輸管網系統的水力計算的基本方程，可以計算復雜管網中單相流、兩相流系統的流動特性。在實際處理過程中，對于任何管網，不管是單相流還是多相流，流動方程都符合質量守恒定理、能量平衡方程[3]。管網方程組由連續性方程和能量方程組成。假設管網由N個節點組成，則可寫出N個連續性方程；然而，只有其中N-1個是線性無關的，因此，只有N-1個方程可以列入方程組。對于這M個管網環的每一個環，都可寫出一個能量平衡方程，從而得到M個獨立的能量方程。通過列出連續性方程和能量平衡方程，就可以得到方程組的完整解。

1.2 建立管網評價系統

能量平衡方法是油田節能測試的基本方法，利用系統輸入、輸出能量的平衡關系，準確模擬系統能量利用的狀態，直接給出系統的能量損失及有效能量利用情況。通過能量平衡關系，建立集輸系統管網的能量平衡模型（圖2）。

圖2 管網能量平衡模型

從管網的能量平衡模型可以看出，輸入系統的能量為采出液帶入系統的熱能及壓能，輸出系統的能量為出口介質帶出的熱能及壓能。根據能量平衡關系輸入能量等于輸出能量和體系內變化能量的總和，建立管道能量平衡方程，即

式中：

ELh,in——采出液及摻水帶入的熱能；

ELh,out——出口介質帶出的熱能；

ELp,in——采出液及摻水帶入的壓能；

ELp,out——出口介質具有的壓力能；

ΔELh——管道的熱能損失；

ΔELp——管道的壓力能損失。

運用能量關系，得出管網效率[4]的計算公式如下：

2 集輸管網能耗評價

2.1 能耗影響因素分析

對于集輸管網，單井的產液量及含水率在一段時期內保持穩定，管網的可變參數決定了管網能耗情況。系統的動力、熱力消耗與管徑、流速、管長等因素有關，這些因素相互影響又相互制約。從定性的角度講，管徑越大，流速越低，管網動力消耗越少，但管網的熱耗費用增加，反之，管網熱耗減少，動力費用增加；因此，通過研究管網運行參數對能耗的影響規律，確定影響管網能耗的主要參數，進而通過優化該參數，降低管網能耗，運用管網仿真系統對管網的能耗影響因素進行分析。

2.1.1 管徑對管網能耗的影響

首先固定產油量為5 m3/d，含水率95%，管線長度500m，變換不同的管徑，研究管徑對管網能耗的影響，能耗的變化情況見表1。

從表1可以看出，在固定流量、采出液含水率以及管線長度的情況下，隨著管徑的增加，管網效率先增加后減少，管網溫降逐漸增加，壓降逐漸降低，單位輸油熱耗增加，單位輸油電耗逐漸減少，管線效率存在最高點，即當流量為5 m3/d時，管徑是8 9mm時，管效達到最高，管線單位輸油總能耗最低。改變產液量時，仍具有相同的變化規律。

2.1.2 流量對管網能耗的影響

固定管網的直徑為76mm，管線長度為500m，含水率為95%，改變產液量為3m3/d、4 m3/d、5 m3/d、6m3/d、7m3/d、8m3/d、9m3/d、10m3/d時，研究流量對管網的能耗指標的影響，能耗變化情況見表2。

表1 管徑對管網運行參數影響情況

表2 流量對管網運行參數影響情況

從表2可以看出，隨著產液量的增加，管網效率先增加后減少，存在管效最高點；當管效達到最高時，管線單位輸油總能耗最低，管網單位輸油熱耗及單位輸油電耗隨溫降及壓降的變化規律與表1的變化規律相同，選取其他管徑時，管網能耗變化規律相同。對表1和表2中數據進行分析可知，管線的流速對管網能耗指標的影響規律相同，當流速大時，管網的單位輸油熱耗低，單位輸油電耗大；流速小時，管網的單位輸油熱耗高，單位輸油電耗低。在實際生產中，單井管線采出液含水率、產液量在一段時期內保持穩定，影響流速的主要因素是集輸管徑；可見，管徑的選擇是影響管網能耗的重要因素。因此，應用仿真模擬得出管網運行的經濟管徑，與現場實際管徑進行對比，進而提出管網的改造措施。

2.2 管網能耗評價及優化

2.2.1 集油管網能耗評價

為分析站外管網的能耗情況，首先利用集輸管網仿真系統建立站外管網的仿真圖形，將現場錄取10座轉油站的站外管網的各節點的參數及地面工程數據庫數據導入到仿真系統中，建立各管網的連接；通過輸入黏度、傳熱系數等基本物性，模擬管網實際運行狀態。通過仿真，輸出集輸管線的主要能耗指標，包括管網的效率、單位輸油熱耗、單位輸油電耗等參數，實現對各段管網的能耗評價。

通過評價10座轉油站得出集輸管網平均管效介于8 1.9%～94.79%之間，其中7座站的管網效率高于90%。具體分析10座轉油站所屬8 62條集輸管線，將實際管徑與經濟管徑進行對比，有18 4條管線管網效率較低，其中75條管線因管徑大、產液量少、散熱損失[5]大，管線單位輸油熱耗高，占管線總數的8.7%；有68條管線因產液量大、流速高，單位輸油電耗較高，管網效率低，占管線總數的7.9%；有41條管線由于熱損失大，管網效率低，占管線總數的4.8%。

2.2.2 集油管網優化

對管效較低的集輸管網提出優化措施，其中喇17-232等3條集輸管網效率最低，通過縮小管徑的方法減少其散熱損失，但優化管徑后其管效率仍然低于40%；若提高摻水量，能耗較高，建議改造時對該管網采用串接的方式，以提高管輸流量，減少熱損失，提高管網效率。喇18-223等10條管線，因為產液量少、流速低、散熱損失過大，造成單位輸油熱耗高，建議改造時縮小管徑1～2級，同時由于油田管線設計規范的規定，集輸管線管徑不能小于D N40；因此，在縮小管徑的同時，加強保溫，以進一步降低熱耗損失，提高管網效率。喇16-223等6條管線經管徑模擬確認為經濟管徑，但6口單井含水在37%～47.8%之間，含水較低，管線溫降增加了摩阻損失，采取的措施是加強保溫，減少電耗費用。喇17-22管線管徑較小，當管徑達到8 9mm時，其管網效率最高，但由于管網流速僅為0.8 5 m/s，處于較為合理范圍內，摻水后，液量增加，管效會進一步提高；因此，不建議更換大管徑管，而對該管網進行除垢。通過以上的優化措施，實施后管網能耗降低6.8%，年可節氣15.24×104m3，年節電6.12×104k W h，單井運行費用降低0.8 5萬元/a。

3 結論及認識

1）通過建立集輸系統的管網結構，并通過管網矩陣建立管網的數學模型，實現了集輸管網的計算機仿真。它可以精確模擬集輸系統復雜管網的運行狀態，并通過系統管網的能量平衡模型，建立管網的能耗評價系統，進行集輸管網的能耗評價。

2）利用管網仿真系統建立的管網仿真模型，可以直接給出管網的能耗評價結果，克服了人工分析工作量大、耗時長的缺點，加快了油田規劃研究的速度，使油田規劃更能滿足和適應油田的多元開發方式。

3）管網仿真評價的結果對制定管網節能措施具有一定的指導意義。根據評價結果，對集輸管網管徑及保溫等參數進行調整，調整后應用仿真系統再進行模擬，實現多種優化方案的對比，找出管網優化最合理的方法，節省了大量的試驗投資和運行費用，并為油田規劃前期論證提供理論支持。

[1]王金峰,史秀敏.計算機仿真技術在輸油管道系統方面的應用[J].國外油田工程,1998(2):36-37.

[2]肖芳淳.灰色物元分析在優選油氣管道設計方案中的應用[J].油氣田地面工程,1996,15(1):1-6.

[3]李玉星,馮叔初,范傳寶.多相混輸管道溫降的計算[J].油氣儲運,2001,20(9):32-34.

[4]張蘭雙,魏立新,王文秀,等.原油集輸系統效率計算與能耗分析軟件開發[J].油氣田地面工程,2005,24(11):14-15.

[5]袁永惠.油氣集輸能量系統的熱力學評價與分析[D B].中國優秀碩士學位論文全文數據庫,2005(11):48.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.06.002

2012-02-23）

闞寶春，2002年畢業于江漢石油學院，工程師，從事地面系統節能測試評價工作，E-mail：kanbaochun@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶油田第六采油廠規劃設計研究所，163114。