長慶油田注水管道經濟流速確定方法

楊露，王俊濤，劉叢

1.長慶油田第三采油廠采油工藝研究所，寧夏銀川750006

2.長慶油田超低滲透油藏研究中心，陜西西安710018

長慶油田注水管道經濟流速確定方法

楊露1，王俊濤2，劉叢1

1.長慶油田第三采油廠采油工藝研究所，寧夏銀川750006

2.長慶油田超低滲透油藏研究中心，陜西西安710018

注水管道運行參數最優化是油田注水系統高效、節能運行的重要手段。文章考慮油田注水管道自身特點，結合流體力學和經濟評價手段，推導了長慶油田注水管道經濟管徑和經濟流速關系式，計算了西北地區油田部分在用注水管道的經濟流速范圍，可為注水管網的設計計算提供借鑒。

注水管道；經濟流速；經濟管徑

0 引言

油田注水管道設計運行是一個涉及投資、水力學、管理學等多領域的交叉問題。通常情況下，工程人員關注點多集中于注水管道管徑、管道流速和壁厚等方面的研究或計算。多年來，油田注水管道經濟流速的確定沿用了給水工程中城市供水管網經濟流速的概念[1]。

然而實踐證明，油田注水系統中的管道無論在造價、使用壓力還是使用壽命上，都與城市供水管道有著顯著不同，直接借用城市供水系統經濟流速經驗數值并不準確[2]。

本文對長慶油田西北地區注水管道經濟流速進行建模計算，可為油田注水管網的設計計算提供借鑒。

1 注水管道總投入函數

注水管道的總投入由注水管道的基建投資、動力費用和維修費用三部分組成。一般來說，在確定注水管道運行參數時，主要考慮的因素是管道壓降和流速。管道規格不同，流速不同，其運行費用必然不同。管道流速高，壓力損失大，耗電量大，運行費用高；反之，管道流速低，管道直徑大，雖然運行費用低，但基建投資高。因此流速過大或過小都不經濟，只有流速和管徑相互協調匹配，才能實現注水管道運行最優化，此時的管道流速稱為經濟流速，管徑稱為經濟管徑。

（1）依據現行管網經濟評價體系，每米注水管道的基建投資為[3]：

式中C——注水管道每米基建投資額/（元/m）；

a，b——管道造價系數，無量綱；

d——管道內徑/m；

α——管道造價指數，無量綱。

（2）注水管道的運行動力由注水泵提供，運行費用包括泵站電費M1和維修費用M2，其中維修費用M2一般取管道基建投資的一定百分比。

注水泵年做功轉換成年電力費用的關系式為：

式中M1——注水泵年電力費用/元；

E——電價/（元/kW·h）；

q——管道流量/（m3/s）；

H——水泵靜揚程/m；

h——管網起點到終點的水頭損失/m；

ηs——泵站效率（電機和注水泵兩者效率的乘積）。

注水管道年維修費用：

式中M2——注水管道年維修費用/元；

P——每年扣除的折舊費和大修費/元；

L——管道長度/m。

（3）注水管道年總投入為：

W=S C（d）L+M1+M2，即

式中W——注水管道年總投入/元；

S——管道基建投資年分攤率。

2 管道基建投資

公式（1）提供了每米注水管道基建投資（造價）和管道內徑的關系，包含有a、b、α三個系數。根據長慶油田西北地區注水管道價格，繪制單位長度造價C和管道內徑d的關系曲線，擬合確定系數（見圖1，數據來源于長慶油田2011年各類管材標準化預算），a=-28.437 2，b=9 789.925 09，α=1.627 79。

圖1 注水管道單位長度造價與管道內徑關系

3 模型計算

通過前述分析可以看到，確定注水管道經濟流速和經濟管徑的問題，可轉化為確定最優化投資的問題，即確定管道內徑d值使得目標函數W值最小，進一步轉化為W對d求導數確定最優值。

公式（2）中需要計算水頭損失h。常用計算方法為謝維列夫公式和海曾-威廉公式[4]?？紤]到海曾-威廉公式可適用于不同管材（需根據不同的管材取不同的海曾-威廉系數），因此本文根據注水無縫鋼管的實際情況，將海曾-威廉公式的系數進行適當修正[1]：

式中k——系數，取k＝1.743×10-9；

n——系數，取n＝2；

m——系數，取m＝5.33。

于是有：

經濟管徑d：

經濟流速v：

根據中國石油天然氣集團公司規定，S=0.158 3，P=6元，ηs=75%，E=0.64元/kW·h，代入公式中即可求得對應的經濟管徑和經濟流速：

需要強調的是，縱觀整個推導過程，始終將管徑看作連續變量，但市場上銷售的管材其管徑都有嚴格的分檔，故管徑屬于離散變量而并非連續變量?？紤]到實際情況，需要將計算出的管徑標準化。依據推導的公式，本文計算了長慶油田西北地區部分注水管道管徑的經濟流速，見表1。

從表1可以看出，油田常用注水管道經濟流速范圍在0.89～1.32 m/s之間，不同管徑的經濟流速需要通過計算來確定，不能籠統對待。

表1 部分注水管道管徑與經濟流速關系

4 結論

（1）經濟流速是在一定經濟條件下確定的，需要考慮注水管道造價、運行管理費用和運行折舊費等諸多外部因素，外部條件改變，經濟流速隨之改變，盲目借用城市供水管網的經濟流速值是不合適的。

（2）本文提出的計算長慶油田西北地區注水管道經濟流速的數學模型使用方法簡單，可為工程人員設計注水管網提供計算依據。

[1]胥惠娟，馬麗芬，孫河生，等.油田注水管道經濟流速的確定[J].河南石油，2002，16（4）：48-49，52.

[2]陳領君，李明忠，王延生，等.注水管道運行技術經濟參數的確定方法[J].油氣田地面工程，2010，29（7）：8-10.

[3]ZBBZH/YZ，油田注水工程建設標準[S].

[4]袁恩熙.工程流體力學[M].北京：石油工業出版社，2002.

Determination of Economical Flow Rate of Water Injection Pipeline in Changqing Oilfields

Yang Lu1，Wang Juntao2，Liu Cong1
1.Technology Research Institute of Third Oil Production Plant of Changqing Oilfield Company，Yinchuan 750006，China
2.Research Centre of Ultra-low Permeability Reservoir of Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China

The operation parameters optimization is a prominent approach for high efficiency and energy saving of oilfield water injection system.By pondering upon the feature of water injection pipeline and from fluid mechanics principle and economics evaluation methods，this paper derives the formula of the relation between economical pipe diameter and economical flow rate for Changqing Oilfield，and uses them to calculate economical flow rate range for partial water injection pipelines of Northwest oilfields．The results provide reference for design calculation of water injection pipeline network.

water injection pipeline；economic flow rate；economic pipe diameter

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.05.015

楊露（1984-），男，湖北天門人，工程師，2009年畢業于成都理工大學油氣田開發專業，碩士，現主要從事油田注水研究工作。

2014-04-07