油田環狀污水管網水力計算方法研究

王　力　樂昕朋　張　煜　李星雨　鄒吉洋　成　毅

1. 東北石油大學石油工程學院,　黑龍江　大慶　163318; 2. 大慶油田有限責任公司第四采油廠規劃設計研究所,　黑龍江　大慶　163511

0　前言

近年來,我國各大油田陸續進入三次采油階段,即由水驅轉向聚驅或三元復合驅。在開采過程中,除了污水產量大幅度增加外,采出水普遍“見聚”的現象也很突出,因此油田污水系統在油田生產中所發揮的作用越來越明顯。油田污水系統主要對采出污水進行收集和處理,是為回注或排放做好前期準備的關鍵。由于油田多種驅替方式并存,采出水水質成分復雜,另外管網聯通性越來越好,導致整個油田污水系統運行工況復雜[1]。僅靠管理人員的經驗控制油田污水系統運行往往會帶來調度方案不合理,以及站庫負荷率不均衡的問題。因此提高油田污水系統運行水平成為生產實際中的一項重要任務。

實現油田污水系統的水力仿真可以幫助管理人員預測、模擬系統的運行,為管理決策提供理論基礎和依據。這項復雜而綜合的技術,目前逐步受到各油田的重視。目前,國內外在油田地面工程的水力仿真的研究大多針對注水[2-7]或集輸系統等方面[8-11],管網結構上也僅針對簡單樹狀管網的研究,不能滿足目前要求以及適應油田管網未來“枝改環”的大發展趨勢。油田污水系統根據管網形態不同可分為樹狀污水管網和環狀污水管網。本文針對環狀污水管網,應用解環法思想,對其進行分析、建模及求解。

1　污水管網系統組成及特點

1.1　污水管網組成

油田污水系統分為節點單元和管道單元。油田污水系統正常運行狀態時,脫水站(轉油放水站)將含油污水通過管道調入污水處理站,經過污水處理站處理后調入注水站用以回注。脫水站與污水處理站之間的管網稱為原水管網,污水處理站與注水站之間成為污水管網,二者統稱為油田污水管網系統。根據來水和下游對水質需求的不同,污水站可以分為水驅污水處理站、含聚污水處理站、深度污水處理站三類,污水系統流程見圖1。

圖1　污水系統流程

1.2　污水管網水質分析

油田污水管網與注水管網、一般城市供水管網[12-13]區別主要在于水質不同。按照處理方式不同和處理先后順序,可將污水分為普通污水原水、三采污水原水、普通污水濾后水、三采污水濾后水和深度污水濾后水。經現場取樣后,測試200組同一溫度下不同污水水質雜質成分,見表1。

表1不同污水水質雜質成分

單位：mg/L

從表1可以發現,油田污水水質中除無機鹽、細菌外,主要雜質為聚合物、懸浮物和油。其中聚合物[14-16]在注入水中的作用主要是增加驅替液黏度,擴大波及體積,從而提高采收率。因此在油田污水中聚合物的含量會對污水黏度起主要影響作用。為了在水力計算過程中得到更準確的黏度,測量了不同溫度、不同含聚濃度下污水黏度,測量結果見表2。從表2可以發現,同一溫度下,污水中聚合物含量升高100 mg/L,其黏度增大0.1～0.3 mPa·s。根據現場實際情況,污水的進出站溫度在25～35℃之間。因此,測量時在該溫度范圍內選取了5個溫度點。范圍內的其他溫度下污水黏度可以通過測量數據插值獲得。

表2不同溫度、不同含聚濃度下污水黏度實測表

站名濃度/(mg·L-1)不同溫度下污水黏度/(mPa·s)25℃27℃30℃33℃35℃測樣數/個杏二十二深0～1500.80.80.70.70.75聚杏Ⅱ-1(聚)150～250110.90.80.85杏十七深250～35010.90.90.90.85杏十一深350～4501.31.31.21.11.15聚杏十一>4501.61.51.31.21.25

2　管網水力計算數學模型建立

針對油田污水管網系統結構和水質復雜,以及管網連通性好的特點,建立其水力計算數學模型。

2.1　管元壓降方程

圖2管元示意圖

管元示意圖見圖2,設節點i的水頭為Hi,節點j的水頭為Hj,則有管元段ij的管段能量方程[17]為:

(1)

式中:Hi、Hj為管段兩端節點i、j的水壓高程,m;hij為管段水頭損失,m;lij為管段長度,m;Dij為管道內徑,m;νij為管內流速,m/s;qij為管段內流量,m3/s;λij為水力摩阻系數。λij可按下式計算:

(2)

(3)

式中:Reij為雷諾數;e為管道內壁粗糙度,m;ρj為流體密度,kg/m3;νj為流體動力黏度,N·s/m2。

針對污水水質特點,計算雷諾數時應先選定溫度,污水含聚濃度根據實測數據,通過插值法計算污水密度、黏度；管道粗糙度e可以根據管材查表得到。

2.2　基環能量方程

基環能量方程也稱閉合環的能量平衡方程,表示每一環中各管段的水頭損失總和等于零的關系。環狀管網示意圖見圖3，其h12+h25+h45+h14=0。該方程可寫成:

[∑hij]L=0

(4)

式中:hij為屬于某基環的管道水頭損失,m;L為管網基環數,有L個基環,則有L個能量方程。流向為順時針的管段水頭損失為正,反之為負。

圖3　環狀管網示意圖

2.3　環能量校正方程組建立

(5)

如果不滿足能量方程,對每個環的管段流量施加相同的校正流量Δqk,消除閉合差。能量方程變為:

(6)

3　水力計算數學模型求解

針對上述理論,建立如下求解過程及方法：

1)利用叉積法判斷管道流向。

2)計算基環閉合差。

(7)

式中,FL(0,0,…,0)稱為初分配管段流量下的環水頭閉合差,記為:

(8)

(9)

圖4　軟件計算流程

4　計算實例

為高效求解,應用.Net技術根據軟件工程學[19-20]理論開發了“環狀污水管網水力仿真軟件”,應用大慶某采油廠部分區塊污水管網系統部分區塊生產運行數據對軟件及算法進行測試。大慶某采油廠部分區塊污水管網系統包括脫水站3座,轉油放水站1座,普通水驅污水處理站6座,含聚污水處理站1座,深度污水處理站1座,注水站9座,生產數據見表3。

針對表3生產數據,應用環狀污水管網水仿真軟件進行仿真計算，得到每條管線流量、流向、各節點壓力及水力半徑,在軟件中各節點水力半徑用不同顏色加以區分。具體結果見表4～5。

表3大慶某采油廠部分區塊污水管網系統生產數據

節點名稱流量/(m3·d-1)壓力/MPa杏十脫37 605.60.32杏九脫34 503.80.29杏十一脫34 853.80.31三元-7放水站24 192.00.30

表4污水管網系統管道仿真結果

管線名稱管線計算流量/(L·s-1)管線流向管線內流體來源管線1280.01三元-7放水站—>杏三污三元-7放水站管線25.29杏三污—>杏十六污三元-7放水站管線354.01杏三污—>杏二十六深三元-7放水站管線4132.79聚杏九污—>杏十六污杏九脫管線5182.35聚杏九污—>杏九注杏九脫管線666.82杏九脫—>聚杏九污杏九脫管線7132.67杏十脫—>杏二十六污杏十脫管線813.97杏二十六污—>杏二十六深三元-7放水站管線10159.33杏十脫—>杏二十四污杏十脫管線12127.25杏二十六污—>杏二十六注三元-7放水站管線1373.16杏二十四污—>交匯點1杏十脫管線14170.25交匯點1—>杏二十四注杏九脫管線15143.26杏十脫—>杏十污杏十脫管線1697.09杏2-1污—>交匯點1杏九脫管線17332.53杏九脫—>杏2-1污杏九脫管線18141.78杏2-1污—>杏二十五注杏九脫管線1993.66杏2-1污—>杏十九注杏九脫管線2086.17杏二十四污—>杏十九注杏十脫管線21143.26杏十污—>杏十注杏十脫管線22155.16杏十一脫—>杏十一污杏十一脫管線23248.24杏十一脫—>聚杏九污杏十一脫管線24155.16杏十一污—>杏三注杏十一脫管線2559.29杏三注—>杏三污杏十一脫管線2619.26杏二十六深—>杏十二污三元-7放水站

表5污水系統節點仿真結果

單位：MPa

5　結論

1)對油田污水系統水質進行了測試,發現污水中主要含有聚合物、懸浮物、油等成分。通過分析確定,水中聚合物含量對其黏度起主要的影響作用,因此測試了不同溫度、不同聚合物含量下污水的黏度。

2)結合所測黏度和水力學方程,得到管元的壓降方程。在此基礎上,通過分析污水管網的水力特點,建立環狀污水管網的數學模型,并設計了相應求解算法。

3)開發了環狀污水管網水力仿真軟件,應用該軟件對大慶某采油廠部分區塊污水管網系統部分區塊進行了試算。計算結果表明,環狀管網水力計算模型穩定性、適應性強,軟件及算法求解精度較高、求解速度較快,完全可以解決油田污水管網系統的仿真問題。