油田注水管網問題診斷及節能潛力預測

宋 奇，莊建全，羅江濤，鄭春星

1.中國石化江蘇油田分公司石油工程技術研究院 （江蘇 揚州 225009）

2.中國石化江蘇油田分公司采油二廠 （江蘇 淮安 211600）

注水可以有效地補充地層能量，對提高原油采收率，確保油田高產、穩產起到了積極作用，是降低原油開采成本的重要途徑。但是，目前我國各油田的注水系統普遍存在效率低、能耗高、能源浪費大的問題。據統計，油田注水耗電量一般占油田總用電量的33%～56%[1]，并且隨注水量的增加還將持續上升。

地面注水管網能耗高的主要原因：一是注水管網結構不合理。區塊注水能力需要增加時，鑒于新建注水站投入大，一般采用優先改造老站的方法，這就造成老站與當初設計相比，其注水半徑變大，干支線增多，致使老站注水負荷增加，管線沿程壓力損失變大，系統能耗升高、注水效率下降。二是注水管線普遍存在腐蝕結垢等問題，這一方面增加了管線表面的摩擦系數，另一方面結垢造成管徑縮小，最終導致管線節流損失大，造成能量的浪費[2-3]。

多年來，地面注水系統的優化運行主要是靠注水管理人員的經驗來實施，難以保證注水系統在優化的狀態下工作，致使注水效率較低，注水能耗偏高。因此，油田急需一套方便、快捷、可靠的地面注水管網優化、設計和管理的軟件。基于此，擬構建一個注水管網優化評價分析的軟件平臺，更好地幫助油田注水管理人員對現有注水生產系統進行測試、分析診斷，發現存在的問題，優化注水參數及注水管網，優選作業措施，確保注水生產系統效率最高，降低管網改造和系統運行成本，以達到為油田節能降耗、提質增效的目標。

1 注水管網仿真數學模型的建立

注水管網系統是一個復雜而龐大的水力學系統。從基本組成單元分析，油田注水系統由管線單元（注水干線和注水支線）、節點單元（注水站、配水間、注水井以及管線交點單元）和附屬單元（三通、閥門和彎頭單元）構成。

1.1 注水管網系統的簡化

油田注水系統是大型、非線性、復雜的流體網絡系統，首先要對管網進行簡化，也就是對管網系統的總體方程進行降維或降階處理，同時保留揭示原系統本質特征的主要信息[4-5]。

江蘇油田注水管網多為枝狀管網，管網流程以單管多井工藝居多，故枝狀管網的簡化策略為：將注水井等分支節點的流量直接上溯疊加到其所屬配水間，將該配水間所屬注水井井口壓力與配水間到注水井的壓頭損失之和的最大值疊加到該配水間。

式中：Qpei為配水間流量，m3/d；Qjing為注水井井口流量，m3/d；Ppei為配水間壓力，MPa；Pjing為注水井井口壓力，MPa；hw為配水間到注水井的壓力損失，MPa。

如圖1所示的注水管網中，共有30個節點，其中有1個注水站節點、6個配水間節點、23個注水井節點。經過簡化后，管網系統中的節點數由最初的30個降為最終的7個（圖2），即管網系統總體方程的維數由30維降為7維，特性矩陣K由30×30階矩陣降為7×7階矩陣。

圖1 簡化前注水管網

圖2 簡化后注水管網

1.2 注水管網仿真數學模型的建立

對于一般的油田注水管網系統，對方程的階次、上機前的準備工作和迭代計算收斂的速度等方面綜合比較發現，節點型方程模型最為有效，也就是在管網中任一節點上需要滿足連續方程（即節點的流量平衡）。連接此節點的所有單元從節點流出流量之和等于流入該節點的流量（若是消耗則為負值）。對任一節點m有：

式中：i為管線單元編號；k，j為管線單元兩端節點編號；Ui為該節點為水源所在節點時的供水量；Qi為該節點為注水井時的配注量；hk，hj為管線單元兩端節點壓力；Ii為與節點i相鄰的節點標號的集合；vi=f(hk-hj,li，di，si)，li，di，si分別為管線單元長度、內徑、沿程摩阻系數。

對于一個有n個節點的注水管網，有n個這樣的節點方程組成的非線性方程組。但這n個方程中的任一節點方程都可以由其余n-1個方程得出，所以它只有n-1個獨立方程。基于這n-1個方程，若注水系統中注水站的供水量、各節點的配注水量已知，可由該方程組求出各節點的壓力和各管道的流量。

1.3 油田注水系統效率計算方法

油田注水系統效率等參數依照石油天然氣行業標準SY/T 5264—2006《油田生產系統能耗測試和計算方法》中所規定的油田注水地面系統的測試與計算方法進行計算。

1.4 注水井及注水管線問題診斷分析依據

1.4.1 注水井診斷

注水井診斷以配注合格率為主要目標，配注合格率就是單井實際注水量與配注量的比值，它直接反映了該井的配注完成情況，可以準確而有效地判斷出該井的實際注水情況。

式中：η合格為配注合格率；Q實注為注水井實際注水量，m3/d；Q配注為注水井配注量，m3/d。

1.4.2 管線診斷

管線診斷以管線內徑縮小率為主要判別標準，管線內徑縮小率就是管線內徑的變化值與新管線內徑的比值。

式中：η為管線內徑縮小率，%；d為新管線的內徑，m；d當量為軟件模擬出的管線當量內徑，m。

2 注水管網仿真診斷優化評價軟件的編制

通過Delphi 7.0編程語言，編制了地面注水管網仿真診斷優化評價軟件。該軟件平臺以油田真實生產數據為初始條件，模擬得到管網各節點及管元的壓力、流量參數，計算系統效率及能量損耗。依據仿真結果及生產數據，對注水系統進行工況診斷，分析影響油田注水系統效率的因素，找出不合理因素。在滿足油田現有生產實際的前提條件下，對注水管網改造方案進行節能潛力預測，指導油田注水系統設計規劃。軟件的主界面及功能模塊如圖3所示。

圖3 注水管網仿真診斷優化評價軟件界面

3 注水管網評價實例

選取某油田注水系統實例，應用注水管網仿真診斷優化評價軟件對其進行仿真計算及工況診斷分析。首先應用軟件建立了該注水站注水管網模型，如圖4所示，現場收集了2018年4月的生產數據進行模擬計算，具體結果見表1。由表1和表2數據可知，應用軟件仿真計算結果與實際測試結果相比，多數節點的計算結果與實際測試結果誤差在允許范圍內，誤差最大值為5.70%。

圖4 某注水站注水管網結構圖

表1 配水間仿真計算結果

表3為注水管線的診斷結果，根據輸入的工況數據計算得到管線的實際壓降，擬合得到管線的當量內徑，按管線的內徑和流量計算管線的理論壓降，最后根據判別標準給出評價結果。在油田實際應用中，一般認為當量內徑縮小率在15%以內為合理值，由表3中數據可知，注水站到配水間2的注水干線、配水間2到井6-9和井6-39注水支線的管線當量直徑與管線內徑相比明顯大于15%，說明注水管線出現一定的堵塞、結垢現象，亟待改造。

表2 要因確認表

注水井診斷結果見表4，該系統內有欠注井2口，超注井1口，其余井均在正常范圍內。

優選改造方案：注水站到配水間2的注水干線、配水間2到井6-9和井6-39注水支線的管線不合格，且井6-9和井6-39沒有達到配注量，建議對相應注水管線進行物理或化學清洗，以此降低注水管線壓損，提高井6-9和井6-39的注水量。根據管網仿真診斷優化評價平臺對清洗后的注水管線進行系統仿真分析，井6-9和井6-39的注水量分別為49 m3/d和31 m3/d，基本達到配注量，該注水站的注水系統效率從43.7%提高到46.5%，提高了2.8%。

4 結論

1）依據注水管網仿真數學模型編制的注水管網仿真診斷優化評價軟件，以油田生產數據為初始條件，可實現對現有工況的準確性分析，計算注水管網的各部分運行參數，幫助注水人員及時掌握注水動態。

表3 注水管線診斷結果

表4 注水井診斷結果

2）通過優化計算，可實現對現有注水管網的問題診斷分析評價，據此找出現有注水管網存在的問題，提出相應的優化改造措施，提高改造后節能潛力，對油田生產實際具有一定的指導意義。