基于單井單位注水量電耗的注水系統評價方法

陳立達楊濟源 王翀 賀三 鄧志強

（1.遼河油田分公司安全環保技術監督中心；2.西南石油大學石油與天然氣工程學院）

注水是油田開發中普遍采用的一種行之有效的保持地層壓力、提高采油速度和采收率的重要措施[1]，而國內大油田的注水系統普遍效率低，與國外先進水平差距很大，能源浪費非常嚴重。據統計，注水耗電量約占我國油田生產用電的33%～56%[2]，因此，提高注水系統效率、實現節能降耗迫在眉睫。為此，大量學者開展油田注水系統降低能耗方面的研究，以解決油田注水系統的降耗問題，提高油田企業經濟效益[3-6]。梁晶等對油田注水系統常用能耗指標進行分析、對比，選取適用的能耗評價指標，并對影響指標的因素進行定性、定量的分析，得出影響因素與指標之間的關系[7]。王吉福等通過計算某油田注水系統能耗，分析注水高能耗原因，提出了注水泵變頻改造、更換小排量注水泵、優化注水管網等對策[8]。宋玉杰等建立了注水系統的能耗模型，分析了油田地面注水系統的能量分布情況，采用樹狀管網簡化技術，計算和測試了喇嘛甸油田高壓管網的流量和壓力，得出了油田注水能耗分布規律和節能降耗對策[9]。

目前對同一注水系統進行節能評價時，不同條件下的指標數值往往不能直接對比出好壞[10]；因此，需找出一個節能評價指標，對同一注水系統進行連續監測，實現降低能耗。基于能量守恒定律，對注水系統內的單井輸入功率與單井單位注水量電耗進行分析，從而了解注水系統的運行情況。

1 注水系統節能評價方法

1.1 理論分析

對于任意的注水系統，以注水井與注水泵為單元，將每口注水井劃分為單臺注水泵連接單口注水井的模型，即單泵單井模型，如圖1所示。

圖1 單泵單井模型

根據能量守恒定律，在單泵單井模型中，單井單位注水量電耗與單井輸入功率之間的關系如式（1）所示：

式中：y為注水井單位注水量電耗，kWh/m3；Nmini為注水系統中第i個單泵單井模型的注水泵電動機輸入功率，kW；Nmpi為注水系統中第i個單泵單井模型的注水泵機組的功率損失，kW；Ppouti為注水系統中第i個單泵單井模型的注水泵出口壓力，MPa；Psouti為注水系統中第i個單泵單井模型的注水站出站壓力，MPa；Qpi為注水系統中第i個單泵單井模型的注水泵流量，m3/h；Qrsi為注水系統中第i個單泵單井模型的回流量，m3/h； NPVi為注水系統中第i個單泵單井模型的注水管網損失功率，kW；Pwi為注水系統中第i個單泵單井模型的注水壓力，MPa；Qwi為注水系統中第i個單泵單井模型的注水流量，m3/h；Ppinz為注水系統中第i個單泵單井模型的注水泵入口折算壓力，MPa。

目前，注水系統的耗電量可直接獲得，但大多數單井井口前沒有安裝測量單井單位注水量電耗的儀表，無法直接獲取單井單位注水量電耗。因此，單井單位注水量電耗采用流量配比的方式將系統單位注水量電耗分配到每一口井上，注水井單位注水量電耗由式（2）、式（3）計算：

式中：MJW為注水系統單位注水量電耗，kWh/m3；m為注水系統的注水井總數量；λi為注水系統中第i口注水井的注水量與注水井總流量的比例。注水單井的輸入功率由式（4）計算：

式中：x為單井輸入功率，kW。

在注水系統單泵單井模型中，單井輸入壓力Pwi為變量，其余與單井輸入壓力Pwi無關的常量可以看成常數，則單井輸入功率與單井單位注水量電耗的關系如式（5）所示，單井輸入功率與單井單位注水量電耗線性關系如圖2所示。

圖2 單井輸入功率與單井單位注水量電耗線性關系

式中：k為單井輸入流量的倒數，1/（m3·h-1）；n為與單井輸入壓力無關的常數。

斜率表示單井井口流量的倒數；截距表示單位注水量功率消耗，即單位注水量泵機組損失功率、單位注水量站內管線損失、單位注水量回流損失與單位注水量注水管網損失之和減去泵入口水帶來的功率。

1.2 評價方法

節能是一個相對的概念，從理論上而言，在同一系統或者相同基準條件下系統才能互相比較：對于同一系統進行比較，系統的運行參數、監測地點要求一致；對于不同系統之間進行比較，系統的結構參數、運行參數應該相似。

因此，該指標對于同一系統的不同運行狀態的評價會比不同系統的評價更具適用性。

1.2.1 注水系統節能評價指標

由單井的注入能量與單位注水量電耗的公式可知，直線截距的物理意義是注水系統的單位注水量能量消耗，表明了注入單位水量所需要消耗的功率。對于擬合的曲線，截距越大，注入單位水量所需要消耗的功率也越大；反之，截距越小，注入單位水量所需要消耗的功率也越小。因此，可將截距作為注水系統間節能程度評價的指標。

1.2.2 注水系統節能評價分級

一般情況下，一個合適的評價指標需要使用大量現場數據并結合一定的數理統計方法來獲得，但由于目前的數據量有限，無法采用統計方法。因此，引用覆蓋率的概念，依照被監測對象70%以上合格、20%優良的原則，計算得到限定值。

2 節能評價方法的應用

2.1 測試對象與測試方法

注水系統的測試和計算嚴格按照GB/T33653《油田生產系統能耗測試和計算方法》進行[11]，測試期間各測試點壓力波動不大，各測試流量基本穩定，符合監測條件要求。

測試注水系統有注水井119口，系統壓力19MPa，日注水量3800m3，覆蓋11個開發單元。不同開發單元間儲層物性差異較大，造成水井注水壓力（5～23MPa）需求差別較大，注水單耗為9.2kWh/m3。

2.2 數據計算

1）測試期間有4臺注水泵運行，實際注水井88口，注水站回流流量0m3/h，出口流量139.625 m3/h，出口壓力20.4MPa，效率為54.43%；注水系統輸入能量1490.375kW，輸出能量572.44kW，損失能量917.935kW。各項損失占的比例如圖3所示，單井輸入功率與單井單位注水量電耗之間的關系如圖4所示。

圖3 2016年6月30日注水系統能量損失分布

圖4 2016年6月30日單井單位注水量電耗

從圖4可以看出，注水井能量與注水井單位注水量電耗呈現明顯的線性關系。因此，采用線性擬合的方式獲得兩者的線性表達式如下：

2）測試期間有3臺注水泵運行，實際注水井95口，注水站回流流量0m3/h，出口流量154.67m3/h，出口壓力19.2MPa，效率為54.32%；注水系統輸入能量1554.42kW，輸出能量602.50kW，損失能量951.92kW。各項損失占的比例如圖5所示，單井輸入功率與單井單位注水量電耗之間的關系如圖6所示。

圖5 2016年12月31日注水系統能量損失分布

圖6 2016年12月31日單井單位注水量電耗

從圖6可以看出，注水井能量與注水井單位注水量電耗呈現明顯的線性關系。因此，采用線性擬合的方式獲得兩者的線性表達式如下：

3）測試期間有3臺注水泵運行，實際注水井96口，注水站回流流量0m3/h，出口流量115.5m3/h，出口壓力18.1MPa，效率為49.71%；注水系統輸入能量1204.75kW，輸出能量512.45kW，損失能量692.3kW。各項損失占的比例如圖7所示，單井輸入功率與單井單位注水量電耗之間的關系如圖8所示。

圖7 2017年6月30日注水系統能量損失分布

圖8 2017年6月30日單井單位注水量電耗

從圖8可以看出，注水井能量與注水井單位注水量電耗呈現明顯的線性關系。因此，采用線性擬合的方式獲得兩者的線性表達式如下：

4）測試期間有3臺注水泵運行，實際注水井94口，注水站回流流量0m3/h，出口流量145.46m3/h，出口壓力18.1MPa，效率為54.47%；注水系統輸入能量1378.75kW，輸出能量561.32kW，損失能量817.43kW。各項損失占的比例如圖9所示，單井輸入功率與單井單位注水量電耗之間的關系如圖10所示。

圖9 2017年12月31日注水系統能量損失分布

圖10 2017年12月31日單井單位注水量電耗

從圖10可以看出，單井輸入功率與單井單位注水量電耗呈現明顯的線性關系。因此，采用線性擬合的方式獲得兩者的線性表達式如下：

3 結果分析

注水系統在不同日期的各部分能量損失如表1所示。

表1 測試注水系統各部分能量損失

由表1可知，在注水系統中泵機組損失能量是最大的，其次是注水管網損失能量，站內管線損失能量較小。2016年6月30日，測試注水系統有4臺注水泵運行，故站內管線損失能量較大；而2017年6月30日，測試注水系統效率最高，此時的注水管網損失能量最小。

綜上所述，注水井輸入功率與單井單位注水量電耗呈現明顯的線性關系，線性擬合度達0.8以上，現場數據結果與理論分析結果相符。測試注水系統不同日期單井輸入功率與單井單位注水量電耗關系式見表2。

表2 測試注水系統不同日期關系式

由表2可知，2017年12月31日直線截距最大；此時注入單位水量所需要消耗的功率也最大，2016年6月30日直線截距最小，此時注入單位水量所需要消耗的功率也最小。

圖11 單井輸入功率與單井單位注水量電耗直線匯總

由圖11可知，被測注水系統的單井輸入功率與單井單位注水量電耗直線的截距為0～1kWh/m3。依照被監測對象70%以上合格、20%優良的原則，則截距的合格限定值為0.7kWh/m3，截距的節能限定值為0.2kWh/m3，低于節能限定值為節能狀態，低于合格限定值為合格狀態。2016年6月30日，被測注水系統為節能狀態，其余日期被測的為合格狀態。

4 結論

1）注水井輸入功率與單井單位注水量電耗呈現明顯的線性關系，線性擬合度達0.8以上，現場數據結果與理論分析結果相符。

2）被測注水系統的單井輸入功率與單井單位注水量電耗直線的截距的合格限定值為0.7kWh/m3，截距的節能限定值為0.2kWh/m3。