杏北油田污水系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術(shù)研究及應用

大慶油田有限責任公司第四采油廠

1 技術(shù)研究背景

杏北油田呈現(xiàn)出水驅(qū)、聚驅(qū)、三元復合驅(qū)等多種開發(fā)方式共存的局面，建成各類含油污水處理站33座，形成相關(guān)系統(tǒng)節(jié)點84處，如表1所示，并配套完善各類污水管道140條，總長293.6 km，形成交錯分布、互有聯(lián)通的污水管網(wǎng)，可以滿足產(chǎn)能鉆停、方案調(diào)整或維修改造期間的調(diào)水需求，如圖1所示。

圖1 杏北油田水驅(qū)、三采污水管網(wǎng)Fig.1 Sewage pipe network of water flooding and tertiary oil recovery in Xingbei Oilfield

表1 杏北油田污水系統(tǒng)相關(guān)節(jié)點匯總Tab.1 Summary of relevant nodes of sewage system in Xingbei Oilfield

隨著三次采油及加密井網(wǎng)開發(fā)的推進，深度注水量逐年升高，水驅(qū)區(qū)塊產(chǎn)水有限，不能滿足深度用水需求，深度水源存在4.00×104～6.64×104m3/d的虧空；三采區(qū)塊的增加，導致三采產(chǎn)水量升高，而普通井網(wǎng)的注水能力有限，三采污水存在3.95×104～4.89×104m3/d的剩余，如圖2、圖3所示。因此，整體呈現(xiàn)出“三采產(chǎn)水過剩，深度水源不足”的矛盾，同時全廠注采平衡主要靠人為調(diào)整，系統(tǒng)實際運行效果受調(diào)度者主觀經(jīng)驗影響，難以保證調(diào)配方案的質(zhì)量[1-5]。

圖2 深度水源不足Fig.2 Lack of deep water source

圖3 三采產(chǎn)水過剩Fig.3 Excess water roduction in ASP flooding

然而污水系統(tǒng)運行不是一成不變的，受各種因素影響需動態(tài)調(diào)整，靠人為調(diào)整很難保證及時性，容易造成污水處理站負荷率不均衡，污水處理效果不達標等情況。主要工況：

（1）季節(jié)性水量變化，優(yōu)化注水泵啟停。

（2）老化站庫停產(chǎn)改造，需要施工銜接。

（3）三采產(chǎn)水含聚動態(tài)變化，平衡系統(tǒng)水量。

（4）產(chǎn)能新增產(chǎn)、注水量需求，建設站庫、管道。

2 污水仿真技術(shù)研究

污水系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術(shù)以杏北油田實際的污水管網(wǎng)、機泵設備、生產(chǎn)數(shù)據(jù)為建模基礎(chǔ)，以滿足生產(chǎn)需求為量化的約束條件，使得污水系統(tǒng)整體調(diào)運過程中能耗最低。

2.1 污水管道水力計算模型修正

生產(chǎn)數(shù)據(jù)提取中只提供最高級別節(jié)點（脫水站級別）原水含聚濃度，但各下游節(jié)點、管道內(nèi)含聚濃度與黏度均不可測，因此，需對管內(nèi)污水黏度關(guān)系式進行修正。通過建立黏度隨溫度、含聚量變化的數(shù)學模型[6-7]，利用相關(guān)系數(shù)法對Kendal-Monroe模型、Arrhenius 黏度模型、Bingham 黏度模型、Cragoe 黏度模型四種常見的模型進行比較，如表2所示。

根據(jù)計算發(fā)現(xiàn)，對于油田污水，Kendal-Monroe 模型精度較高，因此選用該種模型建立公式，得到黏度隨溫度、含聚量變化關(guān)系模型：

式中：μn,t為t溫度下含聚量為n的污水動力黏度，mPa·s；n為污水中聚合物質(zhì)量分數(shù)，%；μj、μw分別為參考溫度下聚合物、清水的黏度，mPa·s；u為黏溫指數(shù)，℃-1；t和t0分別為測點溫度和參考溫度。

表2 不同模型計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of various models

污水管道的壓降公式為

式中：Δp為管道壓降，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；hf為沿程水頭損失，m；hj為局部水頭損失，m。

設管道實際的水力摩阻損失為hw，修正后水力摩阻系數(shù)為δ，管道長度為l，管內(nèi)流速為v，管徑為d，則

現(xiàn)使用最小二乘法對4種不同類型的管道進行水力修正，由此便可得到四種不同管道的修正關(guān)系式[8]。計算步驟如下:

（1）通過計算與實際測量結(jié)果得出n組λ與δ。

（2）根據(jù)管道類型的不同對λ與δ進行分類。

（3）在matlab中分別錄入各組數(shù)據(jù)，采用多項式公式擬合，選取多項式的最高次項不超過3 次，此時得到的即為修正后的λ與ε的關(guān)系式，記為f()λ=δ。

（4）對修正結(jié)果進行誤差分析，以相對誤差 5%為標準，驗證修正結(jié)果是否符合標準。

通過對大慶油田采油四廠污水系統(tǒng)管網(wǎng)進行的水力計算及修正計算，以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和相應的水力計算理論結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，擬合出不同類型管道的修正系數(shù)，得到的經(jīng)驗公式精度較高，也比較符合實際情況，如表3所示。

表3 誤差統(tǒng)計Tab.3 Error statistics

2.2 建立污水管網(wǎng)仿真模型

杏北污水系統(tǒng)總體上由原水管道、普通濾后水管道、深度濾后水管道三類管網(wǎng)組成。根據(jù)水質(zhì)不同，原水管道可分為一般含油原水管道、含聚原水管道2種。普通濾后水管道可分為一般含油普通濾后水管道、含聚濾后水管網(wǎng)管道2種。其總體供水流程如圖4所示。

2.3 確定污水系統(tǒng)優(yōu)化計算條件

基于已有的理論原理及模型，設定污水系統(tǒng)函數(shù)計算原則[9-10]：保證上游脫水、放水站產(chǎn)水全部回注，以及在滿足下游注水站注水需求的基礎(chǔ)上，最大限度地滿足“水量平衡、分質(zhì)處理、均衡負荷”，實現(xiàn)污水系統(tǒng)總運行能耗最低。

（1）含聚濃度類約束。水驅(qū)普通污水站處理液含聚質(zhì)量濃度 150 mg/L；深度污水站處理液含聚質(zhì)量濃度 150 mg/L；三元污水站外輸水質(zhì)含聚質(zhì)量濃度 150 mg/L時進入深度站。

（2）站庫負荷類約束。水驅(qū)普通污水站石英砂濾料站庫負荷率 90%；當水驅(qū)污水站含聚質(zhì)量濃度 150 mg/L 時，負荷率 80%；含聚質(zhì)量濃度為150～250 mg/L 時負荷率 69%；三元站、深度站、聚驅(qū)站運行負荷率 80%。

（3）其他約束。產(chǎn)水總量加上清水補充量不超過注水站需求量，保證污水不外排；管道輸水量應滿足不同季節(jié)、不同介質(zhì)、不同材質(zhì)水力條件。以運行管道長度與管道內(nèi)流量乘積作為評定系統(tǒng)能耗的標準，建立污水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的目標函數(shù)。

基于以上計算原則、目標函數(shù)、各類約束條件，調(diào)運過程中能耗最低作為求解目標。

2.4 仿真優(yōu)化軟件開發(fā)

根據(jù)水力計算模型、管網(wǎng)仿真模型及計算約束條件，開發(fā)杏北油田污水系統(tǒng)仿真優(yōu)化軟件[11]，實現(xiàn)污水管網(wǎng)仿真運行、生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度、輔助規(guī)劃設計等功能，對油田生產(chǎn)起指導作用，總體結(jié)構(gòu)框架見圖5。

2.4.1 實現(xiàn)圖形建模

按照已有圖形的實際地理坐標以及管線的連接情況，建立既符合實際管網(wǎng)現(xiàn)狀又適合程序計算的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，可顯示實際的節(jié)點、管道信息。用戶可添加、刪除、修改已有圖形，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)，適應污水管網(wǎng)的動態(tài)變化，滿足現(xiàn)場實際生產(chǎn)需要。此功能模塊包括圖形顯示、節(jié)點名稱、繪圖工具、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完整性檢測等功能。

圖4 杏北油田污水系統(tǒng)流程Fig.4 Flow of sewage system in Xingbei Oilfield

圖5 總體結(jié)構(gòu)框架Fig.5 Overall structure framework

2.4.2 實現(xiàn)仿真計算

在建立管網(wǎng)模型、仿真算法的基礎(chǔ)下，利用污水站實際的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，調(diào)整不同的計算模型，得出污水管網(wǎng)中各管段的壓力損失、各節(jié)點的壓力及流量，并能直觀查看現(xiàn)有數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及各污水站庫的負荷率和含聚濃度，實現(xiàn)系統(tǒng)的模擬運行。

主要包括如下功能：①污水系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的提取和轉(zhuǎn)化；②污水系統(tǒng)仿真模型的建立；③污水系統(tǒng)仿真模型的解算；④模擬仿真運行研究；⑤圖形動態(tài)顯示。仿真計算見圖6。

2.4.3 檢查調(diào)度決策

基于已建的仿真模型和實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有的仿真計算結(jié)果進行檢測，顯示不滿足脫水站全外排、污水站負荷率不超的站庫。

2.4.4 實現(xiàn)調(diào)度優(yōu)化

該功能是整個污水仿真優(yōu)化的核心部分，基于脫水站外排、污水站外排、注水站需量、管道能力、污水站負荷、水驅(qū)含聚濃度、深度站含聚濃度這7種約束條件，在現(xiàn)有的管網(wǎng)情況下，應用優(yōu)化理論和方法進行調(diào)度優(yōu)化，優(yōu)化后各水質(zhì)污水站負荷率更加均衡，如圖7所示。

2.4.5 模擬改造方案

可對污水管網(wǎng)改造方案進行仿真模擬，可查看變化節(jié)點后管道的流量、壓降、黏度、壓力等信息，導出調(diào)整改造方案，對污水管網(wǎng)的規(guī)劃決策起指導作用，如圖8所示。

圖6 仿真計算Fig.6 Simulation calculation

圖7 優(yōu)化前后方案各項指標對比Fig.7 Comparison of various indexes before and after optimization schemes

圖8 調(diào)整改造界面Fig.8 Adjustment and transformation of interface

3 技術(shù)應用

杏北油田污水仿真優(yōu)化技術(shù)于2018 年11 月開發(fā)完成，2019 年開始在生產(chǎn)管理、調(diào)整改造中得以應用。

3.1 杏十注水站起泵調(diào)整

由于杏十注水站所轄區(qū)域注水管壓為15.8 MPa，輔助制定普通網(wǎng)注水停泵調(diào)水預案，實現(xiàn)普通網(wǎng)順利停運杏十聯(lián)DN250注水泵1臺，使區(qū)域管網(wǎng)壓力降低到15.3 MPa，緩解了區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)供注矛盾。系統(tǒng)泵水單耗由5.92 kWh/m3下降到5.80 kWh/m3，日節(jié)約電量6 642 kWh，日節(jié)約運行成本0.4萬元，預計年可節(jié)約運行成本132萬元。

3.2 杏一區(qū)～三區(qū)深度污水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整

針對杏一～三區(qū)西部區(qū)域深度污水供需情況，通過系統(tǒng)模擬，提出了區(qū)域停運杏十九深度污水站的輔助決策建議，生產(chǎn)中采納并實施，停運深度污水站1 座，減少崗位用工14 人，年降低運行成本277萬元，降低改造投資1 570萬元。

4 結(jié)論

通過該項目的研究，實現(xiàn)了油田污水系統(tǒng)調(diào)度決策的智能化，避免調(diào)度決策結(jié)果受人為影響程度較大。可滿足注水泵實時調(diào)整的需求，提前制定啟停方案；可滿足站庫停產(chǎn)改造需求，制定污水調(diào)運預案，便于施工順利開展；針對三采區(qū)塊含聚動態(tài)變化情況，及時進行合理調(diào)配；在產(chǎn)能建設中，可預先模擬運行，論證新建站庫、管道、設備設施的必要性。污水系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術(shù)研究成果，可在油田多元開發(fā)中廣泛應用。