環狀摻水集油工藝優化控制技術研究

管 桐，馬 玲，王丹玲，高 珊，王亞磊，陳雪梅，賈俊杰

1.華北油田工程技術研究院，河北任丘 062550

2.華北油田合作開發項目部，河北任丘 062550

3.華北油田江蘇儲氣庫分公司，江蘇鎮江 212000

4.華北油田第一采油廠，河北任丘 062550

華北油田歷時四十多年的發展，目前已經進入開發后期，產量減少，能耗增加，原油的黏度、凝固點、含蠟量都比較高[1]，原有的集油模式與開發現狀不匹配[2-3]。環狀摻水集油工藝的基礎投資較低、運行事故率低且便于管理，在華北油田得到規模性的應用[4]，但在實際應用中該流程存在平均單井摻水量大、集輸能耗高、影響因素多等缺點[5-6]，需進一步優化集油參數以降低投資并保障集輸平穩運行。

隨著近幾年物聯網技術的發展及油田數字化程度的提高，截止到2019年底，華北油田70%的生產區塊已經實現數字化建設，實現了生產數據的自動采集、生產過程的實時監測[7]。本文選取了已經實現數字化建設的華北油田A區塊，通過對環狀摻水集油工藝參數的優化及智能控制，實現了摻水工藝的自動調控，為系統安全、平穩、低耗運行提供了保障。

1 環狀摻水集油工藝參數優化

1.1 建立摻水工藝能耗優化模型

本文以摻水溫度、摻水量為設計變量[8]，以井口回壓小于1.5 MPa、回液溫度高于原油凝固點為約束條件，以系統最低能耗作為目標函數，建立如下能耗優化模型：

式中：E為系統單日能耗，kJ/d；ET為系統日熱力能耗，kJ/d；EP為系統日動力能耗，kJ/d；Pm為端點井的井口壓力，MPa；Tm為回液溫度，℃；T凝為原油的凝點溫度，℃。

1.2 集輸管道溫降計算

采用蘇霍夫溫降公式計算[9-11]：

式中：TL為距起點L處的溫度，℃；T0為埋地管道中心埋深處的自然地溫，℃；TQ為管道起點處液體的溫度，℃；L為管道長度，m；D為管道外徑，m；G為油水混合物質量流量，kg/s；C為油水混合物的比熱容，J/（kg·℃）；K為管道總傳熱系數，W/（m2·℃）

1.3 集輸管道壓降計算

因摻水間到集油環第1口井的摻水管道內介質為水，屬輸送單相介質的管道，因此建立壓降計算公式如下：

式中：he為沿程摩阻損失，m；hε為局部摩阻損失，m，一般忽略計算；P1、P2為起點、終點壓力，MPa。

其余集油管道內介質均為油氣水三相，在這里不考慮氣相傳輸，利用紊流光滑區的列賓宗公式：

式中：λ為氣液混輸水力摩阻系數，無因次；ν為原油的運動黏度，m2/s；L為管道長度，m；D為管道外徑，m。

2 環狀摻水集油工藝智能控制系統

2.1 環狀摻水集油工藝智能優化控制軟件

智能優化控制軟件采用了后臺軟件+前臺軟件的形式，后臺采用了自主編制的能耗優化軟件對參數進行計算分析，前端采用Intouch組態軟件進行數據展示。

后臺能耗優化軟件采用C#進行編制，依據環狀摻水能耗優化模型，計算約束條件下能耗最低的摻水溫度和摻水量，并將計算結果傳輸給前端組態軟件展示。該軟件主要包括管道數據輸入、油井生產數據輸入、數據讀取、模型校對以及優化摻水參數模塊。管道數據輸入包括管道的型號、內外徑、長度、壁厚等；油井生產數據輸入包括產出液的密度、含水率、地溫等；模型校對主要為模型計算的結果與實際數據的對比，以此降低模型計算結果的誤差；優化摻水參數主要為摻水量和摻水溫度。能耗優化軟件示意如圖1所示。

圖1 能耗優化軟件示意

前端Intouch組態軟件承擔摻水集油數據展示及數據交互，展示各站的環狀摻水、集油工藝優化前、后的摻水數據，實現了現場人員對摻水集油參數的實時監控，如圖2所示。根據每個摻水環串聯油井的數量、油井產液量、地溫等數據，以“一環一法”的原則，為每個摻水環設計調控策略，并對當前摻水集油工藝的參數進行智能調控。

2.2 環狀摻水集油工藝智能優化調控系統

該系統主要借助已建的油田井站數字化監控系統，采集站內各個摻水環進出口壓力、溫度、流量等實時數據，然后利用環狀摻水能耗優化軟件計算能耗最優的摻水量及摻水溫度。油田現場實際調控策略是根據季節將摻水溫度和回液溫度設為固定值，然后根據摻水管道壓力波動差、摻水量和回液量波動差，通過組態軟件向站內數據采集的PLC發送調控指令，調節摻水泵的頻率，從而達到調控摻水量的目的，實現摻水集油環的智能調控，如圖3所示。

圖2 組態軟件界面

環狀摻水集油工藝調控系統是一種典型的非線性且滯后的系統。考慮到摻水環實際調控中模糊控制實現的可操作性和有效性，選用了智能控制中的模糊控制算法實現對摻水環中摻水量的調控。模糊控制算法原理結構如圖4所示。

模糊控制器通過摻水環回液溫度（T）對管道集油狀態及工況作出判斷，將摻水環管道壓力波動差（P）、摻水量變化量（Q）和摻水泵頻率（F） 分別用7個模糊集來描述，即用“正大”“正中”“正小”“零”“負小”“負中”“負大”7種狀態來描述。摻水環的控制對象是摻水泵的頻率，“正大”表示將頻率調為50 Hz泵全速運行，即摻水量最大；“零”表示將頻率調為25 Hz，即摻水量至中；“負大”表示將頻率調為0 Hz（泵關停），即摻水量為零；其他狀態依此類推。

圖3 摻水集油工藝參數優化控制流程

控制系統的數據采集和控制由西門子S7-1500 PLC完成。摻水溫度設定值通過Profibus-DP總線傳送給模糊控制器，模糊控制器完成管道壓力波動差和摻水量變化量的模糊化計算，控制摻水泵的運行頻率，實現摻水環摻水量的控制。

環狀摻水模糊控制器投入使用后，該控制器在解決環狀摻水量調節、環回液溫度滯后和時變性控制系統時，總體控制性能較好，環回液溫度的動態特性較快，如圖5所示。控制器通過調節摻水量，可使摻水環回液溫度高于原油凝固點，平穩安全運行，實現了環狀摻水集油工藝的控制要求。

圖4 模糊控制算法原理結構

圖5 環狀摻水集油工藝模糊控制器環回液溫度曲線

3 現場應用實例

選取已建數字化系統的A聯合站進行現場應用，該站共有7個摻水環，串聯46口油井，優化前夏季的摻水溫度為60℃、回液溫度為45℃；冬季的摻水溫度為70℃、回液溫度為49℃，原油凝點為35℃。由于站內其他工藝流程需要加熱爐供熱，為保證站內其他工藝不受影響，在對摻水集油現場進行應用時不調整加熱爐的溫度，即摻水溫度不優化，只優化摻水量。依據夏季、冬季各摻水環不同的摻水量，計算得到各環最優摻水量，并計算各環優化的運行費用，如表1、表2所示。

表1 夏季各環優化前后參數

由表1和表2可以看到，將回液溫度設定為原油凝點，在夏季A站可以節約摻水集油運行費用1 797.93元/d；在冬季A站可以節約摻水集油運行費用4 176.83元/d。

4 結論

建立環狀摻水集油能耗優化模型，采用C#編制環狀摻水集油能耗優化軟件，并以此計算摻水集油工藝在安全、穩定運行下最低的摻水參數，依托油田數字化監控系統，自主制定摻水環智能調控原則，利用模糊控制算法構建了油田環狀摻水集油優化控制系統，并在A聯合站進行了應用，實現了以最低能耗為目標的摻水溫度和摻水量的自動調控，降低了摻水費用，為華北油田地面建設的優化簡化奠定基礎。

表2 冬季各環優化前參數