油田注水系統(tǒng)能耗分析與優(yōu)化

劉忠宇（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

油田開采過程中為達到保持地層能量、實現(xiàn)油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)、提高采收率的目的，常采用注水保持壓力的方式進行開發(fā)。注水開采主要由若干注水站、配水間、注水井等節(jié)點單元，以及管線單元組成注水系統(tǒng)。

1 現(xiàn)狀

隨著油田的發(fā)展、改造，油田管網(wǎng)中干線與支線的連接關系復雜、注水量需求波動大、注水泵啟停方式與開發(fā)需求不匹配，造成注水系統(tǒng)能耗過高[1-3]。目前，油田注水系統(tǒng)耗電量已占油田總耗電量的40%以上，且隨著注入量的增加而增大[4]。因此，開展油田注水系統(tǒng)能耗分析與評價的研究，對于找出系統(tǒng)運行薄弱環(huán)節(jié)，制定節(jié)能降耗改造方案具有十分重要的意義。針對某油田注水系統(tǒng)，對其進行了能耗分析，建立運行方案優(yōu)化數(shù)學模型并求解，確定注水泵最優(yōu)啟停工況，并制定合理的改造方案。

2 注水系統(tǒng)能耗分析與評價

2.1 注水系統(tǒng)能量平衡模型

根據(jù)能量守衡定律，建立注水系統(tǒng)能量平衡模型：帶入體系能量+外界供給能量=損耗能量+輸出能量[5-6]。能量平衡模型見圖1。其能量平衡方程為

圖1 能量平衡模型

式中：E電動機為電動機輸入功率，kWh；E帶入為泵帶入能量，kWh；E井輸為井口輸入電動機能量，kWh；ΔE電損為注水電動機損失的能量，kWh；ΔE泵損為注水泵損失能量，kWh；ΔE閥損為閥組損失能量，kWh；ΔE管損為管網(wǎng)損失能量，kWh；ΔE配損為配水間損失能量，kWh；ΔE井損為井口調(diào)節(jié)設備損失能量，kWh；E有效為注入注水井的有效能量，kWh。

2.2 注水系統(tǒng)能耗分析

該注水系統(tǒng)2座注水站共運行3臺注水泵，59座配水間，484口注水井，P3聯(lián)同時運行2臺。注水泵參數(shù)及能耗指標計算結(jié)果見表1。注水泵總排量11 713 m3/d，總耗電量為83 172 kWh。3臺注水泵中，平均負荷率為90.16%，低于平均負荷率的有2臺，P3聯(lián)1#泵和P4聯(lián)1#泵，可以考慮關泵或換泵。平均機組效率65.84%，最高79.14%，最低56.21%。平均泵管壓差1.1 MPa，最高2.7 MPa，最低0.2 MPa。泵管壓差大的注水泵屬于P3聯(lián)注水站。平均單位壓力注水單耗為0.43kWh/m3。平均利用率為59.69%，P4聯(lián)注水站的能量利用率低于平均值4.72%。P3聯(lián)注水站能益利用率高出平均值4.72%。綜合考慮各種指標，P4聯(lián)注水站效率較低。

表1 注水泵參數(shù)及能耗計算結(jié)果

注水系統(tǒng)能量及能損分布見圖2，平均站內(nèi)管線損失率為3.66%。平均機組損失率為36.66%，占總損失的91%。在總能量損失中，注水站能量損失占67%，管網(wǎng)能量損失占9%，注水井控制閥能量損失占24%，能量損失主要環(huán)節(jié)在泵機組和注水閥組。為提高注水泵負荷率，降低泵機組能量損失，可以考慮通過優(yōu)化開泵方案及優(yōu)化注水參數(shù)來解決。

圖2 注水系統(tǒng)能量及能損分布

3 注水系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 運行參數(shù)優(yōu)化目標函數(shù)建立

油田注水系統(tǒng)運行參數(shù)優(yōu)化是指在注水站中各注水泵的開停狀態(tài)已知的前提下，通過調(diào)整注水泵的運行參數(shù)（流量、壓力），達到滿足系統(tǒng)配注要求，降低能量損耗的目的[7-9]。以注水能耗最小為目標，建立運行參數(shù)優(yōu)化目標模型：

式中：Hi為第i臺注水泵的揚程，m；Qi為第i臺注水泵的排量，m3/h；ηpi為第i臺注水泵在排量為Qi時的效率，%；ηmi為驅(qū)動第i臺注水泵的電動機的效率，%；Np為注水泵運行總數(shù)量，臺；ρ為流體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；ti為第i臺泵的運行時間，h；γ為單位換算系數(shù)，3.6×10-6。

3.2 注水泵啟停方案優(yōu)化

油田注水系統(tǒng)開泵方案優(yōu)化是指通過調(diào)整注水泵的開停狀態(tài)及其排量，尋找最佳的注水泵運行狀況，以達到節(jié)能降耗的目的[10]。以注水能耗最小為目標建立了油田注水系統(tǒng)運行方案優(yōu)化數(shù)學模型：

式中：m為注水站數(shù)量，座；npi為第i座注水站內(nèi)注水泵數(shù)量，臺；β為注水泵開停方案向量，β={βij|i=1，2，…，m；j=1，2，…，npi}，其中βij表示第i注水站內(nèi)第j臺注水泵的開停方案，1表示開啟，0表示停止；μ為注水泵排量向量，μ={μij|i=1，2，…，m；j=1，2，…，npi}，其中μij表示第i注水站內(nèi)第j臺注水泵的排量，m3/h；Hij為第i座注水站內(nèi)第j臺注水泵的揚程，m；ηpij為第i座注水站內(nèi)第j臺注水泵的效率，%；ηeij為第i座注水站內(nèi)第j臺注水泵的電動機效率，%。ρ為流體密度，kg/m3；tij為第i座注水站第j臺泵的運行時間，h；

結(jié)合該注水系統(tǒng)實際情況，需要考慮到節(jié)點流量平衡、水量平衡、注水井壓力、注水站供水量、泵排量、注水泵開啟方案的取值范圍等約束條件，采用智能優(yōu)化方法進行求解。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

結(jié)合能耗分析結(jié)果，列出優(yōu)化后兩種運行方案，用能情況對比見表2。經(jīng)過方案一、方案二與現(xiàn)行方案的對比可知，按照方案二時，注水系統(tǒng)能耗電量與注水系統(tǒng)單耗均下降較多，節(jié)能降耗效果突出，所以確立優(yōu)化方案二為最終優(yōu)化方案，優(yōu)化后注水泵開泵減少2臺。日運行耗能由原來的8.32×104kWh降低至7.07×104kWh，注水單耗由原來7.1 kWh/m3降低至6.04 kWh/m3，節(jié)能幅度為15%，取得了良好的節(jié)能效果。

表2 用能情況對比

4 結(jié)論

1）根據(jù)能量守恒原理，建立了針對某大型油田注水系統(tǒng)的能量分析模型，并確立了相關能耗評價指標，為注水系統(tǒng)的挖潛增效提供基礎理論方法。

2）以注水能耗最小為目標，根據(jù)實際運行工況，考慮對應約束條件，建立了注水系統(tǒng)運行參數(shù)優(yōu)化數(shù)學模型及注水泵開停方案優(yōu)化問題的數(shù)學模型，采用智能優(yōu)化算法求解。

3）對一油田注水系統(tǒng)管網(wǎng)進行了能耗計算，根據(jù)計算結(jié)果進行能耗分析與評價，找出用能薄弱環(huán)節(jié)，該注水系統(tǒng)能量分布主要有：注水站能量損失，約占注水系統(tǒng)總能量的38%；閥組能量損失，約占注水系統(tǒng)總能量的14%；從注水站到配水間管線能量損失，約占注水系統(tǒng)總能量的5%；注入注水井的有效能量，占注水系統(tǒng)總能量的43%，可以發(fā)現(xiàn)能損最大的兩個環(huán)節(jié)是在泵機組和井口控制閥，據(jù)此提出相應改造方案，經(jīng)過全局優(yōu)化方案后，日注水單耗降低1.06 kWh/m3，可節(jié)約耗電量1.25×104kWh，節(jié)能效果良好。