油田注水系統能耗評價及輔助決策技術研究與應用

劉書孟 苗寶林 婁志東 齊廣明 孫冰 孫鳳鳴

（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

油田同一注水系統中的注水井往往分屬不同的開發層系，因地質構造不同，不同層系注水井吸水壓力存在差異。在注水生產中，為保證吸水壓力高的注水井完成配注量，注水泵壓力以滿足高壓井注水為條件，而對于系統中吸水壓力低的注水井用閘門控制注水量，節流損失很大，增加了注水系統能耗。為此，應用多種技術和管理措施，以提高注水泵效率及注水管網效率[1]，主要包括分壓注水[2-4]，注水泵換泵芯[5-6]、變頻調速[7-8]以及調整注水管網結構[9]等。由于油田開發動態調整和注水需求變化，導致注水系統運行條件相應改變，需要開展油田注水系統能耗評價與輔助決策技術研究，分析注水系統能耗狀況和節能潛力，制定有針對性技術管理措施，優化生產運行，降低注水能耗。

1 技術開發架構

分析油田注水工藝流程，依據能量平衡方法研究建立不同注水環節能量平衡模型，給出合理的能耗分析與評價指標，采用軟件工程學方法研制油田注水系統能耗分析與評價軟件系統。

1.1 建立注水系統能耗平衡模型

根據注水工藝流程，依據能量平衡原理建立注水系統（從注水站至注水井井口閥注水系統，不包括井下部分）能量平衡分析模型見圖1，進而確定相應能耗評價及分析指標見表1。

表1 能耗評價及分析指標明細Tab.1 List of energy consumption evaluation and analysis indicators

圖1 注水系統能量平衡模型Fig.1 Energy balance model of water injection system

能量平衡方程為：

式中：Ed為輸入電動機能量，kWh；Ebw為注水泵入口水流帶入能量，kWh；Eu為經過注水管網的注入水帶走能量，kWh；Egs為管網損失能量，包括管線和注水閥組損失能量，kWh；Eds為電動機損失能量，kWh；Ebs為水泵損失能量，kWh。

1.2 空間數據模型

1）在空間數據模型中直觀展示注水站、注水井、注入站、注劑井、配水間、注水管線、注劑管線的空間分布狀況，動態展示指定坐標點處空間要素的靜態信息和動態信息。

2）空間數據與生產數據關聯、存儲方式。確定油田數據庫參與計算的數據視圖，通過關鍵字段建立空間數據、靜態數據、動態數據的關聯，將生產數據、空間數據存儲到本地數據庫。

3）生產數據描述與對比分析內容。按年度、月度、日期對比曲線，查詢選項包括全廠、所屬作業區、所屬注水站、水質、泵號（井號）、開始日期、結束日期、統計方式（按年、月、日），進行同比或環比分析，查詢結果形成用曲線形式展示。

4）注水能耗評價。對注水泵機組、注水站、作業區和全廠注水系統能耗情況進行計算，并依據評價指標和標準進行評價，對結果進行分析與提示。

5）輔助決策。開展注水站機泵運行方案和參數優化、壓降潛力分析、注水井隸屬關系分析等工作，找出系統用能存在的薄弱環節和挖潛方向，推薦注水系統運行方案。

2 系統主要功能

2.1 系統簡介

油田注水系統能耗分析與輔助決策系統，軟件系統構架分為五層：數據層、數據訪問層、業務邏輯層、表現層和用戶層。該系統能夠充分利用油田數據庫資源，并與ArcGIS、Excel等應用軟件有機結合，實現圖形與靜態數據、生產動態數據的交互操作、注水系統能耗分析與評價、數據統計分析、報表輸出等多種功能。

2.2 注水系統能耗評價

應用GDI+繪圖技術，可以實現效率統計柱狀圖、注水站能損分布圖、注水系統能耗分布圖、注水系統能量構成圖等圖形。提供直觀的能耗分布情況展示方式，為準確掌握注水系統能耗分布情況，輔助科學決策提供依據。

2.3 注水系統運行方案輔助決策技術

1）首先通過生產曲線廣泛查詢，發現某一參數異常。曲線顯示數據偏高。利用能耗模型進行能耗計算。發現當日該站4#注水泵效率為62.45%，未達到節能限定值（≥68%）標準。導致和泵運行工況段差注水泵單耗偏高。

2）對該站注水量，執行開泵方案最優化選取。注水站最優化機泵運行方案。選擇注水站名稱，然后根據日期范圍或者水量波動范圍，按照站出口壓力從小到大進行排序，列出符合條件的泵執行開關方案。

機泵參數優化。可以選擇注水站名稱和注水泵編號，計算出該機泵對應的各種參數方案。計算結果按照標耗[10]從小到大進行排列，可以將結果導出。

對該站的3種優化開泵方案，分別標出站出口壓力、泵水量、單耗、標耗，為管理人員做出最終處理提供依據。根據優化數據，在該水量范圍內，建議運行1#泵，停運4#泵，單耗可降低0.66 kWh/m3，日節電4 219 kWh。

3 應用情況

應用該軟件系統對注水系統生產運行狀況進行分析，發現部分注水站泵管壓差偏大、泵效偏低、泵水單耗偏高，導致機組效率或節流損失率未達到節能標準要求，提出對注水站的注水泵按不同水質管網進行優化，平衡管網壓力，通過減少注水泵運行臺數和運行低耗高效注水泵實現注水泵優化運行的決策建議。實施的調整措施包括：對5座注水站在注水量保持基本穩定的情況下優化開泵方案；同時，針對區域管網水量波動情況，對3座注水站進行臨時性調整和季節性調整。注水站優化運行調整措施情況見表2。

表2 注水站優化運行調整措施情況Tab.2 Statistical table of adjustment measures for optimal operation of water injection station

5座注水站開展機泵優化運行調整，節電128.31×104kWh，3座注水站通過臨時性調整、夏季停注工作，進行注水管網優化調整，節電384.06×104kWh。實施期間，節電量合計512.37×104kWh。

4 結論

1）通過全面分析油田注水系統能耗評價與輔助決策技術需求，確定了空間數據模型等相關結構和能耗評價模型，開發系統功能模塊，形成了油田注水系統能耗評價與輔助決策技術。

2）依托生產數據，可對整個注水系統進行全方位能耗評價，對重要數據進行動態展示，進行同比和環比分析，分析注水站優化運行方案，為注水生產精細化管理及評估決策提供依據。

3）油田注水系統能耗分析和輔助決策系統與油田數據庫數據共享，支持外部數據導入和內部數據導出，方便數據交換，提高了數據時效性和可靠性，具有較好推廣應用前景。