油田地面工程注水管網(wǎng)模擬評(píng)價(jià)平臺(tái)構(gòu)建

李愛華 倪玲英 朱江

（中國(guó)石油大學(xué)（華東））

注水是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的油田開發(fā)方式和二次采油方法。向油層注水不僅能增加原油采收率、提高開發(fā)速度，而且還可以延長(zhǎng)油井的自噴采油期，因而，注水開發(fā)也是降低原油開采成本的重要途徑。然而，目前我國(guó)各油田的注水系統(tǒng)普遍存在效率低、能耗高、能源浪費(fèi)大的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)各大油田注水系統(tǒng)耗電量約為其油田總用電量的33%～56%，而中原油田地面注水系統(tǒng)耗電量占比更是高達(dá)62.5%。

油田地面注水管網(wǎng)的高能耗主要體現(xiàn)在：一是，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理。隨著油田新區(qū)塊的不斷開發(fā)，油田注水系統(tǒng)逐漸形成了龐大的注水網(wǎng)絡(luò)格局，僅憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行改建、擴(kuò)建，導(dǎo)致注水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)混亂。同時(shí)，沿用原有的注水運(yùn)行方式，勢(shì)必破壞注水系統(tǒng)的整體平衡，導(dǎo)致注水系統(tǒng)能耗升高、效率下降；二是，管道能源浪費(fèi)嚴(yán)重。由于監(jiān)測(cè)手段落后、維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)，注水管網(wǎng)結(jié)垢、腐蝕問(wèn)題較為嚴(yán)重，特別是老區(qū)，僅2006年，孤東油田因管網(wǎng)結(jié)垢帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)損失約2 500萬(wàn)元，且呈逐年增加趨勢(shì)。

因此，建立一套可靠、便捷的注水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、參數(shù)監(jiān)測(cè)、能耗評(píng)價(jià)的軟件，對(duì)于強(qiáng)化注采管理、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。目前，我國(guó)各大油田相繼開發(fā)了多款注水管網(wǎng)仿真模擬軟件，多數(shù)模擬軟件著重于管網(wǎng)初建時(shí)期的布局優(yōu)化，而針對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能耗評(píng)價(jià)和分析的軟件則較少［2］?；诖?，針對(duì)油田地面工程注水管網(wǎng)，擬構(gòu)建一個(gè)集管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行狀態(tài)分析、管網(wǎng)能耗評(píng)價(jià)，以及虛擬改擴(kuò)建于一體的軟件平臺(tái)，以期為油田注水管網(wǎng)的改造和維護(hù)提供合理建議。

1 注水管網(wǎng)的構(gòu)建

從基本組成單元分析，注水管網(wǎng)由節(jié)點(diǎn)單元（包括注水站、配水間、注水井及管道交匯分叉節(jié)點(diǎn)）、管道單元（包括注水干線、配水支線、單井管道）和附屬單元（包括閥門、三通、彎頭等）組成，是一個(gè)復(fù)雜而龐大的水力學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)，也是一個(gè)大型流體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。典型的注水管網(wǎng)可分為樹枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)兩大類［3］，詳見圖1。

圖1 典型注水管網(wǎng)

復(fù)雜管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)要素不外乎為線元的交點(diǎn)，以及交點(diǎn)間的線元。應(yīng)用離散數(shù)學(xué)的圖論法，定義管網(wǎng)的集合函數(shù)F= (N,E)，其中，N表示節(jié)點(diǎn)，N= ｛ni｝（i為節(jié)點(diǎn)編號(hào)，i=1～k）；E表示節(jié)點(diǎn)間的線元，E= ｛ej｝（j為線元編號(hào)，j=1～m）。應(yīng)用矩陣?yán)碚摚?］，定義管網(wǎng)線元與節(jié)點(diǎn)間的銜接矩陣A。矩陣A表達(dá)式為：

通過(guò)編譯FORTRAN程序語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的自動(dòng)生成及自動(dòng)編號(hào)，直觀地繪制出管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖形。

2 管網(wǎng)水力計(jì)算模型的建立

根據(jù)流體力學(xué)理論，在復(fù)雜管網(wǎng)系統(tǒng)中，考慮到管道串聯(lián)、并聯(lián)不同的水力特性，沿管網(wǎng)內(nèi)水體流動(dòng)的方向（環(huán)狀管網(wǎng)可事先假定方向），建立注水管網(wǎng)的水力計(jì)算模型［5］：

管路串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)，均應(yīng)滿足質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程，即，節(jié)點(diǎn)處流量出入平衡。如，節(jié)點(diǎn)i同時(shí)與l條線元相銜接時(shí)，應(yīng)滿足的計(jì)算式：

式（3）中：Qi——節(jié)點(diǎn)i處的直接出入流量，m3/s；——與節(jié)點(diǎn)i相銜接的線元j的出入流量，m3/s。

管路串聯(lián)時(shí)，應(yīng)滿足能量守恒定律，其計(jì)算式：

管路并聯(lián)時(shí)，應(yīng)滿足能量守恒定律，其計(jì)算式：

式（4）、式（5）中：hw(1,2,…,l)——總水頭損失，m；hwj——第j條線元的水頭損失，m。

3 注水管網(wǎng)的數(shù)值模擬及能耗評(píng)價(jià)

首先，根據(jù)注水管網(wǎng)的幾何結(jié)構(gòu)圖形和水力計(jì)算模型，編譯FORTRAN程序語(yǔ)言，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。在已知注水系統(tǒng)各注水井配注量的情況下，獲得管網(wǎng)內(nèi)各個(gè)管道單元的壓降、能耗、水力坡降及各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力、流量等水力參數(shù)。在管網(wǎng)設(shè)計(jì)階段，采用井口設(shè)計(jì)配注量；在管網(wǎng)運(yùn)行階段，采用井口實(shí)際配注量。

然后，根據(jù)油田生產(chǎn)開發(fā)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)管網(wǎng)理論能耗與實(shí)測(cè)能耗進(jìn)行對(duì)比分析，給出管網(wǎng)各條管道壓降及能耗的理論值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)偏差結(jié)果及對(duì)比曲線。若某條管道的理論能耗與實(shí)測(cè)能耗偏差過(guò)大，說(shuō)明管道結(jié)垢、堵塞嚴(yán)重，建議優(yōu)先考慮改造；若某條管道的實(shí)際配注流量與計(jì)算流量偏差過(guò)大，在排除人為控制閥門因素的前提下，說(shuō)明管道存在跑、冒、滴、漏現(xiàn)象。這些均可列為問(wèn)題管道，由此，可指導(dǎo)油田合理制定管道改造方案。

在此基礎(chǔ)上，開展注水管網(wǎng)的虛擬改擴(kuò)建。根據(jù)注水系統(tǒng)實(shí)際需要及管網(wǎng)能耗分析結(jié)果，擬定管網(wǎng)改造方案，建立新的管網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)圖形和水力計(jì)算模型，重新進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算和能耗分析。通過(guò)不同方案的對(duì)比分析，提供可行的注水管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)選方案。

4 注水管網(wǎng)模擬評(píng)價(jià)平臺(tái)的搭建

通過(guò)編譯VB程序語(yǔ)言，構(gòu)建油田地面注水管網(wǎng)模擬評(píng)價(jià)平臺(tái)。該平臺(tái)集注水管網(wǎng)的生成、注水管網(wǎng)的能耗評(píng)價(jià)及分析、注水管網(wǎng)改擴(kuò)建的虛擬仿真，以及改擴(kuò)建方案的優(yōu)化選取于一體，是一個(gè)綜合性的人機(jī)交互操作平臺(tái)。平臺(tái)架構(gòu)見圖2。

圖2 油田地面注水管網(wǎng)模擬評(píng)價(jià)平臺(tái)架構(gòu)

5 注水管網(wǎng)評(píng)價(jià)實(shí)例

針對(duì)勝利油田某注水區(qū)塊，應(yīng)用油田地面注水管網(wǎng)模擬評(píng)價(jià)平臺(tái)中現(xiàn)有注水管網(wǎng)能耗評(píng)價(jià)模塊，開展管網(wǎng)運(yùn)行狀況評(píng)價(jià)。注水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖3。

應(yīng)用2010年5月現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算。對(duì)于給定的注水站注水壓力，各配水間節(jié)點(diǎn)處的壓力直接反映了注水干線的能耗水平。注水管網(wǎng)各分支的理論與實(shí)測(cè)壓力相對(duì)偏差見表1。

表1 注水區(qū)塊各注水分支線管道理論與實(shí)測(cè)能耗相對(duì)偏差

由表1可以看出，西一干線整體能耗較高，說(shuō)明管道堵塞、結(jié)垢情況嚴(yán)重，亟待改造。優(yōu)先改造方案：一是，注水干線改造1條，為西一干線；二是，配水支線改造7條，分別為49、53、48、48-1、49-1、72-1、73-1；三是，單井管道改造21條。根據(jù)管網(wǎng)模擬評(píng)價(jià)平臺(tái)給出的改造方案，2011年9月，采油廠對(duì)西一干線實(shí)施了整體改造，全線更換注水管道后，管網(wǎng)注水效率明顯提高，與管網(wǎng)理論能耗值的偏差降至8.6%，較改造前減少了11.4%。

圖3 某注水區(qū)塊注水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)

6 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用油田地面注水管網(wǎng)模擬評(píng)價(jià)平臺(tái)，有助于分析注水管網(wǎng)的運(yùn)行工況、開展管網(wǎng)的能耗評(píng)價(jià)，并及時(shí)對(duì)問(wèn)題管道進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，通過(guò)實(shí)施注水管網(wǎng)虛擬改擴(kuò)建，獲取管網(wǎng)改造方案下的運(yùn)行水力參數(shù)。如，其他條件一定，若增設(shè)注水分支，可根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，相應(yīng)增加泵站注水壓力，保證管網(wǎng)壓力、流量的平衡，以確保注水系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。油田地面注水管網(wǎng)模擬評(píng)價(jià)平臺(tái)對(duì)油田注水管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 豐國(guó)斌.對(duì)油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗的探討[J].油氣田地面工程,1996,15(1): 17-19.

[2] 常玉連,高勝,郭俊忠,等.油田注水系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程仿真軟件ISPPS[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),1999,11(6):450.

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[4] 劉揚(yáng),趙洪激.油氣集輸管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)參數(shù)矩陣方法研究[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),1999,10(6): 30-31.

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