油田注水系統(tǒng)能耗指標(biāo)及其影響因素分析

梁晶馬建國(guó)呂亳龍（.中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；.中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探與生產(chǎn)分公司）

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油田注水系統(tǒng)能耗指標(biāo)及其影響因素分析

梁晶1馬建國(guó)2呂亳龍1
（1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探與生產(chǎn)分公司）

油田注水系統(tǒng)是油田生產(chǎn)系統(tǒng)的用電大戶，也是油田節(jié)電的主要潛力系統(tǒng)；因此，對(duì)注水系統(tǒng)的用能評(píng)價(jià)工作至關(guān)重要。目前常用的注水系統(tǒng)用能評(píng)價(jià)指標(biāo)有注水系統(tǒng)效率及注水系統(tǒng)用電單耗等。通過(guò)對(duì)油田注水系統(tǒng)常用能耗指標(biāo)的分析、對(duì)比，選取適用的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)影響指標(biāo)的因素進(jìn)行定性、定量的分析，得出影響因素與指標(biāo)之間的關(guān)系，可作為分析、提出注水系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值的依據(jù)。

注水系統(tǒng)；能耗指標(biāo)；影響因素

1　現(xiàn)狀

油田注水系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、注水泵、注水泵出口流量調(diào)節(jié)閥、注水管網(wǎng)、井口及注水井等構(gòu)成，除了注入地層的有效能量外，注水系統(tǒng)能量要消耗在電動(dòng)機(jī)、注水泵、調(diào)節(jié)閥、管網(wǎng)和井口各處，由此構(gòu)成了注水系統(tǒng)的總能耗。

油田注水系統(tǒng)主要以注水泵電動(dòng)機(jī)的電能消耗為主，是各生產(chǎn)系統(tǒng)中耗電量最多的能耗系統(tǒng)之一[1]。以中國(guó)石油2011—2014年注水系統(tǒng)耗電量及注水量變化情況為例，中國(guó)石油各油田注水系統(tǒng)注水量及耗電量均呈明顯的上升趨勢(shì)，隨著注水量的逐年增長(zhǎng)，注水系統(tǒng)耗電量也逐年增加。注水系統(tǒng)為油田主要的耗電生產(chǎn)系統(tǒng)，耗電量占到油田耗電量的30%～40%。

為了更好的評(píng)價(jià)油田各生產(chǎn)系統(tǒng)用能水平，2010年以來(lái)，油氣田企業(yè)積極開(kāi)展能效對(duì)標(biāo)工作。經(jīng)過(guò)幾年的對(duì)標(biāo)實(shí)踐，各單位在能效對(duì)標(biāo)方面均積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，能耗指標(biāo)得到了有效控制，用能水平不斷提高。

然而，多年以來(lái)，對(duì)于油氣田能耗指標(biāo)的研究多停留在對(duì)指標(biāo)本身的研究，很少考慮不同類型油氣田、不同生產(chǎn)工藝等對(duì)指標(biāo)的影響；因此，為實(shí)現(xiàn)油氣田能耗研究指標(biāo)的合理性、可比性，為客觀評(píng)價(jià)油氣田用能水平、節(jié)能工作提供依據(jù)，需要開(kāi)展油氣田各生產(chǎn)系統(tǒng)能耗指標(biāo)研究。注水系統(tǒng)作為油氣田主要的耗電系統(tǒng)，開(kāi)展其能耗指標(biāo)研究也是非常必要的。

2　能耗指標(biāo)及影響因素

2.1注水系統(tǒng)效率

注水系統(tǒng)效率指標(biāo)是一個(gè)綜合的效率指標(biāo)，不能通過(guò)檢測(cè)直接得出，而是通過(guò)泵機(jī)組效率、管網(wǎng)效率等的綜合計(jì)算得出。

1）泵效率及泵機(jī)組效率的高低直接影響注水系統(tǒng)的效率，是計(jì)算注水系統(tǒng)效率的主要指標(biāo)。其中：

泵效率：泵的有效功率與泵軸功率的比值。

電動(dòng)機(jī)效率：電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率與輸入功率的比值。

泵機(jī)組效率：泵效率與電動(dòng)機(jī)效率的乘積。

注水系統(tǒng)效率：注水系統(tǒng)范圍內(nèi)有效功率與輸入功率的比值。具體由注水電動(dòng)機(jī)平均運(yùn)行效率、注水泵平均運(yùn)行效率和注水管網(wǎng)運(yùn)行效率3部分組成。

由以上分析可知，注水系統(tǒng)效率綜合反映了這個(gè)注水系統(tǒng)的運(yùn)行情況，綜合考慮了泵、電動(dòng)機(jī)和管網(wǎng)效率的影響。

2）注水系統(tǒng)效率指標(biāo)存在的特點(diǎn)及存在問(wèn)題。注水系統(tǒng)效率是評(píng)價(jià)注水系統(tǒng)能耗的重要指標(biāo)，能夠直接反映注水系統(tǒng)用能水平。獲取指標(biāo)值的前提是精確測(cè)定注水系統(tǒng)泵機(jī)組效率及管網(wǎng)效率等數(shù)據(jù)，在實(shí)際計(jì)算及應(yīng)用中存在以下問(wèn)題：通常油田采用定期抽查的方式測(cè)定注水系統(tǒng)泵設(shè)備的效率，做不到及時(shí)、全面，且得出的數(shù)據(jù)受當(dāng)時(shí)設(shè)備的運(yùn)行情況影響，不能準(zhǔn)確反映設(shè)備運(yùn)行的平均水平。泵機(jī)組效率、管網(wǎng)效率很難做到全面準(zhǔn)確的檢測(cè)，導(dǎo)致注水系統(tǒng)效率無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定。對(duì)泵機(jī)組效率、功率因數(shù)等指標(biāo)的檢測(cè)都是在某一特定時(shí)間進(jìn)行，結(jié)果僅對(duì)檢測(cè)時(shí)的運(yùn)行工況負(fù)責(zé)，不能準(zhǔn)確反映一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行情況，檢測(cè)項(xiàng)目時(shí)間和空間上的不對(duì)等，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確計(jì)算系統(tǒng)效率，影響指標(biāo)評(píng)判的準(zhǔn)確性。此外，注水泵機(jī)組效率、功率因數(shù)、節(jié)流損失率均可以通過(guò)技術(shù)提升、參數(shù)優(yōu)化等手段進(jìn)行調(diào)整，使指標(biāo)數(shù)值短期內(nèi)達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)，并不適合作為一個(gè)評(píng)判注水系統(tǒng)長(zhǎng)期能耗水平的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2.2注水系統(tǒng)用電單耗

1）注水系統(tǒng)用電單耗是衡量注水系統(tǒng)能耗水平的另一個(gè)重要指標(biāo)。其值為一定時(shí)間內(nèi)的耗電量與總注水量的比值。

以中國(guó)石油2011—2014年油田注水系統(tǒng)單耗數(shù)據(jù)分析可得，各主要油田在注水量及耗電量逐步增長(zhǎng)的前提下，注水系統(tǒng)單耗基本保持穩(wěn)定，由于注水系統(tǒng)單耗為耗電量與注水量的比值，說(shuō)明近4年來(lái)，注水系統(tǒng)的耗電量及注水量基本保持相同的增長(zhǎng)趨勢(shì)及幅度。注水系統(tǒng)單耗指標(biāo)能較好地評(píng)判注水系統(tǒng)的用能狀況，能夠反映注水系統(tǒng)在任意時(shí)間段內(nèi)的用能水平。

2）注水系統(tǒng)用電單耗指標(biāo)的特點(diǎn)。注水系統(tǒng)用電單耗直接反映了注水系統(tǒng)的用能情況；計(jì)算所需的數(shù)據(jù)均是常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目（耗電量和注水量），通過(guò)對(duì)中國(guó)石油各油田及總體情況數(shù)據(jù)分析可得，注水系統(tǒng)用電單耗指標(biāo)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，在充分考慮影響因素并進(jìn)行修正后的可比性較強(qiáng)；因此，相比注水系統(tǒng)效率更適合作為注水系統(tǒng)用能水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3）注水系統(tǒng)用電單耗指標(biāo)的影響因素。從注水系統(tǒng)注水單耗指標(biāo)的計(jì)算公式中可以看出，影響指標(biāo)大小的因素為耗電量和注水量，而耗電量的多少又取決于注水量的大小、注水壓力、泵等設(shè)備及管網(wǎng)的運(yùn)行情況等；因此，可將影響注水系統(tǒng)注水單耗指標(biāo)的因素可以分為地層因素、設(shè)備因素和管網(wǎng)因素3類，如圖1所示。

其中，主觀因素包括設(shè)備因素和管網(wǎng)因素，即注水泵運(yùn)行效率、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率、管網(wǎng)運(yùn)行效率、注水管網(wǎng)工藝等；客觀因素包括地層因素，即注水壓力、注水量。

圖1　注水系統(tǒng)影響因素

注水泵運(yùn)行效率反映了注水泵對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化的機(jī)械能的利用率。在其他條件相同的前提下，注水泵運(yùn)行效率越高，泵作的有用功越多，所需要的能量越少，注水系統(tǒng)單耗越低。

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率與注水泵運(yùn)行效率相似，反映的是電動(dòng)機(jī)消耗的電能與轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)能的能力，顯然，在其他條件相同的前提下，電動(dòng)機(jī)效率越高，供給泵的有用機(jī)械能越多，消耗的電量越少，注水系統(tǒng)單耗越低。

管網(wǎng)運(yùn)行效率的高低取決于泵管的匹配度，管網(wǎng)的壓降、節(jié)流等因素。在其他條件相同的前提下，管網(wǎng)運(yùn)行效率越高，注水過(guò)程中的能量損失越少，注水系統(tǒng)單耗水平低。

注水管網(wǎng)工藝作為一個(gè)主觀因素，更多的是在注水系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段考慮的，合理的注水管網(wǎng)工藝可以提高注水系統(tǒng)泵管的匹配程度，降低注水系統(tǒng)不必要的能量損失，從而提高整個(gè)注水系統(tǒng)的效率，降低注水系統(tǒng)單耗水平。

注水壓力反映地層所需要的能量?？陀^反映了整個(gè)注水系統(tǒng)需要提供的能量，所有注水系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行、優(yōu)化的前提都必須滿足注水壓力的需求。

注水量的大小直接影響注水系統(tǒng)的規(guī)模，從而影響了注水系統(tǒng)的能耗。理論上，注水量越大，注水系統(tǒng)整體能耗越高，同時(shí)會(huì)對(duì)注水系統(tǒng)單耗產(chǎn)生影響，而且注水量的大小也反映地層的實(shí)際需求水。

綜上分析，對(duì)于注水系統(tǒng)注水單耗指標(biāo)來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)研究的客觀因素為注水壓力和注水量，其他主觀因素可用作分析注水系統(tǒng)單耗高低的原因和改進(jìn)方向。

在確定了注水壓力和注水量為研究的主要客觀影響因素的前提下，繼續(xù)分析2個(gè)因素是否存在相互關(guān)聯(lián)，能否進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。對(duì)于一個(gè)注水站來(lái)說(shuō)，在評(píng)價(jià)注水站的單耗時(shí)，應(yīng)考慮每1口單井的注水壓力和注水量對(duì)指標(biāo)的影響，最終得到一個(gè)確定的單耗值。而在計(jì)算1個(gè)站的井口壓力時(shí)，由于注水量不同，不能用井口壓力的平均值，因此，可用注水量作為權(quán)數(shù)，對(duì)井口壓力進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，得到井口平均注水壓力。

綜上，影響注水系統(tǒng)注水單耗指標(biāo)的因素，可歸結(jié)為井口平均注水壓力，在影響因素的定量分析中，可直接采用單因素分析法進(jìn)行研究。

3　井口平均注水壓力與注水系統(tǒng)用電單耗指標(biāo)之間的關(guān)系

通過(guò)對(duì)中國(guó)石油各個(gè)油田的796組數(shù)據(jù)的分析，可以得到反映中國(guó)石油油田注水系統(tǒng)井口平均注水壓力與注水用電單耗之間關(guān)系的散點(diǎn)圖，如圖2。

圖2　井口平均注水壓力與注水單耗關(guān)系

通過(guò)散點(diǎn)圖可以看出，注水系統(tǒng)用電單耗指標(biāo)隨著井口平均注水壓力的升高有上升的趨勢(shì)，但關(guān)系并不明確，需要進(jìn)一步分析。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類：每5 MPa一個(gè)壓力區(qū)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，如圖3所示。

從圖3可以看出，在對(duì)每5 MPa井口平均注水壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行重新篩選計(jì)算后，可得到一條線性關(guān)系很強(qiáng)的函數(shù)圖象，可以說(shuō)明井口平均注水壓力與注水系統(tǒng)注水單耗之間存在著明確的線性關(guān)系。

圖3　井口平均注水壓力與注水單耗關(guān)系

4　結(jié)論

相比注水系統(tǒng)效率，注水系統(tǒng)用電單耗指標(biāo)更能直接反映注水系統(tǒng)用能水平，且計(jì)算方便，應(yīng)用簡(jiǎn)單；注水系統(tǒng)用電單耗作為研究指標(biāo)時(shí)，客觀影響因素可只考慮注水系統(tǒng)井口平均注水壓力，二者有很強(qiáng)的線性關(guān)系。

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.03.016

2015-12-28

（編輯 杜麗華）

梁晶，工程師，2011年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）（油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)），從事油田節(jié)能降耗方面的研究工作，E-mail:jing.liang@petrochina.com.cn，地址：北京市海淀區(qū)志新西路3號(hào)中國(guó)石油規(guī)劃總院，100083。

[1]王蘭靈.注水系統(tǒng)節(jié)能挖掘措施[J].油氣田地面工程，2007，26（2）：29-30.

[2]別鋒鋒.油田注水系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)劃研究[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2004.