油田環(huán)狀污水管網(wǎng)水力計(jì)算方法研究

王　力　樂(lè)昕朋　張　煜　李星雨　鄒吉洋　成　毅

1. 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院,　黑龍江　大慶　163318; 2. 大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所,　黑龍江　大慶　163511

0　前言

近年來(lái),我國(guó)各大油田陸續(xù)進(jìn)入三次采油階段,即由水驅(qū)轉(zhuǎn)向聚驅(qū)或三元復(fù)合驅(qū)。在開(kāi)采過(guò)程中,除了污水產(chǎn)量大幅度增加外,采出水普遍“見(jiàn)聚”的現(xiàn)象也很突出,因此油田污水系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中所發(fā)揮的作用越來(lái)越明顯。油田污水系統(tǒng)主要對(duì)采出污水進(jìn)行收集和處理,是為回注或排放做好前期準(zhǔn)備的關(guān)鍵。由于油田多種驅(qū)替方式并存,采出水水質(zhì)成分復(fù)雜,另外管網(wǎng)聯(lián)通性越來(lái)越好,導(dǎo)致整個(gè)油田污水系統(tǒng)運(yùn)行工況復(fù)雜[1]。僅靠管理人員的經(jīng)驗(yàn)控制油田污水系統(tǒng)運(yùn)行往往會(huì)帶來(lái)調(diào)度方案不合理,以及站庫(kù)負(fù)荷率不均衡的問(wèn)題。因此提高油田污水系統(tǒng)運(yùn)行水平成為生產(chǎn)實(shí)際中的一項(xiàng)重要任務(wù)。

實(shí)現(xiàn)油田污水系統(tǒng)的水力仿真可以幫助管理人員預(yù)測(cè)、模擬系統(tǒng)的運(yùn)行,為管理決策提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。這項(xiàng)復(fù)雜而綜合的技術(shù),目前逐步受到各油田的重視。目前,國(guó)內(nèi)外在油田地面工程的水力仿真的研究大多針對(duì)注水[2-7]或集輸系統(tǒng)等方面[8-11],管網(wǎng)結(jié)構(gòu)上也僅針對(duì)簡(jiǎn)單樹(shù)狀管網(wǎng)的研究,不能滿足目前要求以及適應(yīng)油田管網(wǎng)未來(lái)“枝改環(huán)”的大發(fā)展趨勢(shì)。油田污水系統(tǒng)根據(jù)管網(wǎng)形態(tài)不同可分為樹(shù)狀污水管網(wǎng)和環(huán)狀污水管網(wǎng)。本文針對(duì)環(huán)狀污水管網(wǎng),應(yīng)用解環(huán)法思想,對(duì)其進(jìn)行分析、建模及求解。

1　污水管網(wǎng)系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

1.1　污水管網(wǎng)組成

油田污水系統(tǒng)分為節(jié)點(diǎn)單元和管道單元。油田污水系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí),脫水站(轉(zhuǎn)油放水站)將含油污水通過(guò)管道調(diào)入污水處理站,經(jīng)過(guò)污水處理站處理后調(diào)入注水站用以回注。脫水站與污水處理站之間的管網(wǎng)稱為原水管網(wǎng),污水處理站與注水站之間成為污水管網(wǎng),二者統(tǒng)稱為油田污水管網(wǎng)系統(tǒng)。根據(jù)來(lái)水和下游對(duì)水質(zhì)需求的不同,污水站可以分為水驅(qū)污水處理站、含聚污水處理站、深度污水處理站三類,污水系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。

圖1　污水系統(tǒng)流程

1.2　污水管網(wǎng)水質(zhì)分析

油田污水管網(wǎng)與注水管網(wǎng)、一般城市供水管網(wǎng)[12-13]區(qū)別主要在于水質(zhì)不同。按照處理方式不同和處理先后順序,可將污水分為普通污水原水、三采污水原水、普通污水濾后水、三采污水濾后水和深度污水濾后水。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣后,測(cè)試200組同一溫度下不同污水水質(zhì)雜質(zhì)成分,見(jiàn)表1。

表1不同污水水質(zhì)雜質(zhì)成分

單位：mg/L

從表1可以發(fā)現(xiàn),油田污水水質(zhì)中除無(wú)機(jī)鹽、細(xì)菌外,主要雜質(zhì)為聚合物、懸浮物和油。其中聚合物[14-16]在注入水中的作用主要是增加驅(qū)替液黏度,擴(kuò)大波及體積,從而提高采收率。因此在油田污水中聚合物的含量會(huì)對(duì)污水黏度起主要影響作用。為了在水力計(jì)算過(guò)程中得到更準(zhǔn)確的黏度,測(cè)量了不同溫度、不同含聚濃度下污水黏度,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以發(fā)現(xiàn),同一溫度下,污水中聚合物含量升高100 mg/L,其黏度增大0.1～0.3 mPa·s。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,污水的進(jìn)出站溫度在25～35℃之間。因此,測(cè)量時(shí)在該溫度范圍內(nèi)選取了5個(gè)溫度點(diǎn)。范圍內(nèi)的其他溫度下污水黏度可以通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)插值獲得。

表2不同溫度、不同含聚濃度下污水黏度實(shí)測(cè)表

站名濃度/(mg·L-1)不同溫度下污水黏度/(mPa·s)25℃27℃30℃33℃35℃測(cè)樣數(shù)/個(gè)杏二十二深0～1500.80.80.70.70.75聚杏Ⅱ-1(聚)150～250110.90.80.85杏十七深250～35010.90.90.90.85杏十一深350～4501.31.31.21.11.15聚杏十一>4501.61.51.31.21.25

2　管網(wǎng)水力計(jì)算數(shù)學(xué)模型建立

針對(duì)油田污水管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和水質(zhì)復(fù)雜,以及管網(wǎng)連通性好的特點(diǎn),建立其水力計(jì)算數(shù)學(xué)模型。

2.1　管元壓降方程

圖2管元示意圖

管元示意圖見(jiàn)圖2,設(shè)節(jié)點(diǎn)i的水頭為Hi,節(jié)點(diǎn)j的水頭為Hj,則有管元段ij的管段能量方程[17]為:

(1)

式中:Hi、Hj為管段兩端節(jié)點(diǎn)i、j的水壓高程,m;hij為管段水頭損失,m;lij為管段長(zhǎng)度,m;Dij為管道內(nèi)徑,m;νij為管內(nèi)流速,m/s;qij為管段內(nèi)流量,m3/s;λij為水力摩阻系數(shù)。λij可按下式計(jì)算:

(2)

(3)

式中:Reij為雷諾數(shù);e為管道內(nèi)壁粗糙度,m;ρj為流體密度,kg/m3;νj為流體動(dòng)力黏度,N·s/m2。

針對(duì)污水水質(zhì)特點(diǎn),計(jì)算雷諾數(shù)時(shí)應(yīng)先選定溫度,污水含聚濃度根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)插值法計(jì)算污水密度、黏度；管道粗糙度e可以根據(jù)管材查表得到。

2.2　基環(huán)能量方程

基環(huán)能量方程也稱閉合環(huán)的能量平衡方程,表示每一環(huán)中各管段的水頭損失總和等于零的關(guān)系。環(huán)狀管網(wǎng)示意圖見(jiàn)圖3，其h12+h25+h45+h14=0。該方程可寫(xiě)成:

[∑hij]L=0

(4)

式中:hij為屬于某基環(huán)的管道水頭損失,m;L為管網(wǎng)基環(huán)數(shù),有L個(gè)基環(huán),則有L個(gè)能量方程。流向?yàn)轫槙r(shí)針的管段水頭損失為正,反之為負(fù)。

圖3　環(huán)狀管網(wǎng)示意圖

2.3　環(huán)能量校正方程組建立

(5)

如果不滿足能量方程,對(duì)每個(gè)環(huán)的管段流量施加相同的校正流量Δqk,消除閉合差。能量方程變?yōu)?

(6)

3　水力計(jì)算數(shù)學(xué)模型求解

針對(duì)上述理論,建立如下求解過(guò)程及方法：

1)利用叉積法判斷管道流向。

2)計(jì)算基環(huán)閉合差。

(7)

式中,FL(0,0,…,0)稱為初分配管段流量下的環(huán)水頭閉合差,記為:

(8)

(9)

圖4　軟件計(jì)算流程

4　計(jì)算實(shí)例

為高效求解,應(yīng)用.Net技術(shù)根據(jù)軟件工程學(xué)[19-20]理論開(kāi)發(fā)了“環(huán)狀污水管網(wǎng)水力仿真軟件”,應(yīng)用大慶某采油廠部分區(qū)塊污水管網(wǎng)系統(tǒng)部分區(qū)塊生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)軟件及算法進(jìn)行測(cè)試。大慶某采油廠部分區(qū)塊污水管網(wǎng)系統(tǒng)包括脫水站3座,轉(zhuǎn)油放水站1座,普通水驅(qū)污水處理站6座,含聚污水處理站1座,深度污水處理站1座,注水站9座,生產(chǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

針對(duì)表3生產(chǎn)數(shù)據(jù),應(yīng)用環(huán)狀污水管網(wǎng)水仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，得到每條管線流量、流向、各節(jié)點(diǎn)壓力及水力半徑,在軟件中各節(jié)點(diǎn)水力半徑用不同顏色加以區(qū)分。具體結(jié)果見(jiàn)表4～5。

表3大慶某采油廠部分區(qū)塊污水管網(wǎng)系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)

節(jié)點(diǎn)名稱流量/(m3·d-1)壓力/MPa杏十脫37 605.60.32杏九脫34 503.80.29杏十一脫34 853.80.31三元-7放水站24 192.00.30

表4污水管網(wǎng)系統(tǒng)管道仿真結(jié)果

管線名稱管線計(jì)算流量/(L·s-1)管線流向管線內(nèi)流體來(lái)源管線1280.01三元-7放水站—>杏三污三元-7放水站管線25.29杏三污—>杏十六污三元-7放水站管線354.01杏三污—>杏二十六深三元-7放水站管線4132.79聚杏九污—>杏十六污杏九脫管線5182.35聚杏九污—>杏九注杏九脫管線666.82杏九脫—>聚杏九污杏九脫管線7132.67杏十脫—>杏二十六污杏十脫管線813.97杏二十六污—>杏二十六深三元-7放水站管線10159.33杏十脫—>杏二十四污杏十脫管線12127.25杏二十六污—>杏二十六注三元-7放水站管線1373.16杏二十四污—>交匯點(diǎn)1杏十脫管線14170.25交匯點(diǎn)1—>杏二十四注杏九脫管線15143.26杏十脫—>杏十污杏十脫管線1697.09杏2-1污—>交匯點(diǎn)1杏九脫管線17332.53杏九脫—>杏2-1污杏九脫管線18141.78杏2-1污—>杏二十五注杏九脫管線1993.66杏2-1污—>杏十九注杏九脫管線2086.17杏二十四污—>杏十九注杏十脫管線21143.26杏十污—>杏十注杏十脫管線22155.16杏十一脫—>杏十一污杏十一脫管線23248.24杏十一脫—>聚杏九污杏十一脫管線24155.16杏十一污—>杏三注杏十一脫管線2559.29杏三注—>杏三污杏十一脫管線2619.26杏二十六深—>杏十二污三元-7放水站

表5污水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)仿真結(jié)果

單位：MPa

5　結(jié)論

1)對(duì)油田污水系統(tǒng)水質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試,發(fā)現(xiàn)污水中主要含有聚合物、懸浮物、油等成分。通過(guò)分析確定,水中聚合物含量對(duì)其黏度起主要的影響作用,因此測(cè)試了不同溫度、不同聚合物含量下污水的黏度。

2)結(jié)合所測(cè)黏度和水力學(xué)方程,得到管元的壓降方程。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)分析污水管網(wǎng)的水力特點(diǎn),建立環(huán)狀污水管網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)求解算法。

3)開(kāi)發(fā)了環(huán)狀污水管網(wǎng)水力仿真軟件,應(yīng)用該軟件對(duì)大慶某采油廠部分區(qū)塊污水管網(wǎng)系統(tǒng)部分區(qū)塊進(jìn)行了試算。計(jì)算結(jié)果表明,環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算模型穩(wěn)定性、適應(yīng)性強(qiáng),軟件及算法求解精度較高、求解速度較快,完全可以解決油田污水管網(wǎng)系統(tǒng)的仿真問(wèn)題。