Study on Optimized Operation Scheme of Water Injection System

Jiajun Xu, Dongxu He, Yuanfa Zhang, Xinchang Yu, Tao Ding, Shouqin Li

1Shengli Oil Production Plant, Shengli Oilfield Company, SINOPEC, Dongying Shandong

2College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Huadong), Dongying Shandong

3Dongxin Oil Production Plant, Shengli Oilfield Company, SINOPEC, Dongying Shandong

Abstract In consideration of the actual situation of pressure loss and energy consumption of the water injection system in the oil production plant, by using the finite element analysis and hydraulic principle, according to the topological structure characteristics of the oilfield water injection system,the mathematical model of the injection pump combination optimization and the simulation model of the oilfield water injection system were established, and the graphic methods of parallel operation of water injection pump were proposed. Based on the technical principle of simulation and optimization for oilfield water injection system, the water injection system management and optimization platform is established, the optimal scheme of pump station operation is found through optimization model, and the purpose of energy saving and consumption reduction in water injection system is achieved.

Keywords Water Injection System, Mathematical Model, Simulation Model, Optimized Management Platform,Optimized Operation Plan

1. 引言

目前我國陸上油田基本上采用了注水開發(fā)方式提高油藏采收率。但同時注水耗能也成為了油田耗電大戶，據(jù)統(tǒng)計油田注水耗電約占油田總耗電的40%左右。因此，有必要對整個注水系統(tǒng)的效率進行評估研究，找出潛力點，合理匹配泵型組合。

油田注水系統(tǒng)的優(yōu)化主要有2種型式：設計型優(yōu)化和操作(運行)型優(yōu)化。近些年來，國內(nèi)外眾多學者對注水系統(tǒng)進行了優(yōu)化研究。文獻[1] [2] [3] [4] [5]報道的注水系統(tǒng)的優(yōu)化大多屬于設計型優(yōu)化，而操作型的優(yōu)化較少，而且所涉及的注水系統(tǒng)的規(guī)模不大。實際的注水系統(tǒng)是由多個節(jié)點單元(注水站、配水間、注水井及管線交匯點等)、管道單元(注水干線、注水支線)和附屬單元(閥門、彎頭、三通等)組成的復雜大系統(tǒng)，對其進行仿真計算和優(yōu)化求解有相當?shù)碾y度[6] [7] [8]。同時，注水系統(tǒng)的規(guī)模越大，系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能的空間也越大。通過建立注水泵開泵組合優(yōu)化數(shù)學模型和油田注水系統(tǒng)仿真模型，提出了注水泵并聯(lián)工作的圖解法；根據(jù)油田注水系統(tǒng)仿真與優(yōu)化的技術(shù)原理，建立了注水系統(tǒng)管理優(yōu)化平臺；通過優(yōu)化模型找出泵站運行的最佳方案。

2. 某注水系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)測試分析

某注水系統(tǒng)現(xiàn)場運行泵共20臺，其中離心泵機組17臺，柱塞泵機組3臺(增壓泵站內(nèi))；測試離心泵泵效合格共17臺，合格率100%；測試離心泵泵效節(jié)能7臺，占比41.18%。壓力損失情況見表1，現(xiàn)階段平均注水壓力14.01 MPa，站內(nèi)管線壓力平均損失0.39 MPa，注水管網(wǎng)平均壓力損失2.32 MPa，其中管線壓力損失0.60 MPa，注水閥組壓力損失1.72 MPa。

Table 1. The pressure loss表1. 壓力損失情況

注水系統(tǒng)能耗情況見表2，整體有效能量輸出為18,837.1 kW，占系統(tǒng)整體能耗59%；機組損失7562.5 kW，占系統(tǒng)整體能耗24%；站內(nèi)損失540.2 kW，占系統(tǒng)整體能耗2%；管線損失2296.8 kW，占系統(tǒng)整體能耗7%；閥組損失2510.5 kW，占系統(tǒng)整體能耗8%。

Table 2. The energy consumption in water injection system表2. 注水系統(tǒng)能耗情況

3. 注水系統(tǒng)優(yōu)化模型

3.1. 數(shù)學模型

注水泵開泵組合優(yōu)化數(shù)學模型為：

式中：j為注水總電能，kW·h；f為單位注水耗電量，(kW·h)/m3；m為一個注水站的注水泵臺數(shù)；Qi為第i臺注水泵的排量，m3/d；p2i為第i臺注水泵的出口壓力，MPa；p1i為第i臺注水泵的進口壓力，MPa；ηpi為第i臺注水泵的效率，%；ηei為第i臺注水電機的效率，%；α為單位換算系數(shù)，α = 0.2778。

根據(jù)注水管網(wǎng)模擬結(jié)果，在確定了注水站的出口流量和出口壓力后，確定注水系統(tǒng)離心注水泵的型號、開泵臺數(shù)、泵的出口壓力、工作流量、工作揚程與泵匹配的電動機型號及功率。

3.2. 仿真模型

注水系統(tǒng)仿真數(shù)學模型的建立主要研究系統(tǒng)中各單元的能量方程和管網(wǎng)中各節(jié)點的流量平衡方程，采用相鄰矩陣描述管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。

擬采用直接迭代與牛頓迭代的混合迭代方法對仿真模型進行迭代求解。在實際研究過程中發(fā)現(xiàn)對于復雜管網(wǎng)的仿真模型求解時，由于牛頓迭代法需計算函數(shù)的導數(shù)值，使得到的特性矩陣的元素非常復雜且規(guī)律性較差，難以對大型注水系統(tǒng)實現(xiàn)仿真計算?？紤]到注水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復雜，系統(tǒng)方程維數(shù)較高，為了保證計算的可靠性，研究中擬采用簡單迭代法對仿真模型進行求解。

4. 注水系統(tǒng)管理優(yōu)化平臺

4.1. 技術(shù)原理

基于有限元分析的思想和水力學的原理，根據(jù)油田注水系統(tǒng)管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的特點，建立油田注水系統(tǒng)仿真模型。把水力摩阻系數(shù)改變造成的誤差轉(zhuǎn)變成等效管長的思想，建立管網(wǎng)的管段校核模型。將泵的開停方案和泵的配注流量作為優(yōu)化變量，以泵站總消耗最小為目標建立優(yōu)化計算模型，并應用智能算法來進行求解。整個注水管網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)點和管段的參數(shù)值都可以由仿真模型得到，并且可以通過優(yōu)化模型找出泵站運行的最佳方案，以達到注水系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的。

4.2. 主要作用

1) 獲得注水管網(wǎng)系統(tǒng)的運行參數(shù)。運用仿真計算模塊可以獲得油田注水系統(tǒng)中各個節(jié)點和管段的參數(shù)值(流量、壓力)，由于注水過程的流量和壓力經(jīng)常會出現(xiàn)波動，其運行過程并非一成不變，從注水系統(tǒng)的流量和壓力分布可以看出各個注水泵站的注水半徑，這為油田注水系統(tǒng)的運行提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

2) 校正發(fā)生改變的管網(wǎng)模型。由于注水系統(tǒng)長期運行，管網(wǎng)系統(tǒng)中管段的摩阻系數(shù)發(fā)生改變，其運行參數(shù)與原來的參數(shù)會產(chǎn)生較大差距，利用校核模塊可以找出發(fā)生改變的管段，且校核后的參數(shù)值與實際值接近，可以反映出實際管網(wǎng)的運行過程。

3) 找出注水系統(tǒng)的最佳運行方案。利用優(yōu)化計算模塊，找出注水泵站的最佳開停方案和泵站中注水泵的最佳配注流量，新的運行方案在滿足注水管網(wǎng)各項要求的前提下，使注水系統(tǒng)的總能耗降低，整個系統(tǒng)的運行效率提高，為油田注水系統(tǒng)節(jié)能，降低其運行費用。

4) 擬合泵的特性曲線。利用泵的試驗測試數(shù)據(jù)，對注水泵的揚程–流量，效率–流量曲線進行擬合。

5. 泵機組測試及優(yōu)化模型分析

勝八注通過3359干線連通勝六注水站，干線上包括有7個配水間，水量為90 m3/h；通過S4干線聯(lián)通勝四注，受水量為30 m3/h。勝九注通過S6干線連通勝六注，干線上包括3個配水間，水量為105 m3/h。

模型優(yōu)化發(fā)現(xiàn)勝六注–勝八注水力平衡點位于 3359配水間處。勝六注–勝九注水力平衡點位于3-6-196配水間處。由于勝八注站內(nèi)干線測試受水量為30 m3/h，其水力平衡點并未處于連通線上，建議對勝八注進行水力切斷。

模型1：一臺泵工作時的流量為160 m3/h，兩臺泵并聯(lián)的總流量為297.8 m3/h，比單泵工作時增加了137.8 m3/h。通過現(xiàn)場測試，勝五注為不同型號泵并聯(lián)運行，采用壓力折算法進行泵機組并聯(lián)效率分析。

模型2：運行1#、3#、4#泵機組，其額定排量分別為350、400、450 m3/h，實際排量分別為402.8、437.2、415.5 m3/h，實際排出壓力分別為14.4、14.4、14.5 MPa，匯管壓力為14.2 MPa，壓力折損分別為0.2、0.2、0.3 MPa。在該工況下3臺泵分別對于最佳工況點偏移影響分別為0.73%、0.68%、6.33%。通過現(xiàn)場測試，勝六注為兩臺同型號、同水位的泵機組并聯(lián)工況，采用并聯(lián)累加法進行泵機組并聯(lián)特性分析。

模型3：一臺泵當前工作點時的流量為500 m3/h，兩臺泵并聯(lián)的總流量為1032 m3/h，比單泵工作時增加了532 m3/h，折算成效率影響為單泵同等壓力工況點的0.13%。通過現(xiàn)場測試，勝八注為不同型號泵并聯(lián)運行，采用壓力折算法進行泵機組并聯(lián)效率分析。

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