基于單井單位注水量電耗的注水系統(tǒng)評價方法

陳立達(dá)楊濟(jì)源 王翀 賀三 鄧志強(qiáng)

（1.遼河油田分公司安全環(huán)保技術(shù)監(jiān)督中心；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院）

注水是油田開發(fā)中普遍采用的一種行之有效的保持地層壓力、提高采油速度和采收率的重要措施[1]，而國內(nèi)大油田的注水系統(tǒng)普遍效率低，與國外先進(jìn)水平差距很大，能源浪費非常嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，注水耗電量約占我國油田生產(chǎn)用電的33%～56%[2]，因此，提高注水系統(tǒng)效率、實現(xiàn)節(jié)能降耗迫在眉睫。為此，大量學(xué)者開展油田注水系統(tǒng)降低能耗方面的研究，以解決油田注水系統(tǒng)的降耗問題，提高油田企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[3-6]。梁晶等對油田注水系統(tǒng)常用能耗指標(biāo)進(jìn)行分析、對比，選取適用的能耗評價指標(biāo)，并對影響指標(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[7]。王吉福等通過計算某油田注水系統(tǒng)能耗，分析注水高能耗原因，提出了注水泵變頻改造、更換小排量注水泵、優(yōu)化注水管網(wǎng)等對策[8]。宋玉杰等建立了注水系統(tǒng)的能耗模型，分析了油田地面注水系統(tǒng)的能量分布情況，采用樹狀管網(wǎng)簡化技術(shù)，計算和測試了喇嘛甸油田高壓管網(wǎng)的流量和壓力，得出了油田注水能耗分布規(guī)律和節(jié)能降耗對策[9]。

目前對同一注水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能評價時，不同條件下的指標(biāo)數(shù)值往往不能直接對比出好壞[10]；因此，需找出一個節(jié)能評價指標(biāo)，對同一注水系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，實現(xiàn)降低能耗?；谀芰渴睾愣?，對注水系統(tǒng)內(nèi)的單井輸入功率與單井單位注水量電耗進(jìn)行分析，從而了解注水系統(tǒng)的運行情況。

1 注水系統(tǒng)節(jié)能評價方法

1.1 理論分析

對于任意的注水系統(tǒng)，以注水井與注水泵為單元，將每口注水井劃分為單臺注水泵連接單口注水井的模型，即單泵單井模型，如圖1所示。

圖1 單泵單井模型

根據(jù)能量守恒定律，在單泵單井模型中，單井單位注水量電耗與單井輸入功率之間的關(guān)系如式（1）所示：

式中：y為注水井單位注水量電耗，kWh/m3；Nmini為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水泵電動機(jī)輸入功率，kW；Nmpi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水泵機(jī)組的功率損失，kW；Ppouti為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水泵出口壓力，MPa；Psouti為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水站出站壓力，MPa；Qpi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水泵流量，m3/h；Qrsi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的回流量，m3/h； NPVi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水管網(wǎng)損失功率，kW；Pwi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水壓力，MPa；Qwi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水流量，m3/h；Ppinz為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水泵入口折算壓力，MPa。

目前，注水系統(tǒng)的耗電量可直接獲得，但大多數(shù)單井井口前沒有安裝測量單井單位注水量電耗的儀表，無法直接獲取單井單位注水量電耗。因此，單井單位注水量電耗采用流量配比的方式將系統(tǒng)單位注水量電耗分配到每一口井上，注水井單位注水量電耗由式（2）、式（3）計算：

式中：MJW為注水系統(tǒng)單位注水量電耗，kWh/m3；m為注水系統(tǒng)的注水井總數(shù)量；λi為注水系統(tǒng)中第i口注水井的注水量與注水井總流量的比例。注水單井的輸入功率由式（4）計算：

式中：x為單井輸入功率，kW。

在注水系統(tǒng)單泵單井模型中，單井輸入壓力Pwi為變量，其余與單井輸入壓力Pwi無關(guān)的常量可以看成常數(shù)，則單井輸入功率與單井單位注水量電耗的關(guān)系如式（5）所示，單井輸入功率與單井單位注水量電耗線性關(guān)系如圖2所示。

圖2 單井輸入功率與單井單位注水量電耗線性關(guān)系

式中：k為單井輸入流量的倒數(shù)，1/（m3·h-1）；n為與單井輸入壓力無關(guān)的常數(shù)。

斜率表示單井井口流量的倒數(shù)；截距表示單位注水量功率消耗，即單位注水量泵機(jī)組損失功率、單位注水量站內(nèi)管線損失、單位注水量回流損失與單位注水量注水管網(wǎng)損失之和減去泵入口水帶來的功率。

1.2 評價方法

節(jié)能是一個相對的概念，從理論上而言，在同一系統(tǒng)或者相同基準(zhǔn)條件下系統(tǒng)才能互相比較：對于同一系統(tǒng)進(jìn)行比較，系統(tǒng)的運行參數(shù)、監(jiān)測地點要求一致；對于不同系統(tǒng)之間進(jìn)行比較，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行參數(shù)應(yīng)該相似。

因此，該指標(biāo)對于同一系統(tǒng)的不同運行狀態(tài)的評價會比不同系統(tǒng)的評價更具適用性。

1.2.1 注水系統(tǒng)節(jié)能評價指標(biāo)

由單井的注入能量與單位注水量電耗的公式可知，直線截距的物理意義是注水系統(tǒng)的單位注水量能量消耗，表明了注入單位水量所需要消耗的功率。對于擬合的曲線，截距越大，注入單位水量所需要消耗的功率也越大；反之，截距越小，注入單位水量所需要消耗的功率也越小。因此，可將截距作為注水系統(tǒng)間節(jié)能程度評價的指標(biāo)。

1.2.2 注水系統(tǒng)節(jié)能評價分級

一般情況下，一個合適的評價指標(biāo)需要使用大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)并結(jié)合一定的數(shù)理統(tǒng)計方法來獲得，但由于目前的數(shù)據(jù)量有限，無法采用統(tǒng)計方法。因此，引用覆蓋率的概念，依照被監(jiān)測對象70%以上合格、20%優(yōu)良的原則，計算得到限定值。

2 節(jié)能評價方法的應(yīng)用

2.1 測試對象與測試方法

注水系統(tǒng)的測試和計算嚴(yán)格按照GB/T33653《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》進(jìn)行[11]，測試期間各測試點壓力波動不大，各測試流量基本穩(wěn)定，符合監(jiān)測條件要求。

測試注水系統(tǒng)有注水井119口，系統(tǒng)壓力19MPa，日注水量3800m3，覆蓋11個開發(fā)單元。不同開發(fā)單元間儲層物性差異較大，造成水井注水壓力（5～23MPa）需求差別較大，注水單耗為9.2kWh/m3。

2.2 數(shù)據(jù)計算

1）測試期間有4臺注水泵運行，實際注水井88口，注水站回流流量0m3/h，出口流量139.625 m3/h，出口壓力20.4MPa，效率為54.43%；注水系統(tǒng)輸入能量1490.375kW，輸出能量572.44kW，損失能量917.935kW。各項損失占的比例如圖3所示，單井輸入功率與單井單位注水量電耗之間的關(guān)系如圖4所示。

圖3 2016年6月30日注水系統(tǒng)能量損失分布

圖4 2016年6月30日單井單位注水量電耗

從圖4可以看出，注水井能量與注水井單位注水量電耗呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。因此，采用線性擬合的方式獲得兩者的線性表達(dá)式如下：

2）測試期間有3臺注水泵運行，實際注水井95口，注水站回流流量0m3/h，出口流量154.67m3/h，出口壓力19.2MPa，效率為54.32%；注水系統(tǒng)輸入能量1554.42kW，輸出能量602.50kW，損失能量951.92kW。各項損失占的比例如圖5所示，單井輸入功率與單井單位注水量電耗之間的關(guān)系如圖6所示。

圖5 2016年12月31日注水系統(tǒng)能量損失分布

圖6 2016年12月31日單井單位注水量電耗

從圖6可以看出，注水井能量與注水井單位注水量電耗呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。因此，采用線性擬合的方式獲得兩者的線性表達(dá)式如下：

3）測試期間有3臺注水泵運行，實際注水井96口，注水站回流流量0m3/h，出口流量115.5m3/h，出口壓力18.1MPa，效率為49.71%；注水系統(tǒng)輸入能量1204.75kW，輸出能量512.45kW，損失能量692.3kW。各項損失占的比例如圖7所示，單井輸入功率與單井單位注水量電耗之間的關(guān)系如圖8所示。

圖7 2017年6月30日注水系統(tǒng)能量損失分布

圖8 2017年6月30日單井單位注水量電耗

從圖8可以看出，注水井能量與注水井單位注水量電耗呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。因此，采用線性擬合的方式獲得兩者的線性表達(dá)式如下：

4）測試期間有3臺注水泵運行，實際注水井94口，注水站回流流量0m3/h，出口流量145.46m3/h，出口壓力18.1MPa，效率為54.47%；注水系統(tǒng)輸入能量1378.75kW，輸出能量561.32kW，損失能量817.43kW。各項損失占的比例如圖9所示，單井輸入功率與單井單位注水量電耗之間的關(guān)系如圖10所示。

圖9 2017年12月31日注水系統(tǒng)能量損失分布

圖10 2017年12月31日單井單位注水量電耗

從圖10可以看出，單井輸入功率與單井單位注水量電耗呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。因此，采用線性擬合的方式獲得兩者的線性表達(dá)式如下：

3 結(jié)果分析

注水系統(tǒng)在不同日期的各部分能量損失如表1所示。

表1 測試注水系統(tǒng)各部分能量損失

由表1可知，在注水系統(tǒng)中泵機(jī)組損失能量是最大的，其次是注水管網(wǎng)損失能量，站內(nèi)管線損失能量較小。2016年6月30日，測試注水系統(tǒng)有4臺注水泵運行，故站內(nèi)管線損失能量較大；而2017年6月30日，測試注水系統(tǒng)效率最高，此時的注水管網(wǎng)損失能量最小。

綜上所述，注水井輸入功率與單井單位注水量電耗呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，線性擬合度達(dá)0.8以上，現(xiàn)場數(shù)據(jù)結(jié)果與理論分析結(jié)果相符。測試注水系統(tǒng)不同日期單井輸入功率與單井單位注水量電耗關(guān)系式見表2。

表2 測試注水系統(tǒng)不同日期關(guān)系式

由表2可知，2017年12月31日直線截距最大；此時注入單位水量所需要消耗的功率也最大，2016年6月30日直線截距最小，此時注入單位水量所需要消耗的功率也最小。

圖11 單井輸入功率與單井單位注水量電耗直線匯總

由圖11可知，被測注水系統(tǒng)的單井輸入功率與單井單位注水量電耗直線的截距為0～1kWh/m3。依照被監(jiān)測對象70%以上合格、20%優(yōu)良的原則，則截距的合格限定值為0.7kWh/m3，截距的節(jié)能限定值為0.2kWh/m3，低于節(jié)能限定值為節(jié)能狀態(tài)，低于合格限定值為合格狀態(tài)。2016年6月30日，被測注水系統(tǒng)為節(jié)能狀態(tài)，其余日期被測的為合格狀態(tài)。

4 結(jié)論

1）注水井輸入功率與單井單位注水量電耗呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，線性擬合度達(dá)0.8以上，現(xiàn)場數(shù)據(jù)結(jié)果與理論分析結(jié)果相符。

2）被測注水系統(tǒng)的單井輸入功率與單井單位注水量電耗直線的截距的合格限定值為0.7kWh/m3，截距的節(jié)能限定值為0.2kWh/m3。