注水井能效狀況評價(jià)方法與分析

雷鈞，周杰，濮新宏，于博，趙英，范俊杰，賀三，鄧志強(qiáng)

1.中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心 （陜西 西安 710021）

2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 （四川 成都 610500）

油田注水是采油生產(chǎn)過程中最重要的工作之一，能夠有效地補(bǔ)充地層的能量，對提高原油采收率，確保油田高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)起到了積極作用[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，注水耗電量約占油田生產(chǎn)用電的33%～56%。隨著油田進(jìn)入高含水期開發(fā)階段，注水量大幅度增加，注水能耗急劇上升，注水系統(tǒng)運(yùn)行狀況的日趨復(fù)雜，新投注水井及設(shè)備的維護(hù)、管網(wǎng)改造等現(xiàn)象普遍存在，僅依靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)來控制注水系統(tǒng)的運(yùn)行已難以滿足優(yōu)化系統(tǒng)、降低經(jīng)濟(jì)成本的要求。為此，大量學(xué)者開展油田注水系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能降耗方面的研究，以解決油田注水系統(tǒng)的高效優(yōu)化和降耗問題，提高油田企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[2-9]。

注水系統(tǒng)的節(jié)能監(jiān)測規(guī)范GB/T 31453—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》規(guī)定了各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的限定值，由于油田現(xiàn)場的需求，不少學(xué)者也開展了注水系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)的研究。周勇等根據(jù)新疆油田注水系統(tǒng)特點(diǎn)，從系統(tǒng)、單元、設(shè)備3個層級，構(gòu)建了包含3大類8項(xiàng)指標(biāo)的評價(jià)指標(biāo)體系，對新疆油田6套注水系統(tǒng)進(jìn)行了評價(jià)[10]；阮巖等按注水站出口壓力和泵額定排量分級，建立了管網(wǎng)損失率作為注水系統(tǒng)能耗評價(jià)指標(biāo)，通過該評價(jià)指標(biāo)反映注水系統(tǒng)管網(wǎng)能耗[11]，此外，他們還建立了以站效作為泵站能耗監(jiān)測評價(jià)指標(biāo)[12]。由于現(xiàn)有評價(jià)方法沒有指標(biāo)反映注水能耗高的注水井，根據(jù)能量守恒定律，得出單井輸入功率與單井單位注水量電耗的關(guān)系，對注水井之間進(jìn)行節(jié)能程度比較，找出能耗異常的注水井。

1 注水系統(tǒng)節(jié)能評價(jià)方法

單位注水量電耗是注水系統(tǒng)每注入1 m3水的耗電量，表明注水系統(tǒng)對輸入電能的利用情況。目前關(guān)于單位注水量電耗的限定值與節(jié)能評價(jià)值還沒有規(guī)定，因此需要找出單位注水量電耗與注水系統(tǒng)的有效輸入流量和壓力之間的關(guān)系，從理論上找出異常注水井。

1.1 理論分析

對于任意的注水系統(tǒng)，每一口注水單井，都可以劃分為單臺注水泵連接單口注水井的模型，只是每口井連接泵的輸入功率與井口輸入功率不同，如圖1所示。

圖1 單泵單井模型

在GB/T 33653—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計(jì)算方法》中[13]，規(guī)定了站內(nèi)管線損失能量為回流損失能量為入功率為；泵入口水?dāng)y帶的能量為

其中q為注水站個數(shù)，m為注水系統(tǒng)的注水井總數(shù)量。

在單泵單井模型中，q和r都為1。根據(jù)能量守恒定律，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)：

式中：y為注水井單位注水量電耗，kW·h/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；Gpi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水泵流量，m3/h；Grsi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；Gwi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。

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。當(dāng)注水管線比較短，地形起伏差異比較小時(shí)，單井單位注水量電耗與單井的流量呈線性關(guān)系。因此，單井的單位注水量電耗采用流量配比的方式，將系統(tǒng)的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）、（3）計(jì)算：

式中：MJW為注水系統(tǒng)單位注水量電耗，kW·h/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。根據(jù)GB/T 33653—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計(jì)算方法》，注水單井的輸入功率由單井注水壓力與單井注水流量計(jì)算，如式（4）所示。

式中：x為單井輸入功率，kW；Pwi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水壓力，MPa；Gwi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水流量，m3/h。

在注水系統(tǒng)單泵單井模型當(dāng)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。

式中：k為單井輸入流量的倒數(shù)，h/m3；c為與單井輸入壓力無關(guān)的常數(shù)。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中，斜率的物理意義為單井井口流量的倒數(shù)；截距的物理意義為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+單位注水量注水管網(wǎng)損失-泵入口水帶來的功率。

圖2 單井輸入功率與單井單位注水量電耗線性關(guān)系

1.2 評價(jià)方法

對輸入能量相同的注水井，直接比較注水井的實(shí)際單位注水量電耗值，單位注水量電耗值越小越節(jié)能。

圖3 單耗節(jié)能率計(jì)算示意圖

對輸入能量不同的注水井，引入單耗節(jié)能率進(jìn)行判斷。單耗節(jié)能率由式（6）計(jì)算，單耗節(jié)能率越大，則更節(jié)能。單耗節(jié)能率計(jì)算示意圖如圖3所示。

式中:α為單耗節(jié)能率，%；y0為注水系統(tǒng)中第i口注水井理論上所需要的單位注水量電耗，kW·h/m3；yi為注水系統(tǒng)中第i口注水井實(shí)際的單位注水量電耗，kW·h/m3。

2 節(jié)能評價(jià)方法的應(yīng)用

2.1 測試對象與測試方法

A注水系統(tǒng)測試時(shí)：1臺注水泵機(jī)組運(yùn)行，下轄注水閥組21座，注水井47口，停注12口，測試時(shí)實(shí)際注水35口，配注量718 m3/d。

B注水系統(tǒng)測試時(shí)：3臺注水泵機(jī)組運(yùn)行，注水泵機(jī)組中，1#、2#注水泵機(jī)組配置變頻裝置。注水泵電機(jī)裝機(jī)容量660 kW，注水泵理論注水能力77 m3/h，下游注水閥組33座，注水井67口，停注2口，測試時(shí)實(shí)際注水65口，配注量1 077 m3/d。

注水系統(tǒng)的測試和計(jì)算嚴(yán)格按照GB/T 33653—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計(jì)算方法》進(jìn)行，測試期間各測試點(diǎn)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。

2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

A注水系統(tǒng)的單井壓力在5.1～20.2 MPa，單井流量在0.24～1.26 m3/h。計(jì)算井口輸入能量與單井單位注水量電耗并作圖，其散點(diǎn)圖如圖4所示。

圖4 A注水系統(tǒng)單井單位注水量電耗

采用線性擬合的方式獲得兩者的線性表達(dá)式，如式（7）所示：

B注水系統(tǒng)單井壓力在10.6～19.2 MPa，單井流量在0.29～1.58 m3/h。計(jì)算出井口輸入功率與單井單位注水量電耗并作圖，如圖5所示。

采用線性擬合的方式獲得兩者的線性表達(dá)式，如式（8）：

圖5 B注水系統(tǒng)單井單位注水量電耗

從圖4、圖5可以看出：兩個注水系統(tǒng)的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，且線性擬合度均在95%以上，理論分析結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)結(jié)果吻合。

3 結(jié)果分析

3.1 A注水系統(tǒng)

A注水系統(tǒng)中有1口井的井口流量為零，19口注水井的實(shí)際單位注水量電耗值小于其擬合的單位注水量電耗值，15口井的實(shí)際單位注水量電耗值大于其擬合的單位注水量電耗值。

對于A注水系統(tǒng)，除停注和井口輸入功率為零以外的注水井，按照公式（6）計(jì)算每一口井的單耗節(jié)能率α，結(jié)果見表1。其中，H 46-51井的單耗節(jié)能率α最大，即為最節(jié)能的注水井；H 47-61井的單耗節(jié)能率α最小，說明該注水井是最不節(jié)能的注水井。

表1 A注水系統(tǒng)注水井節(jié)能程度排名

通過A注水系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，H47-61井的配注量為0.58 m3/h，井口壓力5.1 MPa，H47-61的單井輸入功率為0.82 kW，理論上所需的單井單位注水量電耗為2.2 kW·h/m3，而實(shí)際上的單井單位注水量電耗大于2.2 kW·h/m3，因此H 47-61井為不節(jié)能的注水井。A注水系統(tǒng)的注水井配水間的平均管壓為17.7 MPa，H 47-61井的配水間管壓為5.3 MPa，由于H 47-61井配水間管壓過小，導(dǎo)致井口輸入功率過低，可在該井口加裝小型撬裝增壓泵提高注水壓力，從而提高注水系統(tǒng)效率。

3.2 B注水系統(tǒng)

B注水系統(tǒng)中有2口井的井口流量為零，23口注水井的實(shí)際單位注水量電耗值小于其擬合的單位注水量電耗值，40口井的實(shí)際單位注水量電耗值大于其擬合的單位注水量電耗值。

對于B注水系統(tǒng)，除停注和井口能量為零以外的注水井，按照公式（6）計(jì)算每一口井的單耗節(jié)能率α，結(jié)果見表2。其中Z 43-7井的單耗節(jié)能率α最大，即為最節(jié)能的注水井；Z 44-4井的單耗節(jié)能率α最小，說明該注水井是最不節(jié)能的井口。

表2 B注水系統(tǒng)注水井節(jié)能程度排名

經(jīng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，Z 44-4井的配注量為0.42 m3/h，井口壓力10.6 MPa，不能滿足生產(chǎn)注入要求，井口輸入功率過低導(dǎo)致不節(jié)能。

通過B注水系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，Z 44-4井的配注量為0.42 m3/h，井口壓力10.6 MPa，Z 44-4的單井輸入功率為1.17 kW，理論上需要的單井單位注水量電耗為2.57 kW·h/m3，而實(shí)際上的單井單位注水量電耗大于2.57 kW·h/m3，因此Z 44-4井為不節(jié)能的注水井。在B注水系統(tǒng)當(dāng)中，Z 44-4井的井口壓力最低，井口輸入功率過低導(dǎo)致不節(jié)能，可在該井口加裝小型撬裝增壓泵提高注水壓力，從而提高注水系統(tǒng)效率。

4 結(jié)論

1）利用單井輸入功率與單井單位注水量電耗的線性關(guān)系可對注水井之間進(jìn)行節(jié)能評價(jià)。

2）在A注水系統(tǒng)中，H 46-51井的單耗節(jié)能率α最大，即為最節(jié)能的注水井；H 47-61井的單耗節(jié)能率α最小，即為最不節(jié)能的井口。

3）在B注水系統(tǒng)中，Z 43-7井的單耗節(jié)能率α最大，即為最節(jié)能的注水井；Z 44-4井的單耗節(jié)能率α最小，即為最不節(jié)能的井口。

4）利用單井輸入功率與單井單位注水量電耗線性關(guān)系可以找出注水能耗高的注水井，分析其原因并采取相應(yīng)措施提高注水效率，從而提高整個注水系統(tǒng)的效率。