雙管摻水集油工藝能耗測(cè)試及灰色關(guān)聯(lián)分析

何曉，王端亮，李濤，楊金慶，趙利慶

(1. 中國(guó)石油大港油田公司 第三采油廠，河北 滄州 061023；2. 中國(guó)石油管道局工程有限公司 維搶修分公司，河北 廊坊 065001；3. 中國(guó)石油華北油田公司 第三采油廠，河北 河間 062450；4. 中國(guó)石油華北油田公司 工程技術(shù)研究院，河北 任丘 062552；5. 中國(guó)石油華北油田公司 第一采油廠，河北 任丘 062552)

目前，大部分陸上油田開(kāi)發(fā)已進(jìn)入中后期，很多區(qū)塊整體處于高含水期，集輸系統(tǒng)面臨著高能耗、高腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。雙管摻水工藝成為油田集輸?shù)闹饕绞?，但能耗仍然偏高。為了解決影響摻水集油能耗的主要因素，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試某油田雙管摻水集油工藝流程，利用能量平衡分析法建立了雙管摻水集油能量平衡模型，整理和統(tǒng)計(jì)了不同集油工藝的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并計(jì)算出相應(yīng)集油工藝的單位能耗；隨后運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析總能耗與各生產(chǎn)參數(shù)之間的關(guān)系，并對(duì)影響能耗的因素進(jìn)行了排序，結(jié)果可為今后節(jié)能降耗、調(diào)整改造提供理論依據(jù)。

1 模型建立

能量平衡分析法是建立在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上的熱力學(xué)分析方法。由于熱量利用是能量利用的主要形式，而絕大多數(shù)能耗設(shè)備都是使用燃料，或是利用電能等其他能源，因此能量平衡分析法在多數(shù)情況下是指熱平衡分析法[3]。能量平衡分析法的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則為系統(tǒng)用能效率，分析準(zhǔn)則為能損系數(shù)，通過(guò)計(jì)算得出系統(tǒng)或設(shè)備的用能效率和能損系數(shù)，用能效率用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)或設(shè)備用能的優(yōu)劣；能損系數(shù)用于辨識(shí)系統(tǒng)或設(shè)備的用能不合理環(huán)節(jié)，旨在定量評(píng)價(jià)、分析用能狀況。因此，根據(jù)能量平衡的方法建立了雙管摻水集油管線能耗計(jì)算模型，在集油能耗計(jì)算中，將油井的雙管摻水集油系統(tǒng)視為一個(gè)能量平衡系統(tǒng)，其主要能量包括熱能和動(dòng)能兩部分[4-5]，且進(jìn)入系統(tǒng)的能量等于流出系統(tǒng)的能量。雙管摻水集油系統(tǒng)能量平衡模型如圖1所示。

圖1 雙管摻水集油系統(tǒng)能量平衡模型示意

根據(jù)圖1中的能量平衡關(guān)系，可建立如下計(jì)算模型，如式(1)和式(2)所示：

Φi=qmicmiTi

(1)

Pi=piqVi

(2)

式中：Φi——流體的熱流量，kW；cmi——輸送介質(zhì)質(zhì)量定壓熱容，kJ/(kg·K)；qmi——輸送介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；Ti——輸送介質(zhì)的溫度，K；Pi——外界對(duì)流體所做的有功功率，kW；qVi——輸送介質(zhì)體積流量，m3/s；pi——流體壓力，kPa；i——下標(biāo)，取1，2，3，其中1代表?yè)剿畞?lái)液，2代表油井產(chǎn)液，3代表進(jìn)站的混合回液。

因此，雙管摻水集油能耗可做如下計(jì)算，如式(3)～式(5)所示：

Q=Qr+Qd

(3)

Qr=t(Φ1+Φ2-Φ3)

(4)

Qd=t(P1+P2-P3)

(5)

式中：Q——雙管摻水集油總能耗，kJ；Qr——雙管摻水集油熱力能耗，kJ；Qd——雙管摻水集油動(dòng)力能耗，kJ；t——測(cè)試時(shí)間，s。

為了更好地衡量集油能耗的大小，通常對(duì)能耗進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)煤換算。采用熱電偶測(cè)溫儀對(duì)6口油井的井口溫度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)量結(jié)果表明這幾口油井的井口出油溫度約為26 ℃，根據(jù)式(1)～式(5)得到計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 6口油井能耗計(jì)算

由表1可知，熱力能耗約占總能耗的90%，雙管摻水集油能耗的影響因素有很多，包括摻水量、摻水溫度、管徑、管長(zhǎng)、產(chǎn)液量及含水率等[6]，這些因素的共同作用決定了雙管摻水集油能耗的大小。對(duì)于不同生產(chǎn)參數(shù)的油井，摻水量越大，摻水溫度越高，油井的集油能耗越高；回液溫度越高，集油能耗越大。當(dāng)其他因素相當(dāng)時(shí)，油井的產(chǎn)液量越大、含水率越高，所產(chǎn)生的集油能耗也越大。這些不同的影響因素之間并非線形關(guān)系，采用常規(guī)模型計(jì)算不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且也受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的限制。因此，有必要以總能耗為目標(biāo)，對(duì)影響因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析[7-8]。

2 灰色關(guān)聯(lián)分析

2.1 確定數(shù)據(jù)序列及無(wú)量綱化

通過(guò)上述的模型建立與計(jì)算，以表1中的總能耗為參考序列X0，體積流量、含水率、摻水溫度、摻水量、管徑、管長(zhǎng)為子因素，分別設(shè)為比較序列X1～X6。由于模型中各因素的物理意義不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的量綱也不一定相同，不便于比較，或在比較時(shí)難以得到正確的結(jié)論。因此在進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析時(shí)，一般都要進(jìn)行無(wú)量綱化的數(shù)據(jù)處理，常用的方法有均值法、初值法、插值法，在此采用均值法進(jìn)行歸一化處理[9]，如式(6)所示：

(6)

式中：Xm，Ym——參考序列和比較序列無(wú)量綱化后的數(shù)值；m——比較序列的個(gè)數(shù)；k——序列長(zhǎng)度。

通過(guò)式(6)計(jì)算出的參考序列和比較序列量綱一的矩陣為

2.2 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

關(guān)聯(lián)系數(shù)用于反映比較序列與參考序列的相對(duì)差值[10]，關(guān)聯(lián)系數(shù)的數(shù)值為0～1，關(guān)聯(lián)系數(shù)可用式(7)計(jì)算：

(7)

式中： Δmin——比較序列與參考序列絕對(duì)差值的最小值；Δmax——比較序列與參考序列絕對(duì)差值的最大值；Δi——各比較序列的每一點(diǎn)與對(duì)應(yīng)參考序列每一點(diǎn)之間的絕對(duì)差值；ε——分辨系數(shù)，若ε越小，則關(guān)聯(lián)系數(shù)間的差異就越大，區(qū)分能力越強(qiáng)，一般工程上取0.5。

當(dāng)ε=0.5時(shí)，各比較序列與參考序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣結(jié)果如下：

2.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)度并對(duì)影響因素進(jìn)行排序

關(guān)聯(lián)系數(shù)一定程度上反映了比較序列與參考序列的關(guān)聯(lián)程度，但是數(shù)據(jù)較分散，不利于整體比對(duì)。因此，對(duì)關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣的每一列求算術(shù)平均值后再簡(jiǎn)化，即可計(jì)算出比較序列與參考序列之間的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度的計(jì)算如式(8)所示：

(8)

式中：L——灰度級(jí)數(shù)，本文中L=6。

一般工程上認(rèn)為，計(jì)算后關(guān)聯(lián)度大于0.6的均為主要關(guān)聯(lián)項(xiàng)，因此對(duì)雙管摻水集油工藝總能耗影響因素進(jìn)行排序?yàn)椋?液量>摻水量>管長(zhǎng)>含水率>摻水溫度>管徑，結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 雙管摻水集油工藝總能耗影響因素關(guān)聯(lián)度計(jì)算及排序

3 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了雙管摻水集油能耗測(cè)試模型并進(jìn)行了計(jì)算，分析了能耗與各生產(chǎn)參數(shù)之間的關(guān)系，研究了高能耗產(chǎn)生的主要原因。利用測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)影響因素進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)分析，得到了影響雙管摻水集油工藝總能耗的因素從大到小的排序，計(jì)算結(jié)果可為降低集油能耗提供理論依據(jù)。