環(huán)狀摻水集油工藝優(yōu)化控制技術(shù)研究

管 桐，馬 玲，王丹玲，高 珊，王亞磊，陳雪梅，賈俊杰

1.華北油田工程技術(shù)研究院，河北任丘 062550

2.華北油田合作開(kāi)發(fā)項(xiàng)目部，河北任丘 062550

3.華北油田江蘇儲(chǔ)氣庫(kù)分公司，江蘇鎮(zhèn)江 212000

4.華北油田第一采油廠，河北任丘 062550

華北油田歷時(shí)四十多年的發(fā)展，目前已經(jīng)進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，產(chǎn)量減少，能耗增加，原油的黏度、凝固點(diǎn)、含蠟量都比較高[1]，原有的集油模式與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀不匹配[2-3]。環(huán)狀摻水集油工藝的基礎(chǔ)投資較低、運(yùn)行事故率低且便于管理，在華北油田得到規(guī)模性的應(yīng)用[4]，但在實(shí)際應(yīng)用中該流程存在平均單井摻水量大、集輸能耗高、影響因素多等缺點(diǎn)[5-6]，需進(jìn)一步優(yōu)化集油參數(shù)以降低投資并保障集輸平穩(wěn)運(yùn)行。

隨著近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及油田數(shù)字化程度的提高，截止到2019年底，華北油田70%的生產(chǎn)區(qū)塊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[7]。本文選取了已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建設(shè)的華北油田A區(qū)塊，通過(guò)對(duì)環(huán)狀摻水集油工藝參數(shù)的優(yōu)化及智能控制，實(shí)現(xiàn)了摻水工藝的自動(dòng)調(diào)控，為系統(tǒng)安全、平穩(wěn)、低耗運(yùn)行提供了保障。

1 環(huán)狀摻水集油工藝參數(shù)優(yōu)化

1.1 建立摻水工藝能耗優(yōu)化模型

本文以摻水溫度、摻水量為設(shè)計(jì)變量[8]，以井口回壓小于1.5 MPa、回液溫度高于原油凝固點(diǎn)為約束條件，以系統(tǒng)最低能耗作為目標(biāo)函數(shù)，建立如下能耗優(yōu)化模型：

式中：E為系統(tǒng)單日能耗，kJ/d；ET為系統(tǒng)日熱力能耗，kJ/d；EP為系統(tǒng)日動(dòng)力能耗，kJ/d；Pm為端點(diǎn)井的井口壓力，MPa；Tm為回液溫度，℃；T凝為原油的凝點(diǎn)溫度，℃。

1.2 集輸管道溫降計(jì)算

采用蘇霍夫溫降公式計(jì)算[9-11]：

式中：TL為距起點(diǎn)L處的溫度，℃；T0為埋地管道中心埋深處的自然地溫，℃；TQ為管道起點(diǎn)處液體的溫度，℃；L為管道長(zhǎng)度，m；D為管道外徑，m；G為油水混合物質(zhì)量流量，kg/s；C為油水混合物的比熱容，J/（kg·℃）；K為管道總傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）

1.3 集輸管道壓降計(jì)算

因摻水間到集油環(huán)第1口井的摻水管道內(nèi)介質(zhì)為水，屬輸送單相介質(zhì)的管道，因此建立壓降計(jì)算公式如下：

式中：he為沿程摩阻損失，m；hε為局部摩阻損失，m，一般忽略計(jì)算；P1、P2為起點(diǎn)、終點(diǎn)壓力，MPa。

其余集油管道內(nèi)介質(zhì)均為油氣水三相，在這里不考慮氣相傳輸，利用紊流光滑區(qū)的列賓宗公式：

式中：λ為氣液混輸水力摩阻系數(shù)，無(wú)因次；ν為原油的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；L為管道長(zhǎng)度，m；D為管道外徑，m。

2 環(huán)狀摻水集油工藝智能控制系統(tǒng)

2.1 環(huán)狀摻水集油工藝智能優(yōu)化控制軟件

智能優(yōu)化控制軟件采用了后臺(tái)軟件+前臺(tái)軟件的形式，后臺(tái)采用了自主編制的能耗優(yōu)化軟件對(duì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，前端采用Intouch組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)展示。

后臺(tái)能耗優(yōu)化軟件采用C#進(jìn)行編制，依據(jù)環(huán)狀摻水能耗優(yōu)化模型，計(jì)算約束條件下能耗最低的摻水溫度和摻水量，并將計(jì)算結(jié)果傳輸給前端組態(tài)軟件展示。該軟件主要包括管道數(shù)據(jù)輸入、油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)讀取、模型校對(duì)以及優(yōu)化摻水參數(shù)模塊。管道數(shù)據(jù)輸入包括管道的型號(hào)、內(nèi)外徑、長(zhǎng)度、壁厚等；油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)輸入包括產(chǎn)出液的密度、含水率、地溫等；模型校對(duì)主要為模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的對(duì)比，以此降低模型計(jì)算結(jié)果的誤差；優(yōu)化摻水參數(shù)主要為摻水量和摻水溫度。能耗優(yōu)化軟件示意如圖1所示。

圖1 能耗優(yōu)化軟件示意

前端Intouch組態(tài)軟件承擔(dān)摻水集油數(shù)據(jù)展示及數(shù)據(jù)交互，展示各站的環(huán)狀摻水、集油工藝優(yōu)化前、后的摻水?dāng)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)摻水集油參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖2所示。根據(jù)每個(gè)摻水環(huán)串聯(lián)油井的數(shù)量、油井產(chǎn)液量、地溫等數(shù)據(jù)，以“一環(huán)一法”的原則，為每個(gè)摻水環(huán)設(shè)計(jì)調(diào)控策略，并對(duì)當(dāng)前摻水集油工藝的參數(shù)進(jìn)行智能調(diào)控。

2.2 環(huán)狀摻水集油工藝智能優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要借助已建的油田井站數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，采集站內(nèi)各個(gè)摻水環(huán)進(jìn)出口壓力、溫度、流量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后利用環(huán)狀摻水能耗優(yōu)化軟件計(jì)算能耗最優(yōu)的摻水量及摻水溫度。油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)控策略是根據(jù)季節(jié)將摻水溫度和回液溫度設(shè)為固定值，然后根據(jù)摻水管道壓力波動(dòng)差、摻水量和回液量波動(dòng)差，通過(guò)組態(tài)軟件向站內(nèi)數(shù)據(jù)采集的PLC發(fā)送調(diào)控指令，調(diào)節(jié)摻水泵的頻率，從而達(dá)到調(diào)控?fù)剿康哪康模瑢?shí)現(xiàn)摻水集油環(huán)的智能調(diào)控，如圖3所示。

圖2 組態(tài)軟件界面

環(huán)狀摻水集油工藝調(diào)控系統(tǒng)是一種典型的非線性且滯后的系統(tǒng)?？紤]到摻水環(huán)實(shí)際調(diào)控中模糊控制實(shí)現(xiàn)的可操作性和有效性，選用了智能控制中的模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)摻水環(huán)中摻水量的調(diào)控。模糊控制算法原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

模糊控制器通過(guò)摻水環(huán)回液溫度（T）對(duì)管道集油狀態(tài)及工況作出判斷，將摻水環(huán)管道壓力波動(dòng)差（P）、摻水量變化量（Q）和摻水泵頻率（F） 分別用7個(gè)模糊集來(lái)描述，即用“正大”“正中”“正小”“零”“負(fù)小”“負(fù)中”“負(fù)大”7種狀態(tài)來(lái)描述。摻水環(huán)的控制對(duì)象是摻水泵的頻率，“正大”表示將頻率調(diào)為50 Hz泵全速運(yùn)行，即摻水量最大；“零”表示將頻率調(diào)為25 Hz，即摻水量至中；“負(fù)大”表示將頻率調(diào)為0 Hz（泵關(guān)停），即摻水量為零；其他狀態(tài)依此類推。

圖3 摻水集油工藝參數(shù)優(yōu)化控制流程

控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制由西門(mén)子S7-1500 PLC完成。摻水溫度設(shè)定值通過(guò)Profibus-DP總線傳送給模糊控制器，模糊控制器完成管道壓力波動(dòng)差和摻水量變化量的模糊化計(jì)算，控制摻水泵的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)摻水環(huán)摻水量的控制。

環(huán)狀摻水模糊控制器投入使用后，該控制器在解決環(huán)狀摻水量調(diào)節(jié)、環(huán)回液溫度滯后和時(shí)變性控制系統(tǒng)時(shí)，總體控制性能較好，環(huán)回液溫度的動(dòng)態(tài)特性較快，如圖5所示?？刂破魍ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)摻水量，可使摻水環(huán)回液溫度高于原油凝固點(diǎn)，平穩(wěn)安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了環(huán)狀摻水集油工藝的控制要求。

圖4 模糊控制算法原理結(jié)構(gòu)

圖5 環(huán)狀摻水集油工藝模糊控制器環(huán)回液溫度曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

選取已建數(shù)字化系統(tǒng)的A聯(lián)合站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該站共有7個(gè)摻水環(huán)，串聯(lián)46口油井，優(yōu)化前夏季的摻水溫度為60℃、回液溫度為45℃；冬季的摻水溫度為70℃、回液溫度為49℃，原油凝點(diǎn)為35℃。由于站內(nèi)其他工藝流程需要加熱爐供熱，為保證站內(nèi)其他工藝不受影響，在對(duì)摻水集油現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)不調(diào)整加熱爐的溫度，即摻水溫度不優(yōu)化，只優(yōu)化摻水量。依據(jù)夏季、冬季各摻水環(huán)不同的摻水量，計(jì)算得到各環(huán)最優(yōu)摻水量，并計(jì)算各環(huán)優(yōu)化的運(yùn)行費(fèi)用，如表1、表2所示。

表1 夏季各環(huán)優(yōu)化前后參數(shù)

由表1和表2可以看到，將回液溫度設(shè)定為原油凝點(diǎn)，在夏季A站可以節(jié)約摻水集油運(yùn)行費(fèi)用1 797.93元/d；在冬季A站可以節(jié)約摻水集油運(yùn)行費(fèi)用4 176.83元/d。

4 結(jié)論

建立環(huán)狀摻水集油能耗優(yōu)化模型，采用C#編制環(huán)狀摻水集油能耗優(yōu)化軟件，并以此計(jì)算摻水集油工藝在安全、穩(wěn)定運(yùn)行下最低的摻水參數(shù)，依托油田數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，自主制定摻水環(huán)智能調(diào)控原則，利用模糊控制算法構(gòu)建了油田環(huán)狀摻水集油優(yōu)化控制系統(tǒng)，并在A聯(lián)合站進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了以最低能耗為目標(biāo)的摻水溫度和摻水量的自動(dòng)調(diào)控，降低了摻水費(fèi)用，為華北油田地面建設(shè)的優(yōu)化簡(jiǎn)化奠定基礎(chǔ)。

表2 冬季各環(huán)優(yōu)化前參數(shù)