基于模糊層次分析的注水系統(tǒng)能耗主控因素確定方法

阮 巖，寧俊鋒

(1.陜西省油氣井測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065； 2.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

引 言

注水采油是一種常見的原油開采方式，通過注水來維持地層壓力穩(wěn)定以提高原油采收率[1-2]。隨著我國油田進(jìn)入開采后期，注水量逐漸增大，注水費(fèi)用和成本也大幅增加，現(xiàn)階段注水系統(tǒng)耗電量約占油田總耗電量的33%～56%，因此降低注水系統(tǒng)能耗對油田節(jié)能降本具有重要的意義[3-4]。

要降低注水系統(tǒng)能耗，首先就要明確影響注水系統(tǒng)能耗的主要因素，以便有針對性地對注水系統(tǒng)進(jìn)行管理和改造?，F(xiàn)階段確定注水系統(tǒng)能耗影響因素的方法有以下兩種，一種是利用已有的注水系統(tǒng)能耗評價(jià)體系對現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與評價(jià)，針對能耗大的環(huán)節(jié)分析其影響因素[5-7]；另一種是根據(jù)注水系統(tǒng)各部分的能耗來源從理論上定性分析相應(yīng)的能耗影響因素[8-9]。以上方法分析了注水系統(tǒng)能耗的分布以及相關(guān)影響因素，其中有些因素可以進(jìn)行定量分析，但有些因素?zé)o法定量，最終對于能耗影響因素大小只能依據(jù)評價(jià)指標(biāo)作出粗略排序，沒有細(xì)化到對所有影響因素的重要程度作出評判。

而模糊層次分析法則可以通過結(jié)合行業(yè)專家經(jīng)驗(yàn)和數(shù)學(xué)運(yùn)算解決難以用定量方法分析的復(fù)雜問題。該方法在評判電力通訊網(wǎng)可靠性影響因素[10]、煤礦坑道鉆機(jī)夾持機(jī)構(gòu)中卡瓦強(qiáng)度的影響因素[11]以及3D打印技術(shù)在建筑業(yè)發(fā)展中的影響因素[12]等方面的研究中取得了較好的應(yīng)用效果。為此，本文將采用模糊層次分析法確定注水系統(tǒng)能耗主控因素，為注水系統(tǒng)的日常管理和優(yōu)化改造提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 注水系統(tǒng)能耗影響因素分析

注水系統(tǒng)能耗影響因素的確定首先從分析注水系統(tǒng)工藝流程開始，找出能量流失的節(jié)點(diǎn)，再對各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行歸類分層。

在油田注水系統(tǒng)中水源經(jīng)過注水泵增壓，通過注水管線傳輸?shù)骄?，為地層注入能量以保證采油效率。注水系統(tǒng)的輸入能量為電動(dòng)機(jī)輸入能量，在注水過程中存在設(shè)備損耗、管線摩阻、閥門節(jié)流等能量損失，系統(tǒng)的有效能量為注入井下的能量。注水系統(tǒng)的能量流向[6]如圖1所示。

圖1 注水系統(tǒng)能量流向Fig.1 Energy flow direction diagram of water injection system

由圖1可知，注水系統(tǒng)能耗的影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，為了方便進(jìn)一步分析，建立注水系統(tǒng)能耗影響因素分層模型，模型分為3層，即目標(biāo)層、類別層和因素層，如圖2所示。

圖2 注水系統(tǒng)能耗影響因素多層次結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Multi-level structure model of energy consumption influencing factors of water injection system

通過分析能量流向圖可知，其能量損失來源主要包括3個(gè)部分：泵機(jī)組損失(S1)、管線損失(S2)和閥控?fù)p失(S3)，下面對造成各部分損失的影響因素作出分析。

泵機(jī)組損失(S1)的主要影響因素：(1)電機(jī)類型(T11)。當(dāng)選用的電機(jī)功率大于所需的功率時(shí)會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，致使電機(jī)的內(nèi)耗過大；(2)注水泵類型(T12)[13]。注水泵選擇不合理，會(huì)增加電能的損耗；(3)注水泵控制方案(T13)。為提高注水系統(tǒng)的泵效，相關(guān)節(jié)能技術(shù)有高效泵技術(shù)、階梯泵技術(shù)、撤級改造、車削葉輪、注水泵調(diào)速[14]、泵控泵技術(shù)等。選擇合適的注水泵控制方案，對于降低注水系統(tǒng)能耗至關(guān)重要；(4)人為因素(T14)。注水設(shè)備一般使用時(shí)間都比較長，需要工人定期保養(yǎng)。

管線損失(S2)的主要影響因素：(1)管線長度(T21)。注水系統(tǒng)注水半徑過大，會(huì)增加管線壓降損失；(2)管線摩阻(T22)[15]。注水管線長時(shí)間運(yùn)行，會(huì)存在結(jié)垢和腐蝕現(xiàn)象，造成管徑變小，摩阻增大，導(dǎo)致管線壓降損失增大；(3)管線管徑(T23)[16]。油田注水系統(tǒng)各種規(guī)格管線都有其相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)流速，但隨著系統(tǒng)的擴(kuò)建，流速增大，舊管線管徑不再適合現(xiàn)在的注水系統(tǒng)；(4)人為因素(T24)。管線需要定期進(jìn)行相應(yīng)的保養(yǎng)與維修，比如潤滑、緊固等。

閥控?fù)p失(S3)的主要影響因素：(1)注水模式(T31)[17]。根據(jù)井口壓力分布情況選擇不同的注水模式，如：分壓注水、局部增壓；(2)井口壓力差異(T32)[18]。在實(shí)際生產(chǎn)中，不同的注水井所需的注水壓力不同，為使每口井都能完成配注，注水系統(tǒng)壓力要滿足注水井的最高注水壓力，那么注水壓力較低的井就依靠調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)注水壓力，這樣就造成了閥控?fù)p失；(3)人為因素(T33)。配水間內(nèi)閥門損壞。

建立的能耗影響因素分層模型為后續(xù)模糊層次分析法的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

2 采用模糊層次分析法確定主控因素

明確了注水系統(tǒng)能耗的影響因素，需要進(jìn)一步研究哪些是主要影響因素，哪些是次要影響因素，文中將利用模糊層次分析法確定注水系統(tǒng)能耗的主控因素。

模糊層次分析法的實(shí)質(zhì)是對注水系統(tǒng)能耗進(jìn)行定量和定性的分析，依據(jù)圖2所建立的能耗影響因素分層模型，對類別層的能耗損失進(jìn)行定量分析，計(jì)算各影響因素的權(quán)重。具體步驟如下：

(1)計(jì)算注水系統(tǒng)各部分能量損失的隸屬度；

(2)依據(jù)兩兩影響因素之間的重要程度，按表1所示的標(biāo)度方法，建立注水系統(tǒng)能耗影響因素的模糊關(guān)系矩陣和模糊一致矩陣；

(3)依據(jù)模糊一致矩陣，通過按行求和歸一化法確定能耗影響因素的單層權(quán)重；

(4)結(jié)合能耗損失隸屬度和影響因素單層權(quán)重求解影響因素綜合權(quán)重。

表1 因素間的重要程度Tab.1 Importance relation between factors

2.1 求解注水系統(tǒng)能耗的隸屬度

由于油田注水系統(tǒng)不同能耗的權(quán)重不同，無法對注水系統(tǒng)能耗的各個(gè)影響因素進(jìn)行比較，需要把各影響因素放在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行分析，因此對各部分損失的隸屬度進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[19]?；谧⑺到y(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計(jì)算方法》[20]計(jì)算注水系統(tǒng)能量損失i的功率損失，再進(jìn)一步計(jì)算能量損失i的隸屬度：

(1)

式中：ei為能量損失i的隸屬度；Pi為能量損失i的功率損失，kW；P為注水系統(tǒng)輸入功率，kW。

對不同注水系統(tǒng)的能耗進(jìn)行分析時(shí)，采用的隸屬度值ei取值范圍為(0，1)，注水系統(tǒng)中該部分能耗越大，相應(yīng)的其隸屬度值ei就越大。

注水系統(tǒng)能耗的隸屬度矩陣E由隸屬度值ei構(gòu)成，能耗主要有3類，因此注水系統(tǒng)的隸屬度矩陣

E=[e1,e2,e3]。

2.2 確定能耗影響因素的單層權(quán)重

在模糊互補(bǔ)矩陣評判過程中，由于受知識(shí)結(jié)構(gòu)、評判水平和自身偏好等眾多因素的影響，評判質(zhì)量必定存在差異。為了使評價(jià)結(jié)果具有科學(xué)性，本文通過對多個(gè)油田注水單位的專家調(diào)研獲取了對各影響因素的重要程度的評判，綜合考慮后確定了模糊互補(bǔ)矩陣，見表2—表4。表2為泵機(jī)組損失下影響因素的模糊互補(bǔ)矩陣，記為S1-T1；表3為管線損失下影響因素的模糊互補(bǔ)矩陣，記為S2-T2；表4為閥控?fù)p失下影響因素的模糊互補(bǔ)矩陣，記為S3-T3，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以此保證模糊互補(bǔ)矩陣的合理性。由于閥控?fù)p失主要有3種影響因素，這就造成了各部分能耗所對應(yīng)的影響因素個(gè)數(shù)不同，導(dǎo)致最后計(jì)算的權(quán)重失衡，因此引入一個(gè)無意義B元素，所有元素與其相比較，用0.500為標(biāo)度[9]。

表2 S1-T1模糊互補(bǔ)矩陣Tab.2 S1-T1 fuzzy complementary matrix

表3 S2- T2模糊互補(bǔ)矩陣Tab.3 S2-T2 fuzzy complementary matrix

表4 S3- T3模糊互補(bǔ)矩陣Tab.4 S3-T3 fuzzy complementary matrix

根據(jù)以上得到的模糊互補(bǔ)矩陣，按照參考文獻(xiàn)[21]提供的方法，求解注水系統(tǒng)能耗影響因素的模糊一致矩陣并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，其結(jié)果符合一致性要求，則模糊互補(bǔ)矩陣評判合理，結(jié)果見表5—表7。

表5 S1- T1模糊一致矩陣Tab.5 S1-T1 fuzzy consistent matrix

表6 S2- T2模糊一致矩陣及計(jì)算結(jié)果Tab.6 S2-T2 fuzzy consistent matrix

表7 S3- T3模糊一致矩陣及計(jì)算結(jié)果Tab.7 S3-T3 fuzzy consistent matrix and calculation result

根據(jù)文獻(xiàn)[22]所提供的按行求和歸一化法計(jì)算各因素層元素相對于上一層的單層權(quán)重矩陣，起到平衡作用的B元素不在計(jì)算元素之內(nèi)。泵機(jī)組損失下的各影響因素相對于泵機(jī)組損失的單層權(quán)重矩陣記為W1，管線損失下的各影響因素相對于管線損失的單層權(quán)重矩陣記為W2，閥控?fù)p失下的各影響因素相對于閥控?fù)p失的單層權(quán)重矩陣記為W3，其結(jié)果分別為：

W1=[0.280 3 0.312 5 0.243 6 0.172 0],

W2=[0.264 5 0.284 3 0.240 4 0.215 8],

W3=[0.294 9 0.250 1 0.194 1]。

2.3 確定能耗影響因素的綜合權(quán)重

注水系統(tǒng)能耗影響因素主次的評判可根據(jù)其綜合權(quán)重值得到，綜合權(quán)重根據(jù)

Ui=eiWi

(2)

計(jì)算。式中：Ui為能量損失i下的各影響因素綜合權(quán)重矩陣；ei為能量損失i的隸屬度；Wi為能量損失i的各影響因素相對于能量損失i的權(quán)重矩陣。

綜合權(quán)重矩陣Ui反映的是注水系統(tǒng)中能量損失i下的各影響因素的權(quán)重大小，其值越大代表該因素對注水系統(tǒng)的能耗影響越大。同一注水系統(tǒng)中不同影響因素的綜合權(quán)重值進(jìn)行對比可以得出注水系統(tǒng)能耗的主控因素；不同注水系統(tǒng)同一影響因素的綜合權(quán)重值進(jìn)行對比，可以得到不同注水系統(tǒng)的能耗情況差異；注水系統(tǒng)同一影響因素不同年份的綜合權(quán)重值進(jìn)行對比，可以得到注水系統(tǒng)的能耗趨勢，預(yù)測可能出現(xiàn)的故障，提前維護(hù)。

3 X油田注水系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

以X油田3個(gè)注水系統(tǒng)為例，應(yīng)用上述建立的注水系統(tǒng)能耗影響因素的分層模型，并依據(jù)給出的能耗主控因素的模糊層次分析法，確定各系統(tǒng)的能耗主控因素。

根據(jù)X油田Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個(gè)注水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算其能耗，結(jié)果見表8。

表8 X油田注水系統(tǒng)能耗Tab.8 Energy consumption statistics of water injection system of X oilfield

根據(jù)式(1)計(jì)算各注水系統(tǒng)能耗的隸屬度矩陣，E1為注水系統(tǒng)Ⅰ能耗的隸屬度矩陣，E2為注水系統(tǒng)Ⅱ能耗的隸屬度矩陣，E3為注水系統(tǒng)Ⅲ能耗的隸屬度矩陣：

E1=[0.284 40.114 20.078 2],

E2=[0.209 20.045 30.099 7],

E3=[0.222 70.019 00.314 0]。

由得到的各注水系統(tǒng)能耗的隸屬度矩陣E1、E2、E3與單層權(quán)重矩陣W1、W2、W3，根據(jù)式(2)，計(jì)算得到注水系統(tǒng)Ⅰ、注水系統(tǒng)Ⅱ和注水系統(tǒng)Ⅲ能耗的各影響因素的綜合權(quán)重矩陣。其計(jì)算結(jié)果如下：

(1)注水系統(tǒng)Ⅰ能耗的各影響因素的綜合權(quán)重值矩陣：

U1=[0.079 70.088 90.069 30.048 9],

U2=[0.030 20.032 50.027 50.024 6],

U3=[0.023 10.019 60.015 2]。

(2)注水系統(tǒng)Ⅱ能耗的各影響因素的綜合權(quán)重矩陣：

U1=[0.058 60.065 40.051 00.036 0],

U2=[0.012 00.012 90.010 90.009 8],

U3=[0.029 40.024 90.019 4]。

(3)注水系統(tǒng)Ⅲ能耗的各影響因素的綜合權(quán)重矩陣：

U1=[0.062 40.069 60.054 20.038 3],

U2=[0.005 00.005 40.004 60.004 1],

U3=[0.092 60.078 50.060 9]。

將注水系統(tǒng)Ⅰ、注水系統(tǒng)Ⅱ和注水系統(tǒng)Ⅲ的計(jì)算結(jié)果匯總，見表9。

表9 X油田注水系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ能耗的影響因素綜合權(quán)重值Tab.9 Comprehensive weight values of influencing factors of 3 water injection systems in X oilfield

根據(jù)表9，繪制各部分損失影響因素綜合權(quán)重的占比圖，如圖3所示。在泵機(jī)組損失中注水泵類型(T12)的影響最大，主要是因?yàn)楦鶕?jù)注水量選擇合適的注水泵，當(dāng)選擇不合理時(shí)，泵效不能處于最佳工作點(diǎn)，這樣既造成能量的損失，還會(huì)增大管網(wǎng)閥控，造成注水系統(tǒng)效率低；在管線損失中管線摩阻(T22)的影響最大，管線經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行出現(xiàn)的穿孔、阻塞、腐蝕等現(xiàn)象是造成能耗增大的主要原因；在閥控?fù)p失中注水模式(T31)影響因素最大，為了滿足所有注水井的注水壓力，導(dǎo)致泵站出口壓力很大，造成大量能量損失，選擇合適的注水模式是有效的節(jié)能方法。

圖3 不同損失下影響因素的權(quán)重占比Fig.3 Weight proportion chart of influencing factors under different losses

根據(jù)表9，分析注水系統(tǒng)Ⅰ能耗的主要影響因素是電機(jī)類型(T11)、泵類型(T12)、注水泵控制方案(T13)、泵站運(yùn)營的人為因素(T14)、管線摩阻(T22)和管線長度(T21)。因此對該注水系統(tǒng)要注重泵站的管理，分析研究注水站的設(shè)備情況，對不匹配的設(shè)備及時(shí)維修更換，使用節(jié)能技術(shù)，加強(qiáng)泵站的日常維護(hù)，積極對工作人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)。

通過注水系統(tǒng)Ⅰ、注水系統(tǒng)Ⅱ和注水系統(tǒng)Ⅲ能耗的各影響因素的綜合權(quán)重值比較發(fā)現(xiàn)：(1)相對于注水系統(tǒng)Ⅱ和Ⅲ，注水系統(tǒng)Ⅰ管線損失的相關(guān)影響因素(T21、T22、T23、T24)對注水系統(tǒng)能耗的影響較大，因此對注水系統(tǒng)Ⅰ可以采取更換管線，管線清洗，線路檢查等措施來定位能耗的主要來源；(2)相對于注水系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ,注水系統(tǒng)Ⅲ閥控?fù)p失的相關(guān)影響因素對注水系統(tǒng)的能耗影響較大，可以從管線的注水模式來分析，針對井口分布情況采取局部增壓或者分壓注水以減小閥控?fù)p失。

4 結(jié) 論

(1)明確了注水系統(tǒng)能量流向，并把損失的能量分為泵機(jī)組損失、管線損失和閥控?fù)p失3部分，分析了造成各部分的影響因素，建立了注水系統(tǒng)能耗影響因素的分層模型。

(2)提出了基于模糊層次分析法的注水系統(tǒng)能耗主控因素確定方法，構(gòu)建了注水系統(tǒng)能耗的隸屬度函數(shù)、模糊互補(bǔ)矩陣，得到了注水系統(tǒng)能耗影響因素的綜合權(quán)重值。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用表明，所建立的分層模型和給出的模糊層次分析方法合理有效，使用該方法得到了各注水系統(tǒng)影響因素大小的排序，便于針對性地對注水系統(tǒng)進(jìn)行管理和改造。