油田注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)及輔助決策技術(shù)研究與應(yīng)用

劉書(shū)孟 苗寶林 婁志東 齊廣明 孫冰 孫鳳鳴

（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠(chǎng)）

油田同一注水系統(tǒng)中的注水井往往分屬不同的開(kāi)發(fā)層系，因地質(zhì)構(gòu)造不同，不同層系注水井吸水壓力存在差異。在注水生產(chǎn)中，為保證吸水壓力高的注水井完成配注量，注水泵壓力以滿(mǎn)足高壓井注水為條件，而對(duì)于系統(tǒng)中吸水壓力低的注水井用閘門(mén)控制注水量，節(jié)流損失很大，增加了注水系統(tǒng)能耗。為此，應(yīng)用多種技術(shù)和管理措施，以提高注水泵效率及注水管網(wǎng)效率[1]，主要包括分壓注水[2-4]，注水泵換泵芯[5-6]、變頻調(diào)速[7-8]以及調(diào)整注水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)[9]等。由于油田開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)調(diào)整和注水需求變化，導(dǎo)致注水系統(tǒng)運(yùn)行條件相應(yīng)改變，需要開(kāi)展油田注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)與輔助決策技術(shù)研究，分析注水系統(tǒng)能耗狀況和節(jié)能潛力，制定有針對(duì)性技術(shù)管理措施，優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行，降低注水能耗。

1 技術(shù)開(kāi)發(fā)架構(gòu)

分析油田注水工藝流程，依據(jù)能量平衡方法研究建立不同注水環(huán)節(jié)能量平衡模型，給出合理的能耗分析與評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用軟件工程學(xué)方法研制油田注水系統(tǒng)能耗分析與評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)。

1.1 建立注水系統(tǒng)能耗平衡模型

根據(jù)注水工藝流程，依據(jù)能量平衡原理建立注水系統(tǒng)（從注水站至注水井井口閥注水系統(tǒng)，不包括井下部分）能量平衡分析模型見(jiàn)圖1，進(jìn)而確定相應(yīng)能耗評(píng)價(jià)及分析指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 能耗評(píng)價(jià)及分析指標(biāo)明細(xì)Tab.1 List of energy consumption evaluation and analysis indicators

圖1 注水系統(tǒng)能量平衡模型Fig.1 Energy balance model of water injection system

能量平衡方程為：

式中：Ed為輸入電動(dòng)機(jī)能量，kWh；Ebw為注水泵入口水流帶入能量，kWh；Eu為經(jīng)過(guò)注水管網(wǎng)的注入水帶走能量，kWh；Egs為管網(wǎng)損失能量，包括管線(xiàn)和注水閥組損失能量，kWh；Eds為電動(dòng)機(jī)損失能量，kWh；Ebs為水泵損失能量，kWh。

1.2 空間數(shù)據(jù)模型

1）在空間數(shù)據(jù)模型中直觀展示注水站、注水井、注入站、注劑井、配水間、注水管線(xiàn)、注劑管線(xiàn)的空間分布狀況，動(dòng)態(tài)展示指定坐標(biāo)點(diǎn)處空間要素的靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息。

2）空間數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、存儲(chǔ)方式。確定油田數(shù)據(jù)庫(kù)參與計(jì)算的數(shù)據(jù)視圖，通過(guò)關(guān)鍵字段建立空間數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

3）生產(chǎn)數(shù)據(jù)描述與對(duì)比分析內(nèi)容。按年度、月度、日期對(duì)比曲線(xiàn)，查詢(xún)選項(xiàng)包括全廠(chǎng)、所屬作業(yè)區(qū)、所屬注水站、水質(zhì)、泵號(hào)（井號(hào)）、開(kāi)始日期、結(jié)束日期、統(tǒng)計(jì)方式（按年、月、日），進(jìn)行同比或環(huán)比分析，查詢(xún)結(jié)果形成用曲線(xiàn)形式展示。

4）注水能耗評(píng)價(jià)。對(duì)注水泵機(jī)組、注水站、作業(yè)區(qū)和全廠(chǎng)注水系統(tǒng)能耗情況進(jìn)行計(jì)算，并依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與提示。

5）輔助決策。開(kāi)展注水站機(jī)泵運(yùn)行方案和參數(shù)優(yōu)化、壓降潛力分析、注水井隸屬關(guān)系分析等工作，找出系統(tǒng)用能存在的薄弱環(huán)節(jié)和挖潛方向，推薦注水系統(tǒng)運(yùn)行方案。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

油田注水系統(tǒng)能耗分析與輔助決策系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)構(gòu)架分為五層：數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表現(xiàn)層和用戶(hù)層。該系統(tǒng)能夠充分利用油田數(shù)據(jù)庫(kù)資源，并與ArcGIS、Excel等應(yīng)用軟件有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)圖形與靜態(tài)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的交互操作、注水系統(tǒng)能耗分析與評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表輸出等多種功能。

2.2 注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)

應(yīng)用GDI+繪圖技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)效率統(tǒng)計(jì)柱狀圖、注水站能損分布圖、注水系統(tǒng)能耗分布圖、注水系統(tǒng)能量構(gòu)成圖等圖形。提供直觀的能耗分布情況展示方式，為準(zhǔn)確掌握注水系統(tǒng)能耗分布情況，輔助科學(xué)決策提供依據(jù)。

2.3 注水系統(tǒng)運(yùn)行方案輔助決策技術(shù)

1）首先通過(guò)生產(chǎn)曲線(xiàn)廣泛查詢(xún)，發(fā)現(xiàn)某一參數(shù)異常。曲線(xiàn)顯示數(shù)據(jù)偏高。利用能耗模型進(jìn)行能耗計(jì)算。發(fā)現(xiàn)當(dāng)日該站4#注水泵效率為62.45%，未達(dá)到節(jié)能限定值（≥68%）標(biāo)準(zhǔn)。導(dǎo)致和泵運(yùn)行工況段差注水泵單耗偏高。

2）對(duì)該站注水量，執(zhí)行開(kāi)泵方案最優(yōu)化選取。注水站最優(yōu)化機(jī)泵運(yùn)行方案。選擇注水站名稱(chēng)，然后根據(jù)日期范圍或者水量波動(dòng)范圍，按照站出口壓力從小到大進(jìn)行排序，列出符合條件的泵執(zhí)行開(kāi)關(guān)方案。

機(jī)泵參數(shù)優(yōu)化?？梢赃x擇注水站名稱(chēng)和注水泵編號(hào)，計(jì)算出該機(jī)泵對(duì)應(yīng)的各種參數(shù)方案。計(jì)算結(jié)果按照標(biāo)耗[10]從小到大進(jìn)行排列，可以將結(jié)果導(dǎo)出。

對(duì)該站的3種優(yōu)化開(kāi)泵方案，分別標(biāo)出站出口壓力、泵水量、單耗、標(biāo)耗，為管理人員做出最終處理提供依據(jù)。根據(jù)優(yōu)化數(shù)據(jù)，在該水量范圍內(nèi)，建議運(yùn)行1#泵，停運(yùn)4#泵，單耗可降低0.66 kWh/m3，日節(jié)電4 219 kWh。

3 應(yīng)用情況

應(yīng)用該軟件系統(tǒng)對(duì)注水系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)部分注水站泵管壓差偏大、泵效偏低、泵水單耗偏高，導(dǎo)致機(jī)組效率或節(jié)流損失率未達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求，提出對(duì)注水站的注水泵按不同水質(zhì)管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，平衡管網(wǎng)壓力，通過(guò)減少注水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)和運(yùn)行低耗高效注水泵實(shí)現(xiàn)注水泵優(yōu)化運(yùn)行的決策建議。實(shí)施的調(diào)整措施包括：對(duì)5座注水站在注水量保持基本穩(wěn)定的情況下優(yōu)化開(kāi)泵方案；同時(shí)，針對(duì)區(qū)域管網(wǎng)水量波動(dòng)情況，對(duì)3座注水站進(jìn)行臨時(shí)性調(diào)整和季節(jié)性調(diào)整。注水站優(yōu)化運(yùn)行調(diào)整措施情況見(jiàn)表2。

表2 注水站優(yōu)化運(yùn)行調(diào)整措施情況Tab.2 Statistical table of adjustment measures for optimal operation of water injection station

5座注水站開(kāi)展機(jī)泵優(yōu)化運(yùn)行調(diào)整，節(jié)電128.31×104kWh，3座注水站通過(guò)臨時(shí)性調(diào)整、夏季停注工作，進(jìn)行注水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)整，節(jié)電384.06×104kWh。實(shí)施期間，節(jié)電量合計(jì)512.37×104kWh。

4 結(jié)論

1）通過(guò)全面分析油田注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)與輔助決策技術(shù)需求，確定了空間數(shù)據(jù)模型等相關(guān)結(jié)構(gòu)和能耗評(píng)價(jià)模型，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)功能模塊，形成了油田注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)與輔助決策技術(shù)。

2）依托生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可對(duì)整個(gè)注水系統(tǒng)進(jìn)行全方位能耗評(píng)價(jià)，對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，進(jìn)行同比和環(huán)比分析，分析注水站優(yōu)化運(yùn)行方案，為注水生產(chǎn)精細(xì)化管理及評(píng)估決策提供依據(jù)。

3）油田注水系統(tǒng)能耗分析和輔助決策系統(tǒng)與油田數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)共享，支持外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入和內(nèi)部數(shù)據(jù)導(dǎo)出，方便數(shù)據(jù)交換，提高了數(shù)據(jù)時(shí)效性和可靠性，具有較好推廣應(yīng)用前景。