基于可比能耗的稠油油田能耗評價模型研究

摘 要 為解決現(xiàn)有統(tǒng)計指標難以準確評價稠油油田用能水平的問題，開展使用可比能耗指標進行稠油油田能耗評價研究。采用熵權法、主成分分析法和組合賦權法確定稠油油田各生產(chǎn)系統(tǒng)能耗的影響因子。確定各因子的可比修正系數(shù)、各生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗系數(shù)及能量因數(shù)，繼而確定油田整體能量因數(shù)并建立能耗評價模型。通過計算實例說明，能量因數(shù)越大的油田，結構越復雜?？杀饶芎脑酱蟮挠吞?，其節(jié)能潛力越大。該模型幫助油田企業(yè)更好地了解整體用能狀況并對油田企業(yè)的節(jié)能優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關鍵詞 稠油油田 可比能耗指標 能量因數(shù) 可比修正系數(shù)

中圖分類號 TE43" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2025）02?0301?08

當前節(jié)能降耗、可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為世界各國能源戰(zhàn)略的重點之一，而我國的能源狀況也日益復雜。稠油油田是我國儲量極其豐富的一種油藏，稠油具有黏度大、流動性差等特點，導致舉升和集油時所消耗的能源明顯比稀油的大[1]。因此開展能耗評價研究，采取節(jié)能措施，有利于我國油田企業(yè)降低成本，增強市場競爭力，同時也符合國際能源環(huán)境的發(fā)展方向。

孫寧通過分析油田企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀與節(jié)能要求建立了油田企業(yè)能耗評價指標體系，構建了油田企業(yè)能耗評價與預測模型[2]。李有壽詳細闡述了建立評價指標體系的七大基本原則，在深入分析塔河油田能耗現(xiàn)狀的基礎上，依照能源技術效率、能源經(jīng)濟效率和社會效率構建了包含3個子系統(tǒng)和18個指標的塔河油田評價指標體系。這些統(tǒng)計指標雖然能較為直觀地體現(xiàn)油田的耗能水平，但分類較粗放，某些指標范圍界定不清，導致統(tǒng)計數(shù)據(jù)失準[3]。張會斌確定了延長油田集輸系統(tǒng)能耗的評價指標，并應用灰色關聯(lián)分析方法對這些指標作綜合灰色關聯(lián)分析，實現(xiàn)了集輸站庫系統(tǒng)能耗的多指標的綜合評價。但在指標選取上需要衡量的標準較粗，且選取的評價指標為綜合和單耗平均值。對于一個比較復雜的系統(tǒng)來說，這些指標難以體現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各能耗影響因素之間的關聯(lián)性和相互影響程度[4]。

綜上所述，目前我國雖然建立了較為健全的油田能耗指標統(tǒng)計體系，但多為綜合性的能耗指標。此類指標都是以統(tǒng)計期內(nèi)的油田能耗總量及原油總產(chǎn)量或總產(chǎn)液量為基礎，通過簡單的計算獲得。這種統(tǒng)計較宏觀，無法反映油田開采的難易程度，也無法反映油田生產(chǎn)能耗隨油品性質(zhì)、泵掛深度等諸多客觀因素的變化關系[5]。為了滿足稠油油田生產(chǎn)能耗分析、評價的要求，需要對現(xiàn)有的能耗統(tǒng)計指標進行加深和細化，因此引入可比能耗和能量因數(shù)的概念[6]，建立稠油油田的可比能耗指標體系，幫助稠油油田企業(yè)更好地了解整體用能狀況、主要能耗問題和節(jié)能潛力。

通過調(diào)研可比能耗的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，雖然水泥、鋼鐵及煉油等行業(yè)已發(fā)展出了較為完善的可比能耗理論和計算方法[7，8]，但油氣田企業(yè)并無統(tǒng)一的可比能耗指標。因此本研究通過分析其他行業(yè)可比能耗應用現(xiàn)狀及相關計算方法，包括各行業(yè)可比能耗指標涉及的耗能工序或流程等基礎生產(chǎn)單元，為稠油油田可比能耗計算方法和能耗評價模型的構建提供借鑒。根據(jù)評價指標設計原則和實際需要將稠油油田可比能耗指標分為兩級，第1級指標為油田生產(chǎn)可比能耗，第2級指標為生產(chǎn)系統(tǒng)可比能耗。

1 確定系統(tǒng)能耗主要影響因素

稠油油田各生產(chǎn)系統(tǒng)作為主要耗能單元存在著影響其能耗的客觀因素。根據(jù)各生產(chǎn)系統(tǒng)能耗構成特點和生產(chǎn)實際運行狀況，初步確定各系統(tǒng)的能耗影響因子。通過熵權法、主成分分析法及組合賦權法計算系統(tǒng)中各項因子的影響權重，根據(jù)綜合權重的大小確定系統(tǒng)能耗的影響因素。

1.1 熵權法求因子指標權重

熵權法是一種基于信息熵理論的指標權重確定方法。通過計算各指標的信息熵來確定其權重[9，10]，指標權重表示指標在決策中所占的比重。

建立指標數(shù)據(jù)評價矩陣。

設有n組樣本，m個影響因素指標，第i個樣本的第j個指標的取值為xij，構建指標數(shù)據(jù)矩陣X：

X=（x） i=1，2，…，n，j=1，2，…，m （1）

矩陣標準化處理。

將各數(shù)據(jù)值x轉換成標準化數(shù)據(jù)值y，得到標準化判斷矩陣Y：

Y=（y） i=1，2，…，n，j=1，2，…，m （2）

轉換方式如下：

計算指標的信息熵。

因子指標的信息熵的計算公式為：

其中，g為第j個因子的特征比重，G為第j個因子指標的信息熵。

計算指標的權重。

因子指標權重的計算公式為：

1.2 主成分分析法求因子指標權重

主成分分析是利用降維的思想，將多個指標轉化為少數(shù)幾個綜合指標的多元統(tǒng)計方法[11，12]。轉化的綜合指標稱為主成分，其中每個主成分都是原始變量的線性組合，且各個主成分之間互不相關。

建立指標數(shù)據(jù)評價矩陣，并將原始數(shù)據(jù)標準化。

建立變量間的相關系數(shù)矩陣。

相關系數(shù)矩陣R=（r）的計算公式為：

其中，Y為標準化矩陣;對于矩陣R=（r）來說，r表示第i個指標與第j個指標間的相關系數(shù)。

確定特征值和特征向量。

通過下式求解矩陣R的特征值λ：

R-λE=0 （8）

其中，E表示單位向量，由此計算出的m個特征值滿足關系λ≥λ≥…≥λ≥0，且對應的特征向量為u，u，…，u，其中u=（u，u，…，u）T，由特征向量組成m個新的指標標量，即：

特征值的信息貢獻率和累計方差貢獻率為：

其中，α為第j個特征值λ的信息貢獻率，α為前p個特征值的累計方差貢獻率。當α≥80%時，則選擇前p個主成分（F，F(xiàn)，…，F(xiàn)）進行分析。

計算綜合得分系數(shù)Z：

計算第j個影響因素指標的主成分法權重ω″：

1.3 組合賦權法求因子指標的綜合權重

為了更加精準地計算因子指標的權重，充分發(fā)揮熵權法和主成分分析法的優(yōu)勢[13，14]，可采用將熵權法和主成分分析法進行組合賦權的方法計算綜合權重。

將基于熵權法求得的權重ω′與主成分分析法求得的權重ω″進行集成處理，可得到線性綜合權重ω=λω′+（1-λ）ω″，j=1，2，…，m。為得到最優(yōu)賦權系數(shù)λ，構建最優(yōu)化模型：

對最優(yōu)化對策模型關于λ求導，當一階導數(shù)的偏差平方和最小時，得到的組合賦權最優(yōu)，求解得此條件下λ=0.5。

則基于熵權法與主成分分析法的因子指標綜合權重表達式為：

2 稠油油田能耗評價模型

2.1 可比能耗計算模型

引入能量因數(shù)的概念[15，16]，可比能耗以單位能量因數(shù)能耗的形式表示。按生產(chǎn)系統(tǒng)劃分，分別計算各個生產(chǎn)系統(tǒng)的能量因數(shù)EC，繼而計算稠油油田能量因數(shù)EC。系統(tǒng)的可比能耗SEC為系統(tǒng)的單位能耗與系統(tǒng)能量因數(shù)的比值，單位為kgce/（t·能量因數(shù)）。油田的可比能耗SEC為油田的單位總能耗與油田能量因數(shù)的比值，單位為kgce/（t·能量因數(shù)）。

使用影響因素修正系數(shù)對稠油油田各系統(tǒng)的能耗系數(shù)進行修正，修正后的系統(tǒng)能耗系數(shù)即為系統(tǒng)的能量因數(shù)，各個系統(tǒng)能量因數(shù)的加和即為油田整體能量因數(shù)。則稠油油田的可比能耗計算方式見表1，單位能耗的單位kgce/t。

2.2 各生產(chǎn)系統(tǒng)能耗基準值及能耗系數(shù)的確定

能耗基準值的計算需要油田實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為支撐，面向稠油油田企業(yè)，調(diào)研收集多個稠油油田區(qū)塊至少連續(xù)3年的生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)。結合調(diào)研數(shù)據(jù)，計算稠油油田各生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗基準值。

以機采系統(tǒng)為例，對屬于稠油的各個油田區(qū)塊的機采系統(tǒng)噸油能耗數(shù)據(jù)進行處理，剔除部分特殊情況或不合理的能耗值項（數(shù)值嚴重偏離平均值的能耗值項），并將剩余的能耗值作為計算機采系統(tǒng)能耗基準值的樣本。對選定的樣本能耗值，以其所屬油田區(qū)塊在各自統(tǒng)計期內(nèi)的產(chǎn)油量為權值，計算樣本能耗值的加權平均值，則求解得到的加權值即為機采系統(tǒng)的能耗基準值，涉及的計算公式為：

按照上述方法依次計算出集輸系統(tǒng)、產(chǎn)汽系統(tǒng)、注水系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)的能耗基準值（單位為kgce/t）。選擇機采系統(tǒng)的能耗基準值作為計算基準，其系統(tǒng)能耗系數(shù)定為1.0，其他系統(tǒng)的能耗系數(shù)即為該系統(tǒng)的能耗基準值與計算基準值的比值，計算公式為：

對各生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗系數(shù)加以修正得到系統(tǒng)能量因數(shù)。修正項為各生產(chǎn)系統(tǒng)能耗影響因素的可比修正系數(shù)。稠油各生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗基準值及其能耗系數(shù)計算公式見表2。

3 可比能耗模型各參數(shù)計算

面向多家稠油油田企業(yè)，涵蓋21個典型樣本區(qū)塊，對油田生產(chǎn)全流程環(huán)節(jié)的基礎參數(shù)及用能情況進行調(diào)研。并基于調(diào)研結果，完成數(shù)據(jù)的分析與核算工作，對各項不合理或異常數(shù)據(jù)項進行標記處理，經(jīng)與相應油田企業(yè)進行3輪反復核實校對，確保數(shù)據(jù)的客觀合理性。

3.1 各生產(chǎn)系統(tǒng)能耗影響因素確定

以機采系統(tǒng)為例，結合調(diào)研數(shù)據(jù)，通過熵權法、主成分分析法及組合賦權的方法計算稠油機采系統(tǒng)各能耗影響因子的權重。根據(jù)綜合權重的大小確定機采系統(tǒng)的能耗影響因素。

根據(jù)稠油機采系統(tǒng)能耗構成特點及生產(chǎn)實際運行狀況初步確定其能耗影響因子包括：泵掛深度、單井日產(chǎn)液量、氣油比、地層壓力、50 ℃下油品黏度和含水率[17，18]。采用熵權法、主成分分析法及組合賦權的方法計算各因子指標權重（總和均為100%），通過權重計算結果分析，選擇泵掛深度、50 ℃下油品黏度這兩個因子指標為機采系統(tǒng)的能耗影響因素。各因子指標權重見表3。

同理對于集輸系統(tǒng)，影響其能耗的因子有單井日產(chǎn)液量、凝點、凈化油外輸壓力、原油脫水溫度、50 ℃下油品黏度和含水率[19]。通過計算，各個因子的組合賦權法權重如圖1所示。通過各因子指標的權重大小分析，選擇50 ℃下油品黏度為集輸系統(tǒng)能耗的影響因素。

注水系統(tǒng)由于能耗占比太小無需進行影響因素判定。另外水處理系統(tǒng)能耗的影響因素主要取決于水處理工藝的不同，客觀影響因素比較單一，也無需進行因素判定[20，21]。

對于產(chǎn)汽系統(tǒng)，單井注蒸汽量對該系統(tǒng)能耗的影響權重超過85%，因此產(chǎn)汽系統(tǒng)的能耗影響因素只考慮單井注蒸汽量一項即可。

3.2 影響因素可比修正系數(shù)與能量因數(shù)計算

為了消除不同工藝流程和生產(chǎn)作業(yè)方式對稠油油田能耗的影響，采用影響因素可比修正系數(shù)對系統(tǒng)的能耗系數(shù)進行修正。以稠油油田實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎，計算各修正系數(shù)的取值。

對于機采系統(tǒng)，其修正系數(shù)包括泵掛深度可比修正系數(shù)K和50 ℃下油品黏度可比修正系數(shù)K。對于集輸系統(tǒng)，其修正系數(shù)為50 ℃下油品黏度可比修正系數(shù)K，對于產(chǎn)汽系統(tǒng)，其修正系數(shù)為單井注蒸汽量可比修正系數(shù)K。

泵掛深度為1 000 m時，其修正系數(shù)定為1，實際泵掛深度與泵掛深度1 000 m時的比值即為泵掛深度修正系數(shù)在此深度下的取值。

將油品黏度分區(qū)間進行劃分，機采系統(tǒng)油品黏度修正系數(shù)記為K：黏度小于10 Pa·s時，K=1.00;黏度處于10～50 Pa·s時，K=1.20;黏度大于50 Pa·s時，K=1.38。集輸系統(tǒng)油品黏度修正系數(shù)記為K：黏度小于10 Pa·s時，K=1.00;黏度處于10～50 Pa·s時，K=1.49;黏度大于50 Pa·s時，K=2.02。

根據(jù)能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，稠油油田產(chǎn)汽系統(tǒng)的噸油能耗分布關系如圖2所示。該分布近似為線性規(guī)律分布，將單井注蒸汽量分為4個區(qū)間，修正系數(shù)分區(qū)間計算求值。單井注蒸汽量可比修正系數(shù)記為K：單井注蒸汽量小于1 000 t時K=1.00;處于1 000～2 000 t時，K=1.43;處于2 000～3 000 t時，K=1.80;大于3 000 t時，K=2.09。

根據(jù)上述方法依次計算各生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗系數(shù)、能量因數(shù)及油田總體能量因數(shù)。稠油油田

可比能耗計算基本參數(shù)見表4。

4 油田可比能耗計算實例

取兩個稠油油田區(qū)塊（油田區(qū)塊1、2），利用能耗評價模型進行分析。兩個稠油油田區(qū)塊的可比能耗計算結果見表5。

分析兩個稠油油田區(qū)塊可比能耗對比情況，由于兩個油田區(qū)塊存在著多種因素影響，導致難以直接評價兩個油田區(qū)塊用能水平。因此引入能量因數(shù)的概念，消除客觀因素的影響，能量因數(shù)越大說明油田的高耗能設備越多，結構越復雜。

區(qū)塊1的能量因數(shù)為22.06，區(qū)塊2的能量因數(shù)為13.10。這表示區(qū)塊1相比區(qū)塊2具有更復雜的生產(chǎn)結構或更多的耗能裝置。為了消除客觀因素的影響，采用可比能耗指標使兩個油田區(qū)塊的能耗達到可比的程度?？杀群髤^(qū)塊1的可比能耗為19.23 kgce/（t·能量因數(shù)），區(qū)塊2的可比能耗為15.81 kgce/（t·能量因數(shù)），這說明區(qū)塊1擁有更大的節(jié)能潛力。

5 結論

5.1 本研究根據(jù)油田企業(yè)的實際需求與指標體系設立原則建立了稠油油田可比能耗指標體系。該指標體系分為兩級，第1級指標為油田生產(chǎn)可比能耗，第2級指標為生產(chǎn)系統(tǒng)可比能耗?？杀饶芎闹笜私鉀Q了傳統(tǒng)綜合能耗指標無法反映油田生產(chǎn)實際能耗與各影響因素之間變化關系的缺陷。為稠油油田能耗評價模型的構建奠定了基礎。

5.2 本研究借鑒了其他行業(yè)可比能耗相關計算方法，引入能量因數(shù)的概念，采用熵權法、主成分分析法和組合賦權的方法計算因子指標權重，繼而確定能耗影響因素。其中機采系統(tǒng)的能耗影響因素為泵掛深度和油品黏度，集輸系統(tǒng)的能耗影響因素為油品黏度，產(chǎn)汽系統(tǒng)的能耗影響因素為單井注蒸汽量。

5.3 本研究根據(jù)調(diào)研的稠油油田能耗數(shù)據(jù)計算各系統(tǒng)能耗系數(shù)，經(jīng)可比修正系數(shù)修正后得到系統(tǒng)能量因數(shù)，各系統(tǒng)能量因數(shù)之和即為油田整體能量因數(shù)。利用能量因數(shù)建立稠油油田能耗評價模型，該模型幫助油田企業(yè)更好地了解整體用能狀況、主要能耗問題和節(jié)能潛力。為油田企業(yè)節(jié)能降耗、產(chǎn)業(yè)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。同時為了使能量因數(shù)能更準確地反映稠油油田生產(chǎn)的實際狀況，可以在此研究的基礎上進一步深化和分析，探究生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部各耗能設備與系統(tǒng)能耗的因果關系。

參 考 文 獻

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