油田集輸管網(wǎng)仿真評價(jià)及優(yōu)化研究

闞寶春（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

油田集輸管網(wǎng)仿真評價(jià)及優(yōu)化研究

闞寶春（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

喇嘛甸油田進(jìn)入特高含水期后，集輸系統(tǒng)管網(wǎng)的效率普遍降低，能耗升高。為降低集輸系統(tǒng)管網(wǎng)運(yùn)行能耗，通過對集輸系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的分析，建立了管網(wǎng)的矩陣模型，利用連續(xù)性方程及能量平衡方程對矩陣模型進(jìn)行求解，并應(yīng)用能量平衡模型建立了管網(wǎng)能耗評價(jià)系統(tǒng)。通過應(yīng)用仿真評價(jià)系統(tǒng)對集輸管網(wǎng)的能耗影響因素進(jìn)行分析，確定了采用經(jīng)濟(jì)管徑作為管網(wǎng)評價(jià)的方法；并在實(shí)際應(yīng)用中通過將實(shí)際管徑和經(jīng)濟(jì)管徑進(jìn)行對比，確定了需要調(diào)整的低效管線；并以能耗最小為目標(biāo)，提出了集輸管網(wǎng)縮小管徑及加強(qiáng)保溫等優(yōu)化措施，優(yōu)化后集輸管網(wǎng)能耗大幅降低，實(shí)現(xiàn)了集輸管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行。

集輸管網(wǎng) 能耗評價(jià) 節(jié)能 仿真 優(yōu)化

喇嘛甸油田集輸系統(tǒng)共有聯(lián)合站7座，轉(zhuǎn)油站46座，集輸工藝普遍采用三級(jí)布站、雙管摻水工藝。集輸管網(wǎng)的建設(shè)先后經(jīng)歷了基礎(chǔ)井網(wǎng)、一次加密井網(wǎng)、二次加密井網(wǎng)、三次加密井網(wǎng)的開發(fā)。“十五”后，油田進(jìn)入特高含水期，集輸管網(wǎng)運(yùn)行效率等參數(shù)均發(fā)生較大的變化，同時(shí)與開采初期相比，油井產(chǎn)液量遞減、含水上升，采出液已經(jīng)由初期的W/O型乳狀液轉(zhuǎn)變?yōu)閃/O/W型復(fù)雜多重乳狀液，且采出液黏度大大降低。集輸管網(wǎng)大部分是建站初期所建，隨著運(yùn)行年限的增加，管網(wǎng)老化嚴(yán)重，其中25座轉(zhuǎn)油站站外管線使用年限在20年以上，導(dǎo)致更新改造、生產(chǎn)能耗和管理費(fèi)用逐年增高。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，水驅(qū)集輸系統(tǒng)平均單井耗電9707 k W h/a，耗氣8706m3/a，單井運(yùn)行費(fèi)用高達(dá)1.91萬元/a。

1 集輸管網(wǎng)仿真系統(tǒng)的建立

1.1 管網(wǎng)仿真模型[1]的建立

1.1.1 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的描述

任意一個(gè)管網(wǎng)，根據(jù)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以用一組矩陣來描述[2]。矩陣是表示管網(wǎng)圖的最簡單實(shí)用的方法，對矩陣本身能夠比較容易進(jìn)行力學(xué)上的處理。如圖1中表示的混輸管網(wǎng)，這個(gè)管網(wǎng)由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)［節(jié)點(diǎn)1（參考節(jié)點(diǎn)）］、三個(gè)載荷節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)2、3、4） 和五條枝 ［枝 （1）、（2）、（3）、（4）、（5）］組成。在管網(wǎng)中配置載荷L的地方稱為載荷節(jié)點(diǎn)。這些載荷可以是正的、負(fù)的或零。負(fù)的載荷可以從管網(wǎng)排出流體，如聯(lián)合站或中轉(zhuǎn)站；正的載荷表示向管網(wǎng)流入流體，這包括生產(chǎn)平臺(tái)；而零載荷是配置在沒有載荷的節(jié)點(diǎn)上，用來表示管網(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化的點(diǎn)，比如在許多支管的連接處。對于穩(wěn)定條件，作用于管網(wǎng)的全部載荷同在節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到管網(wǎng)內(nèi)的流入量相平衡，其中支點(diǎn)-節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)用矩陣A=n×m來描述,它具有與管網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)（包括參考節(jié)點(diǎn)）相等的n行數(shù)和管網(wǎng)中支管數(shù)相等的m列數(shù)。支管-環(huán)路關(guān)聯(lián)用矩陣B=k×m來描述，它具有與管網(wǎng)獨(dú)立環(huán)路數(shù)目相等的k行數(shù)目和管網(wǎng)中支管數(shù)目相等的m列數(shù)目。

圖1 混輸管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)矩陣

1.1.2 管網(wǎng)水力計(jì)算模型

通過建立兩相流集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的水力計(jì)算的基本方程，可以計(jì)算復(fù)雜管網(wǎng)中單相流、兩相流系統(tǒng)的流動(dòng)特性。在實(shí)際處理過程中，對于任何管網(wǎng)，不管是單相流還是多相流，流動(dòng)方程都符合質(zhì)量守恒定理、能量平衡方程[3]。管網(wǎng)方程組由連續(xù)性方程和能量方程組成。假設(shè)管網(wǎng)由N個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，則可寫出N個(gè)連續(xù)性方程；然而，只有其中N-1個(gè)是線性無關(guān)的，因此，只有N-1個(gè)方程可以列入方程組。對于這M個(gè)管網(wǎng)環(huán)的每一個(gè)環(huán)，都可寫出一個(gè)能量平衡方程，從而得到M個(gè)獨(dú)立的能量方程。通過列出連續(xù)性方程和能量平衡方程，就可以得到方程組的完整解。

1.2 建立管網(wǎng)評價(jià)系統(tǒng)

能量平衡方法是油田節(jié)能測試的基本方法，利用系統(tǒng)輸入、輸出能量的平衡關(guān)系，準(zhǔn)確模擬系統(tǒng)能量利用的狀態(tài)，直接給出系統(tǒng)的能量損失及有效能量利用情況。通過能量平衡關(guān)系，建立集輸系統(tǒng)管網(wǎng)的能量平衡模型（圖2）。

圖2 管網(wǎng)能量平衡模型

從管網(wǎng)的能量平衡模型可以看出，輸入系統(tǒng)的能量為采出液帶入系統(tǒng)的熱能及壓能，輸出系統(tǒng)的能量為出口介質(zhì)帶出的熱能及壓能。根據(jù)能量平衡關(guān)系輸入能量等于輸出能量和體系內(nèi)變化能量的總和，建立管道能量平衡方程，即

式中：

ELh,in——采出液及摻水帶入的熱能；

ELh,out——出口介質(zhì)帶出的熱能；

ELp,in——采出液及摻水帶入的壓能；

ELp,out——出口介質(zhì)具有的壓力能；

ΔELh——管道的熱能損失；

ΔELp——管道的壓力能損失。

運(yùn)用能量關(guān)系，得出管網(wǎng)效率[4]的計(jì)算公式如下：

2 集輸管網(wǎng)能耗評價(jià)

2.1 能耗影響因素分析

對于集輸管網(wǎng)，單井的產(chǎn)液量及含水率在一段時(shí)期內(nèi)保持穩(wěn)定，管網(wǎng)的可變參數(shù)決定了管網(wǎng)能耗情況。系統(tǒng)的動(dòng)力、熱力消耗與管徑、流速、管長等因素有關(guān)，這些因素相互影響又相互制約。從定性的角度講，管徑越大，流速越低，管網(wǎng)動(dòng)力消耗越少，但管網(wǎng)的熱耗費(fèi)用增加，反之，管網(wǎng)熱耗減少，動(dòng)力費(fèi)用增加；因此，通過研究管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)對能耗的影響規(guī)律，確定影響管網(wǎng)能耗的主要參數(shù)，進(jìn)而通過優(yōu)化該參數(shù)，降低管網(wǎng)能耗，運(yùn)用管網(wǎng)仿真系統(tǒng)對管網(wǎng)的能耗影響因素進(jìn)行分析。

2.1.1 管徑對管網(wǎng)能耗的影響

首先固定產(chǎn)油量為5 m3/d，含水率95%，管線長度500m，變換不同的管徑，研究管徑對管網(wǎng)能耗的影響，能耗的變化情況見表1。

從表1可以看出，在固定流量、采出液含水率以及管線長度的情況下，隨著管徑的增加，管網(wǎng)效率先增加后減少，管網(wǎng)溫降逐漸增加，壓降逐漸降低，單位輸油熱耗增加，單位輸油電耗逐漸減少，管線效率存在最高點(diǎn)，即當(dāng)流量為5 m3/d時(shí)，管徑是8 9mm時(shí)，管效達(dá)到最高，管線單位輸油總能耗最低。改變產(chǎn)液量時(shí)，仍具有相同的變化規(guī)律。

2.1.2 流量對管網(wǎng)能耗的影響

固定管網(wǎng)的直徑為76mm，管線長度為500m，含水率為95%，改變產(chǎn)液量為3m3/d、4 m3/d、5 m3/d、6m3/d、7m3/d、8m3/d、9m3/d、10m3/d時(shí)，研究流量對管網(wǎng)的能耗指標(biāo)的影響，能耗變化情況見表2。

表1 管徑對管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)影響情況

表2 流量對管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)影響情況

從表2可以看出，隨著產(chǎn)液量的增加，管網(wǎng)效率先增加后減少，存在管效最高點(diǎn)；當(dāng)管效達(dá)到最高時(shí)，管線單位輸油總能耗最低，管網(wǎng)單位輸油熱耗及單位輸油電耗隨溫降及壓降的變化規(guī)律與表1的變化規(guī)律相同，選取其他管徑時(shí)，管網(wǎng)能耗變化規(guī)律相同。對表1和表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，管線的流速對管網(wǎng)能耗指標(biāo)的影響規(guī)律相同，當(dāng)流速大時(shí)，管網(wǎng)的單位輸油熱耗低，單位輸油電耗大；流速小時(shí)，管網(wǎng)的單位輸油熱耗高，單位輸油電耗低。在實(shí)際生產(chǎn)中，單井管線采出液含水率、產(chǎn)液量在一段時(shí)期內(nèi)保持穩(wěn)定，影響流速的主要因素是集輸管徑；可見，管徑的選擇是影響管網(wǎng)能耗的重要因素。因此，應(yīng)用仿真模擬得出管網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)管徑，與現(xiàn)場實(shí)際管徑進(jìn)行對比，進(jìn)而提出管網(wǎng)的改造措施。

2.2 管網(wǎng)能耗評價(jià)及優(yōu)化

2.2.1 集油管網(wǎng)能耗評價(jià)

為分析站外管網(wǎng)的能耗情況，首先利用集輸管網(wǎng)仿真系統(tǒng)建立站外管網(wǎng)的仿真圖形，將現(xiàn)場錄取10座轉(zhuǎn)油站的站外管網(wǎng)的各節(jié)點(diǎn)的參數(shù)及地面工程數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)導(dǎo)入到仿真系統(tǒng)中，建立各管網(wǎng)的連接；通過輸入黏度、傳熱系數(shù)等基本物性，模擬管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。通過仿真，輸出集輸管線的主要能耗指標(biāo)，包括管網(wǎng)的效率、單位輸油熱耗、單位輸油電耗等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對各段管網(wǎng)的能耗評價(jià)。

通過評價(jià)10座轉(zhuǎn)油站得出集輸管網(wǎng)平均管效介于8 1.9%～94.79%之間，其中7座站的管網(wǎng)效率高于90%。具體分析10座轉(zhuǎn)油站所屬8 62條集輸管線，將實(shí)際管徑與經(jīng)濟(jì)管徑進(jìn)行對比，有18 4條管線管網(wǎng)效率較低，其中75條管線因管徑大、產(chǎn)液量少、散熱損失[5]大，管線單位輸油熱耗高，占管線總數(shù)的8.7%；有68條管線因產(chǎn)液量大、流速高，單位輸油電耗較高，管網(wǎng)效率低，占管線總數(shù)的7.9%；有41條管線由于熱損失大，管網(wǎng)效率低，占管線總數(shù)的4.8%。

2.2.2 集油管網(wǎng)優(yōu)化

對管效較低的集輸管網(wǎng)提出優(yōu)化措施，其中喇17-232等3條集輸管網(wǎng)效率最低，通過縮小管徑的方法減少其散熱損失，但優(yōu)化管徑后其管效率仍然低于40%；若提高摻水量，能耗較高，建議改造時(shí)對該管網(wǎng)采用串接的方式，以提高管輸流量，減少熱損失，提高管網(wǎng)效率。喇18-223等10條管線，因?yàn)楫a(chǎn)液量少、流速低、散熱損失過大，造成單位輸油熱耗高，建議改造時(shí)縮小管徑1～2級(jí)，同時(shí)由于油田管線設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，集輸管線管徑不能小于D N40；因此，在縮小管徑的同時(shí)，加強(qiáng)保溫，以進(jìn)一步降低熱耗損失，提高管網(wǎng)效率。喇16-223等6條管線經(jīng)管徑模擬確認(rèn)為經(jīng)濟(jì)管徑，但6口單井含水在37%～47.8%之間，含水較低，管線溫降增加了摩阻損失，采取的措施是加強(qiáng)保溫，減少電耗費(fèi)用。喇17-22管線管徑較小，當(dāng)管徑達(dá)到8 9mm時(shí)，其管網(wǎng)效率最高，但由于管網(wǎng)流速僅為0.8 5 m/s，處于較為合理范圍內(nèi)，摻水后，液量增加，管效會(huì)進(jìn)一步提高；因此，不建議更換大管徑管，而對該管網(wǎng)進(jìn)行除垢。通過以上的優(yōu)化措施，實(shí)施后管網(wǎng)能耗降低6.8%，年可節(jié)氣15.24×104m3，年節(jié)電6.12×104k W h，單井運(yùn)行費(fèi)用降低0.8 5萬元/a。

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）通過建立集輸系統(tǒng)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并通過管網(wǎng)矩陣建立管網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了集輸管網(wǎng)的計(jì)算機(jī)仿真。它可以精確模擬集輸系統(tǒng)復(fù)雜管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過系統(tǒng)管網(wǎng)的能量平衡模型，建立管網(wǎng)的能耗評價(jià)系統(tǒng)，進(jìn)行集輸管網(wǎng)的能耗評價(jià)。

2）利用管網(wǎng)仿真系統(tǒng)建立的管網(wǎng)仿真模型，可以直接給出管網(wǎng)的能耗評價(jià)結(jié)果，克服了人工分析工作量大、耗時(shí)長的缺點(diǎn)，加快了油田規(guī)劃研究的速度，使油田規(guī)劃更能滿足和適應(yīng)油田的多元開發(fā)方式。

3）管網(wǎng)仿真評價(jià)的結(jié)果對制定管網(wǎng)節(jié)能措施具有一定的指導(dǎo)意義。根據(jù)評價(jià)結(jié)果，對集輸管網(wǎng)管徑及保溫等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后應(yīng)用仿真系統(tǒng)再進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)多種優(yōu)化方案的對比，找出管網(wǎng)優(yōu)化最合理的方法，節(jié)省了大量的試驗(yàn)投資和運(yùn)行費(fèi)用，并為油田規(guī)劃前期論證提供理論支持。

[1]王金峰,史秀敏.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在輸油管道系統(tǒng)方面的應(yīng)用[J].國外油田工程,1998(2):36-37.

[2]肖芳淳.灰色物元分析在優(yōu)選油氣管道設(shè)計(jì)方案中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程,1996,15(1):1-6.

[3]李玉星,馮叔初,范傳寶.多相混輸管道溫降的計(jì)算[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2001,20(9):32-34.

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[5]袁永惠.油氣集輸能量系統(tǒng)的熱力學(xué)評價(jià)與分析[D B].中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫,2005(11):48.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.06.002

2012-02-23）

闞寶春，2002年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院，工程師，從事地面系統(tǒng)節(jié)能測試評價(jià)工作，E-mail：kanbaochun@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶油田第六采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，163114。