長(zhǎng)慶油田注水管道經(jīng)濟(jì)流速確定方法

楊露，王俊濤，劉叢

1.長(zhǎng)慶油田第三采油廠采油工藝研究所，寧夏銀川750006

2.長(zhǎng)慶油田超低滲透油藏研究中心，陜西西安710018

長(zhǎng)慶油田注水管道經(jīng)濟(jì)流速確定方法

楊露1，王俊濤2，劉叢1

1.長(zhǎng)慶油田第三采油廠采油工藝研究所，寧夏銀川750006

2.長(zhǎng)慶油田超低滲透油藏研究中心，陜西西安710018

注水管道運(yùn)行參數(shù)最優(yōu)化是油田注水系統(tǒng)高效、節(jié)能運(yùn)行的重要手段。文章考慮油田注水管道自身特點(diǎn)，結(jié)合流體力學(xué)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)手段，推導(dǎo)了長(zhǎng)慶油田注水管道經(jīng)濟(jì)管徑和經(jīng)濟(jì)流速關(guān)系式，計(jì)算了西北地區(qū)油田部分在用注水管道的經(jīng)濟(jì)流速范圍，可為注水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供借鑒。

注水管道；經(jīng)濟(jì)流速；經(jīng)濟(jì)管徑

0 引言

油田注水管道設(shè)計(jì)運(yùn)行是一個(gè)涉及投資、水力學(xué)、管理學(xué)等多領(lǐng)域的交叉問(wèn)題。通常情況下，工程人員關(guān)注點(diǎn)多集中于注水管道管徑、管道流速和壁厚等方面的研究或計(jì)算。多年來(lái)，油田注水管道經(jīng)濟(jì)流速的確定沿用了給水工程中城市供水管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)流速的概念[1]。

然而實(shí)踐證明，油田注水系統(tǒng)中的管道無(wú)論在造價(jià)、使用壓力還是使用壽命上，都與城市供水管道有著顯著不同，直接借用城市供水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)流速經(jīng)驗(yàn)數(shù)值并不準(zhǔn)確[2]。

本文對(duì)長(zhǎng)慶油田西北地區(qū)注水管道經(jīng)濟(jì)流速進(jìn)行建模計(jì)算，可為油田注水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供借鑒。

1 注水管道總投入函數(shù)

注水管道的總投入由注水管道的基建投資、動(dòng)力費(fèi)用和維修費(fèi)用三部分組成。一般來(lái)說(shuō)，在確定注水管道運(yùn)行參數(shù)時(shí)，主要考慮的因素是管道壓降和流速。管道規(guī)格不同，流速不同，其運(yùn)行費(fèi)用必然不同。管道流速高，壓力損失大，耗電量大，運(yùn)行費(fèi)用高；反之，管道流速低，管道直徑大，雖然運(yùn)行費(fèi)用低，但基建投資高。因此流速過(guò)大或過(guò)小都不經(jīng)濟(jì)，只有流速和管徑相互協(xié)調(diào)匹配，才能實(shí)現(xiàn)注水管道運(yùn)行最優(yōu)化，此時(shí)的管道流速稱為經(jīng)濟(jì)流速，管徑稱為經(jīng)濟(jì)管徑。

（1）依據(jù)現(xiàn)行管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系，每米注水管道的基建投資為[3]：

式中C——注水管道每米基建投資額/（元/m）；

a，b——管道造價(jià)系數(shù)，無(wú)量綱；

d——管道內(nèi)徑/m；

α——管道造價(jià)指數(shù)，無(wú)量綱。

（2）注水管道的運(yùn)行動(dòng)力由注水泵提供，運(yùn)行費(fèi)用包括泵站電費(fèi)M1和維修費(fèi)用M2，其中維修費(fèi)用M2一般取管道基建投資的一定百分比。

注水泵年做功轉(zhuǎn)換成年電力費(fèi)用的關(guān)系式為：

式中M1——注水泵年電力費(fèi)用/元；

E——電價(jià)/（元/kW·h）；

q——管道流量/（m3/s）；

H——水泵靜揚(yáng)程/m；

h——管網(wǎng)起點(diǎn)到終點(diǎn)的水頭損失/m；

ηs——泵站效率（電機(jī)和注水泵兩者效率的乘積）。

注水管道年維修費(fèi)用：

式中M2——注水管道年維修費(fèi)用/元；

P——每年扣除的折舊費(fèi)和大修費(fèi)/元；

L——管道長(zhǎng)度/m。

（3）注水管道年總投入為：

W=S C（d）L+M1+M2，即

式中W——注水管道年總投入/元；

S——管道基建投資年分?jǐn)偮省?/p>

2 管道基建投資

公式（1）提供了每米注水管道基建投資（造價(jià)）和管道內(nèi)徑的關(guān)系，包含有a、b、α三個(gè)系數(shù)。根據(jù)長(zhǎng)慶油田西北地區(qū)注水管道價(jià)格，繪制單位長(zhǎng)度造價(jià)C和管道內(nèi)徑d的關(guān)系曲線，擬合確定系數(shù)（見(jiàn)圖1，數(shù)據(jù)來(lái)源于長(zhǎng)慶油田2011年各類管材標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)算），a=-28.437 2，b=9 789.925 09，α=1.627 79。

圖1 注水管道單位長(zhǎng)度造價(jià)與管道內(nèi)徑關(guān)系

3 模型計(jì)算

通過(guò)前述分析可以看到，確定注水管道經(jīng)濟(jì)流速和經(jīng)濟(jì)管徑的問(wèn)題，可轉(zhuǎn)化為確定最優(yōu)化投資的問(wèn)題，即確定管道內(nèi)徑d值使得目標(biāo)函數(shù)W值最小，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為W對(duì)d求導(dǎo)數(shù)確定最優(yōu)值。

公式（2）中需要計(jì)算水頭損失h。常用計(jì)算方法為謝維列夫公式和海曾-威廉公式[4]?？紤]到海曾-威廉公式可適用于不同管材（需根據(jù)不同的管材取不同的海曾-威廉系數(shù)），因此本文根據(jù)注水無(wú)縫鋼管的實(shí)際情況，將海曾-威廉公式的系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正[1]：

式中k——系數(shù)，取k＝1.743×10-9；

n——系數(shù)，取n＝2；

m——系數(shù)，取m＝5.33。

于是有：

經(jīng)濟(jì)管徑d：

經(jīng)濟(jì)流速v：

根據(jù)中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司規(guī)定，S=0.158 3，P=6元，ηs=75%，E=0.64元/kW·h，代入公式中即可求得對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)管徑和經(jīng)濟(jì)流速：

需要強(qiáng)調(diào)的是，縱觀整個(gè)推導(dǎo)過(guò)程，始終將管徑看作連續(xù)變量，但市場(chǎng)上銷售的管材其管徑都有嚴(yán)格的分檔，故管徑屬于離散變量而并非連續(xù)變量?？紤]到實(shí)際情況，需要將計(jì)算出的管徑標(biāo)準(zhǔn)化。依據(jù)推導(dǎo)的公式，本文計(jì)算了長(zhǎng)慶油田西北地區(qū)部分注水管道管徑的經(jīng)濟(jì)流速，見(jiàn)表1。

從表1可以看出，油田常用注水管道經(jīng)濟(jì)流速范圍在0.89～1.32 m/s之間，不同管徑的經(jīng)濟(jì)流速需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定，不能籠統(tǒng)對(duì)待。

表1 部分注水管道管徑與經(jīng)濟(jì)流速關(guān)系

4 結(jié)論

（1）經(jīng)濟(jì)流速是在一定經(jīng)濟(jì)條件下確定的，需要考慮注水管道造價(jià)、運(yùn)行管理費(fèi)用和運(yùn)行折舊費(fèi)等諸多外部因素，外部條件改變，經(jīng)濟(jì)流速隨之改變，盲目借用城市供水管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)流速值是不合適的。

（2）本文提出的計(jì)算長(zhǎng)慶油田西北地區(qū)注水管道經(jīng)濟(jì)流速的數(shù)學(xué)模型使用方法簡(jiǎn)單，可為工程人員設(shè)計(jì)注水管網(wǎng)提供計(jì)算依據(jù)。

[1]胥惠娟，馬麗芬，孫河生，等.油田注水管道經(jīng)濟(jì)流速的確定[J].河南石油，2002，16（4）：48-49，52.

[2]陳領(lǐng)君，李明忠，王延生，等.注水管道運(yùn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)的確定方法[J].油氣田地面工程，2010，29（7）：8-10.

[3]ZBBZH/YZ，油田注水工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]袁恩熙.工程流體力學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2002.

Determination of Economical Flow Rate of Water Injection Pipeline in Changqing Oilfields

Yang Lu1，Wang Juntao2，Liu Cong1
1.Technology Research Institute of Third Oil Production Plant of Changqing Oilfield Company，Yinchuan 750006，China
2.Research Centre of Ultra-low Permeability Reservoir of Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China

The operation parameters optimization is a prominent approach for high efficiency and energy saving of oilfield water injection system.By pondering upon the feature of water injection pipeline and from fluid mechanics principle and economics evaluation methods，this paper derives the formula of the relation between economical pipe diameter and economical flow rate for Changqing Oilfield，and uses them to calculate economical flow rate range for partial water injection pipelines of Northwest oilfields．The results provide reference for design calculation of water injection pipeline network.

water injection pipeline；economic flow rate；economic pipe diameter

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.05.015

楊露（1984-），男，湖北天門人，工程師，2009年畢業(yè)于成都理工大學(xué)油氣田開(kāi)發(fā)專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事油田注水研究工作。

2014-04-07