基于管網(wǎng)損失率的注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)

阮 巖，程為彬，陳 晨，羅海龍

(1.陜西省油氣井測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065； 2.光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

引 言

隨著油田開(kāi)發(fā)建設(shè)的逐步進(jìn)行，原油可采儲(chǔ)量的下降，油井產(chǎn)出液中的含水率逐漸升高，產(chǎn)油量持續(xù)下降，原油生產(chǎn)成本呈上升趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，注水耗電量約占我國(guó)油田生產(chǎn)用電的33%～56%[1]。且隨著油田進(jìn)入高含水期開(kāi)發(fā)階段，注水量大幅度增加，注水能耗急劇上升[2]。為此，國(guó)內(nèi)多所高等院校、研究機(jī)構(gòu)對(duì)油田注水系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能降耗方面開(kāi)展了大量研究，以解決油田注水系統(tǒng)的高效優(yōu)化和降耗問(wèn)題，提高油田企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[2-3]。目前國(guó)內(nèi)外就注水系統(tǒng)的管網(wǎng)部分的研究重點(diǎn)集中在管網(wǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化算法[4-6]上，而對(duì)注水管網(wǎng)運(yùn)行能耗的評(píng)價(jià)體系的研究和應(yīng)用卻很少，缺乏科學(xué)完整評(píng)判注水管網(wǎng)能耗的評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]。為此，本文就建立管網(wǎng)損失率作為能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)開(kāi)展了相關(guān)的研究工作,以期實(shí)現(xiàn)對(duì)注水系統(tǒng)全面的節(jié)能降耗的監(jiān)測(cè)和科學(xué)的管理。

1 注水管網(wǎng)系統(tǒng)能耗成因分析

注水系統(tǒng)是由節(jié)點(diǎn)單元、管道單元和附屬單元組成的大型復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[8]。其中節(jié)點(diǎn)單元包括注水站、配水間、注水井及管線交匯點(diǎn)，管道單元包括注水干線、注水支線，附屬單元包括閥門(mén)、三通、彎頭等。

沿著注水流程方向，運(yùn)用節(jié)點(diǎn)分析的技術(shù)進(jìn)行能耗分析，建立注水地面系統(tǒng)的能流模型，如圖1所示[9]。

圖1 注水地面系統(tǒng)的能流模型Fig.1 Energy flow model of oilfield ground water injection system

影響管網(wǎng)效率的因素[10-11]很多，簡(jiǎn)要分析如下：

(1)注水干線損失。注水管網(wǎng)中普遍存在管線結(jié)垢，管線內(nèi)有污油現(xiàn)象，并且內(nèi)表面凹凸不平。由于管線的管損受管線內(nèi)徑、內(nèi)表面粗糙度和流體的黏度影響很大，造成注水管線管損普遍較高。

(2)配水間配水閥控節(jié)流損失。由于各個(gè)注水井所需的注水壓力不同，因此需要用配水間閥門(mén)調(diào)節(jié)單井注入量，低壓注水井的高壓來(lái)水的剩余壓力主要被配水間閥門(mén)節(jié)流掉了。

(3)單井管線損失。由于單井線更新比干線慢，其結(jié)垢腐蝕程度大于干線。

(4)井口節(jié)流損失。井口閥門(mén)一般全打開(kāi)，其節(jié)流損失少，可不考慮。

在注水系統(tǒng)中大量能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，管網(wǎng)部分能耗的損失占注水系統(tǒng)總能耗損失的25%左右。對(duì)于這一部分的能耗評(píng)價(jià)，目前是對(duì)管網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的壓力損失有一些相應(yīng)的規(guī)范和油田長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)形成的不成文的共識(shí)。如注水干線損失，遵照《油田注水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》(SY/T6569-2010)[12]要求注水系統(tǒng)干線壓力損失應(yīng)控制在1 MPa以?xún)?nèi)；對(duì)于配水間配水節(jié)流損失，根據(jù)某油田2007—2016年期間注水系統(tǒng)的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，離心泵注水系統(tǒng)配水間閥控壓力損失合理范圍控制在3 MPa以?xún)?nèi)，往復(fù)泵注水系統(tǒng)配水間閥控壓力損失合理范圍控制在4 MPa以?xún)?nèi)；單井管線壓力損失要求控制在0.5 MPa以?xún)?nèi)，而未能對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的能耗數(shù)據(jù)的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)，亟需建立一個(gè)能系統(tǒng)評(píng)價(jià)管網(wǎng)能耗的指標(biāo)。

2 管網(wǎng)損失率評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

在注水地面系統(tǒng)中，如果能建立一個(gè)綜合評(píng)價(jià)管網(wǎng)能耗的指標(biāo)，就能評(píng)判管網(wǎng)系統(tǒng)能耗是否合格；如不合格，則查找注水管網(wǎng)在各個(gè)環(huán)節(jié)的能耗損失問(wèn)題，以此指導(dǎo)注水管網(wǎng)優(yōu)化和改造。因此在已有《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》(SY/T 6275-2007)[13]的注水系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與指標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加注水系統(tǒng)的管網(wǎng)損失率指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 按站出口壓力建立管網(wǎng)損失率

可以按上文所述的管網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)已有的相關(guān)規(guī)范和油田長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)所形成的共識(shí)為基礎(chǔ)，推引出管網(wǎng)損失率的評(píng)價(jià)方法，推理過(guò)程如下：

管網(wǎng)損失率用管網(wǎng)部分的能量損失與注水系統(tǒng)總輸入能量之比百分?jǐn)?shù)表示，即:

(1)

式中：η管損為管網(wǎng)損失率，%；W管損為管網(wǎng)能量損失，kW；W總為系統(tǒng)總輸入能量，kW。

管網(wǎng)能量損失W管損包括干線損失、閥控?fù)p失、單井管線損失、井口節(jié)流損失。井口節(jié)流損失一般較小，可以忽略不計(jì)[14]。因此，管網(wǎng)損失率主要包含3部分，即

(2)

式中：W干線為干線能量損失，kW；W閥控為閥控能量損失，kW；W單井為單井管線能量損失，kW。

損失能量

W損=p損×Q1，

(3)

式中：W損為能量損失，kW；p損為損失的壓力，MPa；Q1為管內(nèi)流量，m3/h。

將式(3)代入式(2)，并且各環(huán)節(jié)所損失的壓力，最大值不應(yīng)超過(guò)如前所述的干線壓力損失為1 MPa、離心泵注水系統(tǒng)配水間閥控壓力損失為3 MPa、往復(fù)泵注水系統(tǒng)配水間閥控壓力損失為4 MPa、單井管線壓力損失為0.5 MPa。以此為各節(jié)點(diǎn)的標(biāo)桿，推導(dǎo)出對(duì)管網(wǎng)損失率的評(píng)價(jià)辦法[15]如下：

離心泵注水系統(tǒng)管網(wǎng)損失率

(4)

往復(fù)泵注水系統(tǒng)管網(wǎng)損失率

(5)

(6)

式中：p為泵出口壓力，MPa；η站為注水系統(tǒng)站效，%；Q2為站供出水量，m3/h。當(dāng)管網(wǎng)漏失水量為0時(shí)，即Q1=Q2。式(4)離心泵注水系統(tǒng)管網(wǎng)損失率為

(7)

式(5)往復(fù)泵注水系統(tǒng)管網(wǎng)損失率

(8)

由式(7)、(8)可知，在泵出口壓力大小不同、站效不同時(shí)，可計(jì)算出離心泵注水系統(tǒng)和往復(fù)泵注水系統(tǒng)在各自工況下的管網(wǎng)損失率的評(píng)價(jià)數(shù)值。低于此數(shù)值,系統(tǒng)的管網(wǎng)能耗則合格,高于此數(shù)者即管網(wǎng)能耗較大,管網(wǎng)需優(yōu)化和改造。

2.2 按泵的額定排量劃分建立指標(biāo)

參照油田以往建立指標(biāo)時(shí)所使用過(guò)的類(lèi)似方法，即統(tǒng)計(jì)并計(jì)算目前油田的管網(wǎng)損失率的數(shù)據(jù)，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行升序排序，按排序的前40%、70%取值。當(dāng)管網(wǎng)損失率數(shù)值小于40%的數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)的管網(wǎng)能耗為節(jié)能；當(dāng)數(shù)值大于40%小于70%的數(shù)值時(shí)，管網(wǎng)能耗為合格；當(dāng)數(shù)值大于70%的數(shù)值時(shí)，管網(wǎng)能耗為不合格狀態(tài)[16]。具體方法如下：

由于目前所使用的標(biāo)準(zhǔn)《注水地面系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與指標(biāo)》中，各評(píng)價(jià)指標(biāo)都是以泵的額定排量Q劃分各區(qū)間段的。在此，管網(wǎng)損失率也首先按額定排量劃分合適的區(qū)間段，然后按各區(qū)間段數(shù)據(jù)再排序取值。

劃分合適的區(qū)間段。利用油田2015年478項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)樣本處理分析，按照泵的額定排量將其劃分區(qū)間段，并將管網(wǎng)損失率按升序排序，節(jié)能值與限定值分別以數(shù)據(jù)排序的前40%、70%取值，分別用4種方法劃分和取值，結(jié)果見(jiàn)表1—表4。

表1 管網(wǎng)損失率節(jié)能監(jiān)測(cè)指標(biāo)1Tab.1 Energy-saving monitoring index 1of pipeline network loss rate

表1中，監(jiān)測(cè)油田注水系統(tǒng)時(shí)，管網(wǎng)損失率達(dá)到節(jié)能監(jiān)測(cè)限定值的可視為“管網(wǎng)合格系統(tǒng)”。在此基礎(chǔ)上，被檢測(cè)系統(tǒng)的管網(wǎng)損失率達(dá)到節(jié)能評(píng)價(jià)值的可視為“管網(wǎng)節(jié)能運(yùn)行系統(tǒng)”。由表1可知：(1)隨著額定排量劃分區(qū)段的增大，管網(wǎng)損失率限定值與節(jié)能評(píng)價(jià)值均先變大后變小，這符合管網(wǎng)損失率的隨流量變化的規(guī)律；(2)Q<100的數(shù)據(jù)量較大；(3)Q<100與100≤Q<250數(shù)據(jù)段管網(wǎng)損失率限定值相同。

油田往復(fù)泵系統(tǒng)較多，表1中，Q<100的區(qū)段需要詳細(xì)劃分，觀測(cè)分析其劃分結(jié)果；Q≥400區(qū)段是否再劃分需要進(jìn)一步驗(yàn)證。以下嘗試2種劃分方法，分別見(jiàn)表2和表3。

表2 管網(wǎng)損失率節(jié)能監(jiān)測(cè)指標(biāo)2Tab.2 Energy-saving monitoring index 2 of pipeline network loss rate

表3 管網(wǎng)損失率節(jié)能監(jiān)測(cè)指標(biāo)3Tab.3 Energy-saving monitoring index 3 of pipeline network loss rate

由表2和表3可知：(1)Q≥400區(qū)段劃分后的各個(gè)區(qū)段節(jié)能監(jiān)測(cè)限定值接近，節(jié)能監(jiān)測(cè)節(jié)能評(píng)價(jià)值基本不變，故可不必再細(xì)分該區(qū)段；(2)結(jié)合表1中Q<100與100≤Q<250數(shù)據(jù)段管網(wǎng)損失率限定值相同，表2中Q<50與100≤Q<250數(shù)據(jù)段管網(wǎng)損失率限定值也相同，可考慮以合并區(qū)段。最終建議采用第4種劃分方法，見(jiàn)表4。

表4 管網(wǎng)損失率節(jié)能監(jiān)測(cè)指標(biāo)4Tab.4 Energy-saving monitoring index 4 of pipeline network loss rate

由表4可見(jiàn)，對(duì)于任意一個(gè)注水系統(tǒng)，只需知道注水系統(tǒng)泵的額定排量數(shù)據(jù)和管網(wǎng)損失率的測(cè)試數(shù)據(jù)，就可依據(jù)此表的結(jié)果對(duì)管網(wǎng)能耗進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，判斷注水管網(wǎng)能耗是節(jié)能、合格還是不合格狀態(tài)，以此指導(dǎo)管網(wǎng)的運(yùn)行與改造。

3 理論分析與實(shí)際應(yīng)用

3.1 管網(wǎng)損失率數(shù)據(jù)變化規(guī)律分析

在對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，管網(wǎng)損失率隨著流量的增加先增加后減小，管網(wǎng)損失率存在最高點(diǎn)，表1-表4管網(wǎng)損失率節(jié)能監(jiān)測(cè)指標(biāo)也體現(xiàn)出這一數(shù)據(jù)特征。以下從理論上對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行分析。

管網(wǎng)損失率的高低，體現(xiàn)在從注水站出口到注水井口為止的管線壓力損耗的大小，管線壓力損失的大小又可用水力學(xué)上的注水管段水頭損失的大小來(lái)表征。由水力學(xué)知，注水管段的水頭損失[14]，包括沿程損失和局部損失。沿程損失是沿程管段長(zhǎng)度的水頭損失，局部損失如閥門(mén)、三通、四通、彎管、漸縮(擴(kuò))管等局部水頭損失。由上并根據(jù)達(dá)西公式和流速公式等[17]，可推理出管道的沿程水頭損失

(9)

式中：hf為沿程水頭損失，m；λ為沿程阻力系數(shù)；l為管段長(zhǎng)度，m；d為管段管徑，m；q為管道流量，m3/h；g為重力加速度，g=9.8 m/s2。

局部水頭損失可表示為

(10)

式中：hτ為局部水頭損失，m；ε為局部阻力損失。

從式(9)、(10)中可知：在一定的流量區(qū)間，管線使用的管徑基本差異不大，影響管網(wǎng)損失的因素主要為流量，流量越大，水頭損失越大，管線壓力損失越大，管網(wǎng)損失率越大；當(dāng)流量超出一定區(qū)間時(shí)，管線可能會(huì)使用更大的管徑，從式(9)和式(10)可以看出管徑d對(duì)水頭損失的影響大于流量q，即水頭損失減小，管線壓力損失變小，管網(wǎng)損失率減小。

因而管網(wǎng)損失率會(huì)隨著流量的增加，在某區(qū)段內(nèi)會(huì)呈現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律。

3.2 某油田2016年測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)應(yīng)用結(jié)果

(1)站出口壓力建立法

用某油田2016年測(cè)試數(shù)據(jù)，按站出口壓力建立管網(wǎng)損失率的方法，根據(jù)式(7) 和式(8)，由各離心泵站和往復(fù)泵站的站出口壓力及泵站站效，分別計(jì)算出離心泵注水系統(tǒng)和往復(fù)泵注水系統(tǒng)在各自工況下的管網(wǎng)損失率的評(píng)價(jià)數(shù)值，并由此評(píng)價(jià)各系統(tǒng)的合格情況。在此僅給出統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表5。

表5 管網(wǎng)損失率合格情況統(tǒng)計(jì)(2016年)Tab.5 Statistics of passpercent of pipeline network loss rate of some oilfield in 2016

由表5可知,離心泵站系統(tǒng)管網(wǎng)損失率合格率較高達(dá)到89.5%，往復(fù)泵站系統(tǒng)管網(wǎng)損失率合格率較低為29.7%，系統(tǒng)總的合格率為47%。

(2)泵的額定排量劃分法

將2016年某油田66個(gè)注水系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)依據(jù)表4的排量進(jìn)行劃分，并按相應(yīng)的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)管網(wǎng)損失率的合格和節(jié)能的數(shù)量及其合格率、節(jié)能率，結(jié)果分別見(jiàn)表6和表7。

表6 管網(wǎng)損失率數(shù)據(jù)分布(2016年)Tab.6 Data distribution of pipeline network loss rate of some oilfield in 2016

表7 管網(wǎng)損失率合格節(jié)能情況統(tǒng)計(jì)(2016年)Tab.7 Passpercent and energy saving percent of pipeline network loss rate of some oilfield in 2016

從表7中可以看出66個(gè)注水系統(tǒng)有52個(gè)合格，27個(gè)節(jié)能，合格率為78.8%，節(jié)能率為40.9%。2016年的測(cè)試結(jié)果，與目標(biāo)值合格率70%，節(jié)能率40%差距不大，數(shù)據(jù)變化在合理范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)2016年數(shù)據(jù)分析，建立的管網(wǎng)損失率指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)管網(wǎng)系統(tǒng)較為合理。

3.3 某油田2014年測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)應(yīng)用結(jié)果

(1)站出口壓力建立法

采用2014年油田測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)上述驗(yàn)證方法，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 管網(wǎng)損失率合格情況統(tǒng)計(jì)(2014年)Tab.8 Statistics of passpercent of pipeline network loss rate of some oilfield in 2014

由表8可知,離心泵站系統(tǒng)管網(wǎng)損失率合格率較高達(dá)到66.7%，往復(fù)泵站系統(tǒng)管網(wǎng)損失率合格率較低為42.6%，系統(tǒng)總的合格率為55.4%。

(2)泵額定排量劃分法

依據(jù)表4指標(biāo)，對(duì)2014年某油田52個(gè)注水系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行同樣分析，結(jié)果見(jiàn)表9和表10。

表9 管網(wǎng)損失率數(shù)據(jù)分布(2014年)Tab.9 Data distribution of pipeline network loss rate of some oilfield in 2014

表10 管網(wǎng)損失率合格節(jié)能情況統(tǒng)計(jì)(2014年)Tab.10 Passpercent and energy saving percent of pipeline network loss rate of some oilfield in 2014

從表9和表10可以看出，52個(gè)注水系統(tǒng)有45個(gè)合格，34個(gè)節(jié)能，合格率為86.5%，節(jié)能率為65.4%。

2014年的管網(wǎng)損失率測(cè)試數(shù)據(jù)整體較建立指標(biāo)的2015年的測(cè)試數(shù)據(jù)和2016年的測(cè)試數(shù)據(jù)偏低，所以2014年的測(cè)試數(shù)據(jù)合格率和節(jié)能率偏高，也說(shuō)明隨著管網(wǎng)應(yīng)用年限的增加,管網(wǎng)能耗在增大。

4 結(jié) 論

(1)按站出口壓力建立評(píng)價(jià)指標(biāo)。可分別計(jì)算出離心泵注水系統(tǒng)和往復(fù)泵注水系統(tǒng)在各自工況下的管網(wǎng)損失率的評(píng)價(jià)數(shù)值。低于此數(shù)值,系統(tǒng)的管網(wǎng)能耗則合格,高于此數(shù)者即管網(wǎng)能耗較大,管網(wǎng)需優(yōu)化和改造。

(2)按泵的額定排量劃分建立評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于任意一個(gè)注水系統(tǒng)，只需知道注水系統(tǒng)泵的額定排量數(shù)據(jù)和管網(wǎng)損失率的測(cè)試數(shù)據(jù)，就可對(duì)管網(wǎng)能耗進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，判斷注水管網(wǎng)能耗是節(jié)能、合格還是不合格狀態(tài)，以此指導(dǎo)管網(wǎng)的運(yùn)行與改造。

(3)在對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，管網(wǎng)損失率隨著流量的增加先增加后減小，管網(wǎng)損失率存在最高點(diǎn)，針對(duì)這一數(shù)據(jù)特征進(jìn)行了理論上的分析和驗(yàn)證,確定了其存在的客觀性。

(4)以管網(wǎng)損失率作為注水系統(tǒng)管網(wǎng)能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，并利用大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了反復(fù)驗(yàn)證與調(diào)整，通過(guò)上述評(píng)價(jià)與驗(yàn)證的結(jié)果，證明了新增的注水系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與指標(biāo)的合理性與適用性。