油田注水井能耗評價方法與應(yīng)用

鄒永莉，鄧志強，李同翔，賀 三，劉 航

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500；2.中國石化重慶天然氣管道有限責(zé)任公司，重慶408000）

油田注水是油田開發(fā)過程中向地層補充能量、提高油田采收率的重要手段之一。由于油層的非均質(zhì)性，可能出現(xiàn)注水井注水壓力差別大，以一個注水壓力系統(tǒng)滿足油田多層系注水，勢必造成配水間單井閥門控制節(jié)流損失過大，導(dǎo)致注水系統(tǒng)單位注水量電耗增大。因此，有必要對注水井進行能耗評價，找出注水能耗高的注水井，從而提高注水系統(tǒng)運行效率。目前，大量學(xué)者從注水泵站節(jié)能監(jiān)測、提高注水系統(tǒng)效率以及優(yōu)化注水系統(tǒng)方面開展了大量的研究，而對注水井的研究主要集中在節(jié)能降耗方面[1-7]。萬春利[8]認(rèn)為注水井注入能力影響著注水系統(tǒng)的能耗，通過建立油田注水系統(tǒng)地上、地下能耗、效率分析等計算模型，編制相應(yīng)評價軟件可指導(dǎo)油田生產(chǎn)。孫冰等[9]認(rèn)為井泵壓差是注水系統(tǒng)中最大的壓差，應(yīng)首先降低注水井井泵壓差才能挖掘注水系統(tǒng)的節(jié)能潛力。雷鈞等[10]認(rèn)為單井輸入功率與單井單位注水量電耗是線性關(guān)系，利用二者的線性關(guān)系可對注水井進行節(jié)能評價。

在已有的評價方法中，傳統(tǒng)的系統(tǒng)效率法可對注水系統(tǒng)進行能耗評價，但系統(tǒng)效率法不能對注水井進行能耗評價，無法反映注水井能耗的高低，而油田現(xiàn)場迫切需要找出能耗高的注水井，從而采取相應(yīng)的措施降低能耗。為此，本文基于能量守恒定律，推導(dǎo)出單井輸入功率和單井單位注水量電耗的關(guān)系，結(jié)合油田現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行了驗證，并提出評價方法對注水系統(tǒng)以及注水井進行能耗評價。

1 能耗評價體系

1.1 參數(shù)計算方法

注水系統(tǒng)的單位注水量電耗測試和計算嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33653—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》規(guī)定執(zhí)行[11]。

1.2 能耗評價體系的確立

通常情況下，注水系統(tǒng)中每臺注水泵連接著數(shù)十口注水井，無法測算出每口井的單位注水量電耗，不能進行能耗比較[12]。對于不同的注水井，可簡化為單泵單井模型，使其能耗具有可比性（圖1）。

由注水系統(tǒng)的能量守恒定律，即電動機輸入功率+泵入口水功率=注水泵機組損失+站內(nèi)管線損失+回流損失+注水管網(wǎng)損失+有效功率[13-18]，如式（1）所示：

式中：NMpin為注水泵機組輸入功率，kW；Nmpsys為注水系統(tǒng)泵機組損失功率，kW；Nlssys為注水系統(tǒng)站內(nèi)管線功率損失，kW；Nrsys為注水系統(tǒng)回流損失功率，kW；NPV為注水管網(wǎng)損失功率，kW；Ne為注水系統(tǒng)有效功率，kW。

圖1 單泵單井模型Fig.1 Model of single-pump corresponding to single-well

根據(jù)單泵單井模型情況，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33653—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》中各項損失的計算方法，求得任一單井所連接的電動機輸入功率，如式（2）所示：

式中：NMini為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水泵電動機輸入功率，kW；Nmpi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水泵機組的功率損失，kW；pPouti為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水泵出口壓力，MPa；pSouti為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水站出站壓力，MPa；Gpi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水泵流量，m3/h；Grsi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的回流量，m3/h；NPVi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水管網(wǎng)損失功率，kW；pwi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水壓力，MPa；Gwi為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水流量，m3/h；pPinz為注水系統(tǒng)中第i個單泵單井模型的注水泵入口折算壓力，MPa。

單位注水量電耗是油田注水生產(chǎn)用電量與注水量的比值，則單井單位注水量電耗與單井輸入功率之間的關(guān)系如式（3）所示：

式中：MJWi為單井單位注水量電耗，kW·h·m-3。

目前，大多數(shù)注水系統(tǒng)單井井口前沒有安裝測量單井單位注水量電耗的儀表，無法直接獲取單井單位注水量電耗。當(dāng)注水管線比較短，地形起伏差異比較小時，單井單位注水量電耗與單井的流量呈線性關(guān)系。故采用按流量配比的方式計算單井單位注水量電耗，如下式（4）—（5）所示：

式中：MJW為注水系統(tǒng)單位注水量電耗，kW·h·m-3；m為注水系統(tǒng)的注水井總數(shù)量；λi為注水系統(tǒng)中第i口注水井的注水量與注水井總流量的比例。

在注水系統(tǒng)單泵單井模型當(dāng)中，單井輸入壓力pwi為變量，其余與單井輸入壓力pwi無關(guān)的常量可以看成常數(shù)，如式（6）所示，則斜率k為單井輸入流量的倒數(shù)，如式（7）所示。將單井輸入功率pwiGwi可作為自變量，單井單位注水量電耗MJWi作為因變量，則二者符合線性關(guān)系，式（8）所示，線性關(guān)系見圖2。

圖2 單井輸入功率與單井單位注水量電耗關(guān)系Fig.2 Linear relationship between input power and power consumption per unit water injection rate of single well

式（6）—式（8）中：c為單井輸入功率與單井單位注水量電耗直線截距；PPin為注水泵入口壓力，MPa；GP為注水泵流量，m3/h；k為單井輸入功率與單井單位注水量電耗直線斜率。

斜率k的物理意義為單井井口流量的倒數(shù)；截距c的物理意義為單位注水量功率消耗，即單位注水量泵機組損失功率、單位注水量站內(nèi)管線損失、單位注水量回流損失、單位注水量注水管網(wǎng)損失之和與泵入口水帶來的功率的差值。

單井輸入功率與單井單位注水量電耗線性關(guān)系的斜率和截距綜合反映了注水系統(tǒng)以及注水井的能耗情況。因此，可利用直線斜率和直線截距對注水系統(tǒng)和注水井進行能耗評價。

2 能耗評價方法

2.1 直線截距法

直線截距法是利用單井輸入功率與單井單位注水量電耗直線關(guān)系的截距大小進行比較。直線截距c的物理意義是注水系統(tǒng)的單位注水量功率消耗，表明了輸入單位水量所需要消耗的功率，可將截距c作為評價注水系統(tǒng)能耗評價的指標(biāo)，即直線截距評價法。通過獲取大量注水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，依照被監(jiān)測對象70%以上合格，20%優(yōu)良的原則，對注水系統(tǒng)進行評價[19-20]。

2.2 單耗節(jié)能率法

單耗節(jié)能率法是利用單井單位注水量電耗理論值與實際值的差值與理論值之比，由式（9）計算。通過比較單耗節(jié)能率α的大小，單耗節(jié)能率α越大，則能耗更低。單耗節(jié)能率α計算示意圖見圖3。

圖3 α的計算方法Fig.3 Computational method of α

式中：α為單耗節(jié)能率；y為注水系統(tǒng)中第i口注水井理論上所需要的單位注水量電耗，kW·h·m-3；yi為注水系統(tǒng)中第i口注水井實際的單位注水量電耗，kW·h·m-3。

單耗節(jié)能率α為正數(shù)，表明該注水井處于能耗較低的狀態(tài)，單耗節(jié)能率α為負(fù)數(shù)，表明該注水井處于能耗較高的狀態(tài)。

3 能耗評價方法的應(yīng)用

采用我國西北A 油田和東北B 油田的注水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行驗證，結(jié)果見圖4、圖5。從圖4中可以看出，在A 油田注水系統(tǒng)中，注水壓力與注水流量較小，單井輸入功率主要在1 ～6 kW，單井單位注水量電耗波動較小，主要在2 ～12 kW·h·m-3，單井輸入功率與單井單位注水量電耗符合線性關(guān)系，擬合度R2為0.947 4，現(xiàn)場數(shù)據(jù)擬合結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合。

圖4 A油田注水系統(tǒng)Fig.4 Water injection system of A oilfield

圖5 B油田注水系統(tǒng)Fig.5 Water injection system of B oilfield

從圖5中可以看出，在B 油田注水系統(tǒng)中，注水壓力與注水流量較大，單井輸入功率主要在0 ～20 kW之間，單井單位注水量電耗波動較大，主要在0 ～35 kW·h·m-3之間，單井輸入功率與單井單位注水量電耗符合線性關(guān)系，擬合度R2為0.912 2，現(xiàn)場數(shù)據(jù)擬合結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合。

3.1 注水系統(tǒng)能耗評價

在油田A 與油田B 中各取5 個注水系統(tǒng)，共493口注水井，做出各注水系統(tǒng)的單井輸入功率與單井單位注水量電耗的線性關(guān)系（圖6）。

圖6 A油田與B油田注水系統(tǒng)Fig.6 Water injection system of A oilfield and B oilfield

對于往復(fù)泵，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》中規(guī)定，注水系統(tǒng)效率限定值為40%，節(jié)能評價值為45%，可對這十個注水系統(tǒng)進行評價[21]。同樣，依照被監(jiān)測對象70%以上合格，20%優(yōu)良的原則，利用直線截距法對注水系統(tǒng)進行能耗評價，評價結(jié)果對比見表1。

根據(jù)評價結(jié)果可知，傳統(tǒng)的系統(tǒng)效率法與直線截距法的評價結(jié)果基本吻合。

3.2 注水井能耗評價

在選取的10個注水系統(tǒng)中，計算單耗節(jié)能率，得出各注水系統(tǒng)中能耗高的注水井，油田A 注水系統(tǒng)見表2，油田B注水系統(tǒng)見表3。

結(jié)合油田現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，J31-63 注水井能耗高的原因是由于油壓過高，泵的揚程不夠，注水流量為0，可通過適當(dāng)增加泵的揚程緩解；其余各注水井之所以能耗高，是因為注水壓力過低，達(dá)不到需要的配注量，結(jié)合油田實際情況，可采取洗井、放大水嘴等措施提高注水量。

表1 評價結(jié)果對比Table1 Comparison of evaluation results

表2 油田A注水系統(tǒng)Table2 Water injection system of A oilfield

表3 油田B注水系統(tǒng)Table3 Water injection system of B oilfield

根據(jù)注水井能耗評價結(jié)果，可找出能耗異常的注水井，結(jié)合現(xiàn)場實際情況采取對應(yīng)措施，從而提高注水系統(tǒng)效率。目前，該評價方法僅用了兩個油田的部分注水系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行驗證，若要推廣并應(yīng)用該評價方法，還需要更多的數(shù)據(jù)對該評價方法進行完善。

4 結(jié)論

1）通過理論分析并結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，單井輸入功率與單井單位注水量電耗存在線性關(guān)系，直線斜率和截距綜合反映了注水系統(tǒng)以及注水井的能耗情況。

2）利用直線截距法對注水系統(tǒng)進行能耗評價，評價結(jié)果與傳統(tǒng)的系統(tǒng)效率法基本吻合，可直接利用該方法對注水系統(tǒng)進行能耗評價。

3）利用單耗節(jié)能率法對注水井進行能耗評價，可找出能耗異常的注水井，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，分析原因并采取相應(yīng)的措施，從而提高注水系統(tǒng)效率。