注水系统优化运行方案研究

Study on Optimized Operation Scheme of Water Injection System

摘要: 针对采油厂注水系统压力损失与能耗实际情况，应用有限元分析和水力学原理，根据油田注水系统管网拓扑结构特点，建立了注水泵开泵组合优化数学模型和油田注水系统仿真模型，提出了注水泵并联工作的图解法。根据油田注水系统仿真与优化的技术原理，建立注水系统管理优化平台，找出泵站运行的最佳方案，达到了注水系统节能降耗的目的。

Abstract: In consideration of the actual situation of pressure loss and energy consumption of the water in-jection system in the oil production plant, by using the finite element analysis and hydraulic principle, according to the topological structure characteristics of the oilfield water injection system, the mathematical model of the injection pump combination optimization and the simulation model of the oilfield water injection system were established, and the graphic methods of parallel operation of water injection pump were proposed. Based on the technical principle of simulation and optimization for oilfield water injection system, the water injection system management and optimization platform is established, the optimal scheme of pump station operation is found through optimization model, and the purpose of energy saving and consumption reduction in water injection system is achieved.

1. 引言

目前我国陆上油田基本上采用了注水开发方式提高油藏采收率。但同时注水耗能也成为了油田耗电大户，据统计油田注水耗电约占油田总耗电的40%左右。因此，有必要对整个注水系统的效率进行评估研究，找出潜力点，合理匹配泵型组合。

油田注水系统的优化主要有2种型式：设计型优化和操作(运行)型优化。近些年来，国内外众多学者对注水系统进行了优化研究。文献 [1] [2] [3] [4] [5] 报道的注水系统的优化大多属于设计型优化，而操作型的优化较少，而且所涉及的注水系统的规模不大。实际的注水系统是由多个节点单元(注水站、配水间、注水井及管线交汇点等)、管道单元(注水干线、注水支线)和附属单元(阀门、弯头、三通等)组成的复杂大系统，对其进行仿真计算和优化求解有相当的难度 [6] [7] [8] 。同时，注水系统的规模越大，系统优化和节能的空间也越大。通过建立注水泵开泵组合优化数学模型和油田注水系统仿真模型，提出了注水泵并联工作的图解法；根据油田注水系统仿真与优化的技术原理，建立了注水系统管理优化平台；通过优化模型找出泵站运行的最佳方案。

2. 某注水系统运行数据测试分析

某注水系统现场运行泵共20台，其中离心泵机组17台，柱塞泵机组3台(增压泵站内)；测试离心泵泵效合格共17台，合格率100%；测试离心泵泵效节能7台，占比41.18%。压力损失情况见表1，现阶段平均注水压力14.01 MPa，站内管线压力平均损失0.39 MPa，注水管网平均压力损失2.32 MPa，其中管线压力损失0.60 MPa，注水阀组压力损失1.72 MPa。

Table 1. The pressure loss

表1. 压力损失情况

注水系统能耗情况见表2，整体有效能量输出为18,837.1 kW，占系统整体能耗59%；机组损失7562.5 kW，占系统整体能耗24%；站内损失540.2 kW，占系统整体能耗2%；管线损失2296.8 kW，占系统整体能耗7%；阀组损失2510.5 kW，占系统整体能耗8%。

Table 2. The energy consumption in water injection system

表2. 注水系统能耗情况

3. 注水系统优化模型

3.1. 数学模型

注水泵开泵组合优化数学模型为：

$j=\alpha {\displaystyle \underset{i=1}{\overset{m}{\sum }}\frac{\left(p_{2i}-p_{1i}\right)Q_i}{{\eta }_{pi}{\eta }_{ei}}}$ (1)

$f=\alpha \frac{{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{m}{\sum }}\frac{\left(p_{2i}-p_{1i}\right)Q_i}{{\eta }_{pi}{\eta }_{ei}}}}{{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{m}{\sum }}{Q}_i}}$ (2)

式中：j为注水总电能，kW∙h；f为单位注水耗电量，(kW∙h)/m³；m为一个注水站的注水泵台数；Q_i为第i台注水泵的排量，m³/d；p_2i为第i台注水泵的出口压力，MPa；p_1i为第i台注水泵的进口压力，MPa；η_pi为第i台注水泵的效率，%；η_ei为第i台注水电机的效率，%；α为单位换算系数，α = 0.2778。

根据注水管网模拟结果，在确定了注水站的出口流量和出口压力后，确定注水系统离心注水泵的型号、开泵台数、泵的出口压力、工作流量、工作扬程与泵匹配的电动机型号及功率。

3.2. 仿真模型

注水系统仿真数学模型的建立主要研究系统中各单元的能量方程和管网中各节点的流量平衡方程，采用相邻矩阵描述管网拓扑结构。

拟采用直接迭代与牛顿迭代的混合迭代方法对仿真模型进行迭代求解。在实际研究过程中发现对于复杂管网的仿真模型求解时，由于牛顿迭代法需计算函数的导数值，使得到的特性矩阵的元素非常复杂且规律性较差，难以对大型注水系统实现仿真计算。考虑到注水系统的结构复杂，系统方程维数较高，为了保证计算的可靠性，研究中拟采用简单迭代法对仿真模型进行求解。

4. 注水系统管理优化平台

4.1. 技术原理

基于有限元分析的思想和水力学的原理，根据油田注水系统管网拓扑结构的特点，建立油田注水系统仿真模型。把水力摩阻系数改变造成的误差转变成等效管长的思想，建立管网的管段校核模型。将泵的开停方案和泵的配注流量作为优化变量，以泵站总消耗最小为目标建立优化计算模型，并应用智能算法来进行求解。整个注水管网系统的节点和管段的参数值都可以由仿真模型得到，并且可以通过优化模型找出泵站运行的最佳方案，以达到注水系统节能降耗的目的。

4.2. 主要作用

1) 获得注水管网系统的运行参数。运用仿真计算模块可以获得油田注水系统中各个节点和管段的参数值(流量、压力)，由于注水过程的流量和压力经常会出现波动，其运行过程并非一成不变，从注水系统的流量和压力分布可以看出各个注水泵站的注水半径，这为油田注水系统的运行提供了可靠的数据支持。

2) 校正发生改变的管网模型。由于注水系统长期运行，管网系统中管段的摩阻系数发生改变，其运行参数与原来的参数会产生较大差距，利用校核模块可以找出发生改变的管段，且校核后的参数值与实际值接近，可以反映出实际管网的运行过程。

3) 找出注水系统的最佳运行方案。利用优化计算模块，找出注水泵站的最佳开停方案和泵站中注水泵的最佳配注流量，新的运行方案在满足注水管网各项要求的前提下，使注水系统的总能耗降低，整个系统的运行效率提高，为油田注水系统节能，降低其运行费用。

4) 拟合泵的特性曲线。利用泵的试验测试数据，对注水泵的扬程–流量，效率–流量曲线进行拟合。

5. 泵机组测试及优化模型分析

胜八注通过3359干线连通胜六注水站，干线上包括有7个配水间，水量为90 m³/h；通过S4干线联通胜四注，受水量为30 m³/h。胜九注通过S6干线连通胜六注，干线上包括3个配水间，水量为105 m³/h。

模型优化发现胜六注–胜八注水力平衡点位于3359配水间处。胜六注–胜九注水力平衡点位于3-6-196配水间处。由于胜八注站内干线测试受水量为30 m³/h，其水力平衡点并未处于连通线上，建议对胜八注进行水力切断。

模型1：一台泵工作时的流量为160 m³/h，两台泵并联的总流量为297.8 m³/h，比单泵工作时增加了137.8 m³/h。通过现场测试，胜五注为不同型号泵并联运行，采用压力折算法进行泵机组并联效率分析。

模型2：运行1^#、3^#、4^#泵机组，其额定排量分别为350、400、450 m³/h，实际排量分别为402.8、437.2、415.5 m³/h，实际排出压力分别为14.4、14.4、14.5 MPa，汇管压力为14.2 MPa，压力折损分别为0.2、0.2、0.3 MPa。在该工况下3台泵分别对于最佳工况点偏移影响分别为0.73%、0.68%、6.33%。通过现场测试，胜六注为两台同型号、同水位的泵机组并联工况，采用并联累加法进行泵机组并联特性分析。

模型3：一台泵当前工作点时的流量为500 m³/h，两台泵并联的总流量为1032 m³/h，比单泵工作时增加了532 m³/h，折算成效率影响为单泵同等压力工况点的0.13%。通过现场测试，胜八注为不同型号泵并联运行，采用压力折算法进行泵机组并联效率分析。