长庆油田注水管道经济流速确定方法

杨露，王俊涛，刘丛

1.长庆油田第三采油厂采油工艺研究所，宁夏银川750006

2.长庆油田超低渗透油藏研究中心，陕西西安710018

长庆油田注水管道经济流速确定方法

杨露1，王俊涛2，刘丛1

1.长庆油田第三采油厂采油工艺研究所，宁夏银川750006

2.长庆油田超低渗透油藏研究中心，陕西西安710018

注水管道运行参数最优化是油田注水系统高效、节能运行的重要手段。文章考虑油田注水管道自身特点，结合流体力学和经济评价手段，推导了长庆油田注水管道经济管径和经济流速关系式，计算了西北地区油田部分在用注水管道的经济流速范围，可为注水管网的设计计算提供借鉴。

注水管道；经济流速；经济管径

0 引言

油田注水管道设计运行是一个涉及投资、水力学、管理学等多领域的交叉问题。通常情况下，工程人员关注点多集中于注水管道管径、管道流速和壁厚等方面的研究或计算。多年来，油田注水管道经济流速的确定沿用了给水工程中城市供水管网经济流速的概念[1]。

然而实践证明，油田注水系统中的管道无论在造价、使用压力还是使用寿命上，都与城市供水管道有着显著不同，直接借用城市供水系统经济流速经验数值并不准确[2]。

本文对长庆油田西北地区注水管道经济流速进行建模计算，可为油田注水管网的设计计算提供借鉴。

1 注水管道总投入函数

注水管道的总投入由注水管道的基建投资、动力费用和维修费用三部分组成。一般来说，在确定注水管道运行参数时，主要考虑的因素是管道压降和流速。管道规格不同，流速不同，其运行费用必然不同。管道流速高，压力损失大，耗电量大，运行费用高；反之，管道流速低，管道直径大，虽然运行费用低，但基建投资高。因此流速过大或过小都不经济，只有流速和管径相互协调匹配，才能实现注水管道运行最优化，此时的管道流速称为经济流速，管径称为经济管径。

（1）依据现行管网经济评价体系，每米注水管道的基建投资为[3]：

式中C——注水管道每米基建投资额/（元/m）；

a，b——管道造价系数，无量纲；

d——管道内径/m；

α——管道造价指数，无量纲。

（2）注水管道的运行动力由注水泵提供，运行费用包括泵站电费M1和维修费用M2，其中维修费用M2一般取管道基建投资的一定百分比。

注水泵年做功转换成年电力费用的关系式为：

式中M1——注水泵年电力费用/元；

E——电价/（元/kW·h）；

q——管道流量/（m3/s）；

H——水泵静扬程/m；

h——管网起点到终点的水头损失/m；

ηs——泵站效率（电机和注水泵两者效率的乘积）。

注水管道年维修费用：

式中M2——注水管道年维修费用/元；

P——每年扣除的折旧费和大修费/元；

L——管道长度/m。

（3）注水管道年总投入为：

W=S C（d）L+M1+M2，即

式中W——注水管道年总投入/元；

S——管道基建投资年分摊率。

2 管道基建投资

公式（1）提供了每米注水管道基建投资（造价）和管道内径的关系，包含有a、b、α三个系数。根据长庆油田西北地区注水管道价格，绘制单位长度造价C和管道内径d的关系曲线，拟合确定系数（见图1，数据来源于长庆油田2011年各类管材标准化预算），a=-28.437 2，b=9 789.925 09，α=1.627 79。

图1 注水管道单位长度造价与管道内径关系

3 模型计算

通过前述分析可以看到，确定注水管道经济流速和经济管径的问题，可转化为确定最优化投资的问题，即确定管道内径d值使得目标函数W值最小，进一步转化为W对d求导数确定最优值。

公式（2）中需要计算水头损失h。常用计算方法为谢维列夫公式和海曾-威廉公式[4]。考虑到海曾-威廉公式可适用于不同管材（需根据不同的管材取不同的海曾-威廉系数），因此本文根据注水无缝钢管的实际情况，将海曾-威廉公式的系数进行适当修正[1]：

式中k——系数，取k＝1.743×10-9；

n——系数，取n＝2；

m——系数，取m＝5.33。

于是有：

经济管径d：

经济流速v：

根据中国石油天然气集团公司规定，S=0.158 3，P=6元，ηs=75%，E=0.64元/kW·h，代入公式中即可求得对应的经济管径和经济流速：

需要强调的是，纵观整个推导过程，始终将管径看作连续变量，但市场上销售的管材其管径都有严格的分档，故管径属于离散变量而并非连续变量。考虑到实际情况，需要将计算出的管径标准化。依据推导的公式，本文计算了长庆油田西北地区部分注水管道管径的经济流速，见表1。

从表1可以看出，油田常用注水管道经济流速范围在0.89～1.32 m/s之间，不同管径的经济流速需要通过计算来确定，不能笼统对待。

表1 部分注水管道管径与经济流速关系

4 结论

（1）经济流速是在一定经济条件下确定的，需要考虑注水管道造价、运行管理费用和运行折旧费等诸多外部因素，外部条件改变，经济流速随之改变，盲目借用城市供水管网的经济流速值是不合适的。

（2）本文提出的计算长庆油田西北地区注水管道经济流速的数学模型使用方法简单，可为工程人员设计注水管网提供计算依据。

[1]胥惠娟，马丽芬，孙河生，等.油田注水管道经济流速的确定[J].河南石油，2002，16（4）：48-49，52.

[2]陈领君，李明忠，王延生，等.注水管道运行技术经济参数的确定方法[J].油气田地面工程，2010，29（7）：8-10.

[3]ZBBZH/YZ，油田注水工程建设标准[S].

[4]袁恩熙.工程流体力学[M].北京：石油工业出版社，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

杨露（1984-），男，湖北天门人，工程师，2009年毕业于成都理工大学油气田开发专业，硕士，现主要从事油田注水研究工作。

2014-04-07