油田地面工程注水管网模拟评价平台构建

李爱华 倪玲英 朱江

（中国石油大学（华东））

注水是国内外应用最广泛的油田开发方式和二次采油方法。向油层注水不仅能增加原油采收率、提高开发速度，而且还可以延长油井的自喷采油期，因而，注水开发也是降低原油开采成本的重要途径。然而，目前我国各油田的注水系统普遍存在效率低、能耗高、能源浪费大的问题。据统计，我国各大油田注水系统耗电量约为其油田总用电量的33%～56%，而中原油田地面注水系统耗电量占比更是高达62.5%。

油田地面注水管网的高能耗主要体现在：一是，管网结构不合理。随着油田新区块的不断开发，油田注水系统逐渐形成了庞大的注水网络格局，仅凭经验对管网进行改建、扩建，导致注水管网结构混乱。同时，沿用原有的注水运行方式，势必破坏注水系统的整体平衡，导致注水系统能耗升高、效率下降；二是，管道能源浪费严重。由于监测手段落后、维护保养不及时，注水管网结垢、腐蚀问题较为严重，特别是老区，仅2006年，孤东油田因管网结垢带来的直接经济损失约2 500万元，且呈逐年增加趋势。

因此，建立一套可靠、便捷的注水管网结构优化、参数监测、能耗评价的软件，对于强化注采管理、实现节能降耗具有重要的现实意义［1］。目前，我国各大油田相继开发了多款注水管网仿真模拟软件，多数模拟软件着重于管网初建时期的布局优化，而针对管网运行过程中的结构优化、能耗评价和分析的软件则较少［2］。基于此，针对油田地面工程注水管网，拟构建一个集管网运行参数监测、运行状态分析、管网能耗评价，以及虚拟改扩建于一体的软件平台，以期为油田注水管网的改造和维护提供合理建议。

1 注水管网的构建

从基本组成单元分析，注水管网由节点单元（包括注水站、配水间、注水井及管道交汇分叉节点）、管道单元（包括注水干线、配水支线、单井管道）和附属单元（包括阀门、三通、弯头等）组成，是一个复杂而庞大的水力学系统，同时，也是一个大型流体网络系统。典型的注水管网可分为树枝状管网和环状管网两大类［3］，详见图1。

图1 典型注水管网

复杂管网的结构要素不外乎为线元的交点，以及交点间的线元。应用离散数学的图论法，定义管网的集合函数F= (N,E)，其中，N表示节点，N= ｛ni｝（i为节点编号，i=1～k）；E表示节点间的线元，E= ｛ej｝（j为线元编号，j=1～m）。应用矩阵理论［4］，定义管网线元与节点间的衔接矩阵A。矩阵A表达式为：

通过编译FORTRAN程序语言，实现管网的自动生成及自动编号，直观地绘制出管网的结构图形。

2 管网水力计算模型的建立

根据流体力学理论，在复杂管网系统中，考虑到管道串联、并联不同的水力特性，沿管网内水体流动的方向（环状管网可事先假定方向），建立注水管网的水力计算模型［5］：

管路串联或并联时，均应满足质量守恒的连续性方程，即，节点处流量出入平衡。如，节点i同时与l条线元相衔接时，应满足的计算式：

式（3）中：Qi——节点i处的直接出入流量，m3/s；——与节点i相衔接的线元j的出入流量，m3/s。

管路串联时，应满足能量守恒定律，其计算式：

管路并联时，应满足能量守恒定律，其计算式：

式（4）、式（5）中：hw(1,2,…,l)——总水头损失，m；hwj——第j条线元的水头损失，m。

3 注水管网的数值模拟及能耗评价

首先，根据注水管网的几何结构图形和水力计算模型，编译FORTRAN程序语言，进行数值模拟计算。在已知注水系统各注水井配注量的情况下，获得管网内各个管道单元的压降、能耗、水力坡降及各个节点的压力、流量等水力参数。在管网设计阶段，采用井口设计配注量；在管网运行阶段，采用井口实际配注量。

然后，根据油田生产开发动态数据，对管网理论能耗与实测能耗进行对比分析，给出管网各条管道压降及能耗的理论值与实测值的相对偏差结果及对比曲线。若某条管道的理论能耗与实测能耗偏差过大，说明管道结垢、堵塞严重，建议优先考虑改造；若某条管道的实际配注流量与计算流量偏差过大，在排除人为控制阀门因素的前提下，说明管道存在跑、冒、滴、漏现象。这些均可列为问题管道，由此，可指导油田合理制定管道改造方案。

在此基础上，开展注水管网的虚拟改扩建。根据注水系统实际需要及管网能耗分析结果，拟定管网改造方案，建立新的管网几何结构图形和水力计算模型，重新进行数值模拟计算和能耗分析。通过不同方案的对比分析，提供可行的注水管网改扩建优选方案。

4 注水管网模拟评价平台的搭建

通过编译VB程序语言，构建油田地面注水管网模拟评价平台。该平台集注水管网的生成、注水管网的能耗评价及分析、注水管网改扩建的虚拟仿真，以及改扩建方案的优化选取于一体，是一个综合性的人机交互操作平台。平台架构见图2。

图2 油田地面注水管网模拟评价平台架构

5 注水管网评价实例

针对胜利油田某注水区块，应用油田地面注水管网模拟评价平台中现有注水管网能耗评价模块，开展管网运行状况评价。注水管网结构见图3。

应用2010年5月现场管网运行数据进行模拟计算。对于给定的注水站注水压力，各配水间节点处的压力直接反映了注水干线的能耗水平。注水管网各分支的理论与实测压力相对偏差见表1。

表1 注水区块各注水分支线管道理论与实测能耗相对偏差

由表1可以看出，西一干线整体能耗较高，说明管道堵塞、结垢情况严重，亟待改造。优先改造方案：一是，注水干线改造1条，为西一干线；二是，配水支线改造7条，分别为49、53、48、48-1、49-1、72-1、73-1；三是，单井管道改造21条。根据管网模拟评价平台给出的改造方案，2011年9月，采油厂对西一干线实施了整体改造，全线更换注水管道后，管网注水效率明显提高，与管网理论能耗值的偏差降至8.6%，较改造前减少了11.4%。

图3 某注水区块注水管网结构

6 结语

应用油田地面注水管网模拟评价平台，有助于分析注水管网的运行工况、开展管网的能耗评价，并及时对问题管道进行检测。同时，通过实施注水管网虚拟改扩建，获取管网改造方案下的运行水力参数。如，其他条件一定，若增设注水分支，可根据数值计算结果，相应增加泵站注水压力，保证管网压力、流量的平衡，以确保注水系统的优化运行。油田地面注水管网模拟评价平台对油田注水管网的优化运行具有一定的指导意义。

[1] 丰国斌.对油田注水系统节能降耗的探讨[J].油气田地面工程,1996,15(1): 17-19.

[2] 常玉连,高胜,郭俊忠,等.油田注水系统生产过程仿真软件ISPPS[J].系统仿真学报,1999,11(6):450.

[3] 常玉连,高胜,郭俊忠.注水管网系统模型简化技术与计算方法研究[J].石油学报,2001,22(2):95-100.

[4] 刘扬,赵洪激.油气集输管网节点参数矩阵方法研究[J].石油规划设计,1999,10(6): 30-31.

[5] 李从信,陈淼鑫,郭福田,等.注水系统的计算方法[J].石油学报,1998,19(3): 120-124.