基于模糊层次分析法的注水系统能耗评价

2016-09-06张意张浩然中国石油大学北京油气管道输送安全国家工程实验室

石油石化节能 2016年3期

张意　张浩然（中国石油大学（北京）油气管道输送安全国家工程实验室）

基于模糊层次分析法的注水系统能耗评价

张意张浩然（中国石油大学（北京）油气管道输送安全国家工程实验室）

由于国内油田大部分处于开发后期，需要通过注水来维持地层压力以提高原油采收率。而就注水系统能耗评价国内外尚未深入开展理论研究，亟需形成一套切实有效的相应评价体系，为优选注水方案提供参考依据，达到油田节能降耗的目的。从注水系统能耗分布规律出发，筛选出影响注水能耗的关键指标，并且根据行业标准和相关文献，建立各评价参数的优良范围。最后，利用模糊层次分析法构建注水系统节能评价模型，为现场注水方案整体能耗分析和高效快速的定量评价提供科学决策依据。

注水系统；能耗评价；模糊层次分析法

1　引言

1954年玉门油田首先采用注水驱油以来，国内各大油田陆续进行油田注水开发，保持油田长期稳定高产。目前，各大中型油田开采中形成了较为完善的油田地面注水系统。随着油田进入开采后期，注水量随之大幅度增加，注水费用在原油生产成本中所占比例日趋增高。

基于油田现场实际需要，科研人员针对注水系统降耗方面开展了大量研究。林永茂等人开发了包括注水系统控制，注水效率分析等功能模块的软件[1]，并对新疆油田某区块进行分析，根据分析结果提出改造意见。别峰峰等人研究注水系统优化，在专家系统理论的基础上开发出管网系统改造软件[2]，用于评测模拟改造后的运行效果。刘斌等人根据注水系统各个结构单元的效率计算方法和数学建模相关知识，提出注水系统控制理论[3]，及相应开发软件，与油田现场实际数据相符合，具有较高准确性。目前高校、科研机构主要集中于研究能耗计算、管网优化、系统优化运行等方面[4]。然而忽略了注水系统能耗评价方面的深入研究，只是停留在单因素的分析，无法给出合理、全面的注水系统能耗评价结果。因此，开发油田注水系统效率计算软件，分析影响注水系统效率的因素，并提供相应的整体能耗评价结果，优化注水工艺，合理匹配注水设备，对提高注水系统效率，降低注水成本，提高油田开发经济效益有现实意义。

2　注水系统能耗评价指标筛选及计算方法

油田注水系统主要由注水站、注水管网、配水间和注水井4部分组成（图1）。注水站包括电动机、注水泵等动力装置。配水间的主要功能在于利用阀组节流，满足注入压力。

图1　注水系统流程

油田注水系统耗电量大，约占整个油田生产用电量的50%[5]。根据上述注水系统流程图，可将注水系统的能量消耗分为3大部分：注水站的能损、注水管网的能损、配水间的能损。根据相关文献中注水系统中能耗损失分布规律[6]（图2），其中注水站的能量损失以电动机和注水泵机组的损失为主；注水管网能损以沿程摩阻为主；配水间的能量主要消耗于阀组节流，以满足注入压力。由于注水井的能耗相对于其他部分较小，且对实际能耗评价影响不大，故不考虑注水井的能耗情况。

图2　注水系统能流模型

2.1注水系统能耗评价指标及计算公式

注水系统中，电动机输入功率及效率、注水泵输入（输出）功率及效率、注水管网效率等指标计算公式参见SY/T 5264—2012《油田生产系统能耗测试和计算方法》[7]。

2.2能耗评价标准

根据国内相关文献的数据，并且结合我国的油田现场实际情况和国内相关标准规范[8]，建立评价指标标准表，见表1。

表1　能耗评价参数

3　构建多因素评价模型

3.1确定能耗评价指标模糊隶属函数及适应度矩阵

在确定能耗评价指标的模糊隶属度时，首先确定评价指标的最好和最坏的参数，如图从而对每一套注水系统i的每一个评价指标j的值Pij。可通过下面的公式计算适宜度初值[9]。

式中：xij——适宜度值；

Pij——指标实际参数值；

Paj——指标优良值；

Pbj——指标合格值。

但对不同注水系统进行综合节能评价时，采用适应度值xij，其取值范围为（0，1）。该式反映出当注水系统能耗越高时，相应指标的适宜度值就会越大。为使其符合指标接近理想值时，适宜度初值越大，并且增大同一系统中不同因素之间的差异，因此引入下式[10]：

同样aij的取值范围为（0，1）。当aij越接近于1时代表评价指标越优良，从而aij构成了注水系统能耗评价模糊适宜度矩阵A。该矩阵的行和列分别反映参与评价的注水系统的所有评价指标对注水节能模糊适宜度大小和不同注水系统是否已评价指标对注水节能模糊适宜度的对比情况。

3.2同一注水系统各评价指标的权重

由于同一套注水系统的不同参数对于注水能耗的影响效果不一样，有的参数的变化（例如配水间阀组节流增大）会导致整套注水系统的能耗急剧增加；而有的参数由于在总能耗中所占的比例较小，即使波动较大也不会对节能评价结果产生影响。模糊适宜度矩阵A仅仅反映的是单一的评价参数对注水系统节能的适宜性，为单因素评价，无法反映不同评价参数之间的相对重要程度。要想对注水系统进行能耗综合评价，同时还必须得确定不同评价参数对注水系统节能的响应系数，即权重。参考文献中的模糊层次分析法[11]，通过建立模糊判断矩阵以及一系列的计算方法得到不同评价参数的权重。

用模糊数量标度表建立表示两两参数之间重要程度对比的模糊优先判断矩阵（F）。如下所示。

通过公式将优先关系矩阵转换为模糊判断矩阵R(rij)。

在转换的过程中，选择精度高，收敛速度快的幂法[12]计算排序向量（权重） Wij。

通过该方法计算指标权重，可以避免当模糊判断矩阵R不是一致矩阵的情况[13]，简化了计算步骤，并且具有同样的求解精度，目前已经广泛运用于各领域。

3.3综合评价注水系统能耗

对不同注水系统的综合评价是对各注水系统能耗整体情况的评价。模糊适宜度矩阵A和指标权重的乘积反映了同一注水系统评价参数之间对节能的适宜性的加权表现，即

式（4）的加权向量与其转置矩阵的乘积则体现不同的注水系统各评价指标的对比情况，式（5）和（6）可得到各个注水系统能耗整体情况的综合评价和排序，其综合评价结果用Ri来表示，即

4　实例分析

利用所建立的评价模型和现场3套注水系统的实际参数，对3套注水系统的能耗情况进行综合评判。3套注水系统为单泵站注水管网系统如图3，通过水力模拟仿真计算，得出每套管网系统的节点流量、压力参数值。再根据注水系统能耗评价指标计算公式计算相应的参数值，如表2所示。

图3　注水系统

建立对于注水系统i的每一评价参数j的值相应的节能适宜度，并得到注水系统是否节能的模糊评价矩阵A。

表2　注水系统参数

用模糊数量标度表得到同一注水系统各个参数对节能情况的模糊一致判断矩阵F。

通过幂法求得同一注水系统各个参数对于节能的响应权重向量Wij：

W=[0.160 9 0.156 2 0.086 1 0.138 9 0.094 4 0.116 4 0.247 1]T

则同一注水系统各评价参数之间对系统节能适宜度的加权表现矩阵及其转置矩阵：

由式（4）、（5）得到各个注水系统能耗评价的综合结果：

由评价模型结果可以看出，注水系统1(R1)的整体能耗情况最佳，而注水系统2(R2)和3(R3)能耗情况相对较差，不符合节能标准。由表2可知，虽然注水系统1的注水单耗较高，管网效率较低，但整体的能耗效率要优于另外2个注水系统。

由于注水系统2和注水系统3的配水间的节流损失较大，且注水泵和注水量不相匹配，从而造成配水间的效率和注水泵的运行效率偏低[14]。另外分析水力仿真计算数据可知，注水系统中注水管网的压差损失均小于1 MPa。而配水间和注水站的压损最高却可达到8 MPa，这两项损失占据整个注水系统能量损失的60%，从而在评价模型中该参数的权重较大，使得注水系统2和注水系统3的最终评分较低。相比之下注水管线的能耗所占的比重相对较小，不会对注水系统整体能耗效率产生较大影响，因此在注水管网改造过程中，注水站和配水间才是研究的重点。基于上述能耗成因分析，可提出如下改造措施[15]：不同型号的注水泵组合优化运行，使泵在高效区运转；为避免大量的节流损失，可根据油田注水井油压实际情况，采取整体降压，局部增压的方式满足注水要求。