基于管网损失率的注水系统能耗评价

阮 岩，程为彬，陈 晨，罗海龙

(1.陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西 西安 710065； 2.光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西 西安 710065)

引 言

随着油田开发建设的逐步进行，原油可采储量的下降，油井产出液中的含水率逐渐升高，产油量持续下降，原油生产成本呈上升趋势。据统计，注水耗电量约占我国油田生产用电的33%～56%[1]。且随着油田进入高含水期开发阶段，注水量大幅度增加，注水能耗急剧上升[2]。为此，国内多所高等院校、研究机构对油田注水系统优化节能降耗方面开展了大量研究，以解决油田注水系统的高效优化和降耗问题，提高油田企业经济效益[2-3]。目前国内外就注水系统的管网部分的研究重点集中在管网设计和运行优化算法[4-6]上，而对注水管网运行能耗的评价体系的研究和应用却很少，缺乏科学完整评判注水管网能耗的评价指标[7]。为此，本文就建立管网损失率作为能耗评价指标开展了相关的研究工作,以期实现对注水系统全面的节能降耗的监测和科学的管理。

1 注水管网系统能耗成因分析

注水系统是由节点单元、管道单元和附属单元组成的大型复杂流体网络系统[8]。其中节点单元包括注水站、配水间、注水井及管线交汇点，管道单元包括注水干线、注水支线，附属单元包括阀门、三通、弯头等。

沿着注水流程方向，运用节点分析的技术进行能耗分析，建立注水地面系统的能流模型，如图1所示[9]。

图1 注水地面系统的能流模型Fig.1 Energy flow model of oilfield ground water injection system

影响管网效率的因素[10-11]很多，简要分析如下：

(1)注水干线损失。注水管网中普遍存在管线结垢，管线内有污油现象，并且内表面凹凸不平。由于管线的管损受管线内径、内表面粗糙度和流体的黏度影响很大，造成注水管线管损普遍较高。

(2)配水间配水阀控节流损失。由于各个注水井所需的注水压力不同，因此需要用配水间阀门调节单井注入量，低压注水井的高压来水的剩余压力主要被配水间阀门节流掉了。

(3)单井管线损失。由于单井线更新比干线慢，其结垢腐蚀程度大于干线。

(4)井口节流损失。井口阀门一般全打开，其节流损失少，可不考虑。

在注水系统中大量能耗统计数据表明，管网部分能耗的损失占注水系统总能耗损失的25%左右。对于这一部分的能耗评价，目前是对管网各个环节的压力损失有一些相应的规范和油田长期经验形成的不成文的共识。如注水干线损失，遵照《油田注水系统经济运行》(SY/T6569-2010)[12]要求注水系统干线压力损失应控制在1 MPa以内；对于配水间配水节流损失，根据某油田2007—2016年期间注水系统的测试经验和测试结果的统计，离心泵注水系统配水间阀控压力损失合理范围控制在3 MPa以内，往复泵注水系统配水间阀控压力损失合理范围控制在4 MPa以内；单井管线压力损失要求控制在0.5 MPa以内，而未能对整个管网的能耗数据的优劣进行评价，亟需建立一个能系统评价管网能耗的指标。

2 管网损失率评价指标的建立

在注水地面系统中，如果能建立一个综合评价管网能耗的指标，就能评判管网系统能耗是否合格；如不合格，则查找注水管网在各个环节的能耗损失问题，以此指导注水管网优化和改造。因此在已有《油田生产系统节能监测规范》(SY/T 6275-2007)[13]的注水系统节能监测项目与指标的基础上，增加注水系统的管网损失率指标评价标准。

2.1 按站出口压力建立管网损失率

可以按上文所述的管网各个环节已有的相关规范和油田长期经验所形成的共识为基础，推引出管网损失率的评价方法，推理过程如下：

管网损失率用管网部分的能量损失与注水系统总输入能量之比百分数表示，即:

(1)

式中：η管损为管网损失率，%；W管损为管网能量损失，kW；W总为系统总输入能量，kW。

管网能量损失W管损包括干线损失、阀控损失、单井管线损失、井口节流损失。井口节流损失一般较小，可以忽略不计[14]。因此，管网损失率主要包含3部分，即

(2)

式中：W干线为干线能量损失，kW；W阀控为阀控能量损失，kW；W单井为单井管线能量损失，kW。

损失能量

W损=p损×Q1，

(3)

式中：W损为能量损失，kW；p损为损失的压力，MPa；Q1为管内流量，m3/h。

将式(3)代入式(2)，并且各环节所损失的压力，最大值不应超过如前所述的干线压力损失为1 MPa、离心泵注水系统配水间阀控压力损失为3 MPa、往复泵注水系统配水间阀控压力损失为4 MPa、单井管线压力损失为0.5 MPa。以此为各节点的标杆，推导出对管网损失率的评价办法[15]如下：

离心泵注水系统管网损失率

(4)

往复泵注水系统管网损失率

(5)

(6)

式中：p为泵出口压力，MPa；η站为注水系统站效，%；Q2为站供出水量，m3/h。当管网漏失水量为0时，即Q1=Q2。式(4)离心泵注水系统管网损失率为

(7)

式(5)往复泵注水系统管网损失率

(8)

由式(7)、(8)可知，在泵出口压力大小不同、站效不同时，可计算出离心泵注水系统和往复泵注水系统在各自工况下的管网损失率的评价数值。低于此数值,系统的管网能耗则合格,高于此数者即管网能耗较大,管网需优化和改造。

2.2 按泵的额定排量划分建立指标

参照油田以往建立指标时所使用过的类似方法，即统计并计算目前油田的管网损失率的数据，对其数据进行升序排序，按排序的前40%、70%取值。当管网损失率数值小于40%的数值时，系统的管网能耗为节能；当数值大于40%小于70%的数值时，管网能耗为合格；当数值大于70%的数值时，管网能耗为不合格状态[16]。具体方法如下：

由于目前所使用的标准《注水地面系统节能监测项目与指标》中，各评价指标都是以泵的额定排量Q划分各区间段的。在此，管网损失率也首先按额定排量划分合适的区间段，然后按各区间段数据再排序取值。

划分合适的区间段。利用油田2015年478项测试数据进行数据样本处理分析，按照泵的额定排量将其划分区间段，并将管网损失率按升序排序，节能值与限定值分别以数据排序的前40%、70%取值，分别用4种方法划分和取值，结果见表1—表4。

表1 管网损失率节能监测指标1Tab.1 Energy-saving monitoring index 1of pipeline network loss rate

表1中，监测油田注水系统时，管网损失率达到节能监测限定值的可视为“管网合格系统”。在此基础上，被检测系统的管网损失率达到节能评价值的可视为“管网节能运行系统”。由表1可知：(1)随着额定排量划分区段的增大，管网损失率限定值与节能评价值均先变大后变小，这符合管网损失率的随流量变化的规律；(2)Q<100的数据量较大；(3)Q<100与100≤Q<250数据段管网损失率限定值相同。

油田往复泵系统较多，表1中，Q<100的区段需要详细划分，观测分析其划分结果；Q≥400区段是否再划分需要进一步验证。以下尝试2种划分方法，分别见表2和表3。

表2 管网损失率节能监测指标2Tab.2 Energy-saving monitoring index 2 of pipeline network loss rate

表3 管网损失率节能监测指标3Tab.3 Energy-saving monitoring index 3 of pipeline network loss rate

由表2和表3可知：(1)Q≥400区段划分后的各个区段节能监测限定值接近，节能监测节能评价值基本不变，故可不必再细分该区段；(2)结合表1中Q<100与100≤Q<250数据段管网损失率限定值相同，表2中Q<50与100≤Q<250数据段管网损失率限定值也相同，可考虑以合并区段。最终建议采用第4种划分方法，见表4。

表4 管网损失率节能监测指标4Tab.4 Energy-saving monitoring index 4 of pipeline network loss rate

由表4可见，对于任意一个注水系统，只需知道注水系统泵的额定排量数据和管网损失率的测试数据，就可依据此表的结果对管网能耗进行系统评价，判断注水管网能耗是节能、合格还是不合格状态，以此指导管网的运行与改造。

3 理论分析与实际应用

3.1 管网损失率数据变化规律分析

在对管网数据统计分析时发现，管网损失率随着流量的增加先增加后减小，管网损失率存在最高点，表1-表4管网损失率节能监测指标也体现出这一数据特征。以下从理论上对这一现象进行分析。

管网损失率的高低，体现在从注水站出口到注水井口为止的管线压力损耗的大小，管线压力损失的大小又可用水力学上的注水管段水头损失的大小来表征。由水力学知，注水管段的水头损失[14]，包括沿程损失和局部损失。沿程损失是沿程管段长度的水头损失，局部损失如阀门、三通、四通、弯管、渐缩(扩)管等局部水头损失。由上并根据达西公式和流速公式等[17]，可推理出管道的沿程水头损失

(9)

式中：hf为沿程水头损失，m；λ为沿程阻力系数；l为管段长度，m；d为管段管径，m；q为管道流量，m3/h；g为重力加速度，g=9.8 m/s2。

局部水头损失可表示为

(10)

式中：hτ为局部水头损失，m；ε为局部阻力损失。

从式(9)、(10)中可知：在一定的流量区间，管线使用的管径基本差异不大，影响管网损失的因素主要为流量，流量越大，水头损失越大，管线压力损失越大，管网损失率越大；当流量超出一定区间时，管线可能会使用更大的管径，从式(9)和式(10)可以看出管径d对水头损失的影响大于流量q，即水头损失减小，管线压力损失变小，管网损失率减小。

因而管网损失率会随着流量的增加，在某区段内会呈现出先增加后减小的变化规律。

3.2 某油田2016年测试数据评价应用结果

(1)站出口压力建立法

用某油田2016年测试数据，按站出口压力建立管网损失率的方法，根据式(7) 和式(8)，由各离心泵站和往复泵站的站出口压力及泵站站效，分别计算出离心泵注水系统和往复泵注水系统在各自工况下的管网损失率的评价数值，并由此评价各系统的合格情况。在此仅给出统计结果，见表5。

表5 管网损失率合格情况统计(2016年)Tab.5 Statistics of passpercent of pipeline network loss rate of some oilfield in 2016

由表5可知,离心泵站系统管网损失率合格率较高达到89.5%，往复泵站系统管网损失率合格率较低为29.7%，系统总的合格率为47%。

(2)泵的额定排量划分法

将2016年某油田66个注水系统的测试数据依据表4的排量进行划分，并按相应的指标统计管网损失率的合格和节能的数量及其合格率、节能率，结果分别见表6和表7。

表6 管网损失率数据分布(2016年)Tab.6 Data distribution of pipeline network loss rate of some oilfield in 2016

表7 管网损失率合格节能情况统计(2016年)Tab.7 Passpercent and energy saving percent of pipeline network loss rate of some oilfield in 2016

从表7中可以看出66个注水系统有52个合格，27个节能，合格率为78.8%，节能率为40.9%。2016年的测试结果，与目标值合格率70%，节能率40%差距不大，数据变化在合理范围内。通过对2016年数据分析，建立的管网损失率指标对于评价管网系统较为合理。

3.3 某油田2014年测试数据评价应用结果

(1)站出口压力建立法

采用2014年油田测试数据重复上述验证方法，统计结果见表8。

表8 管网损失率合格情况统计(2014年)Tab.8 Statistics of passpercent of pipeline network loss rate of some oilfield in 2014

由表8可知,离心泵站系统管网损失率合格率较高达到66.7%，往复泵站系统管网损失率合格率较低为42.6%，系统总的合格率为55.4%。

(2)泵额定排量划分法

依据表4指标，对2014年某油田52个注水系统的测试数据进行同样分析，结果见表9和表10。

表9 管网损失率数据分布(2014年)Tab.9 Data distribution of pipeline network loss rate of some oilfield in 2014

表10 管网损失率合格节能情况统计(2014年)Tab.10 Passpercent and energy saving percent of pipeline network loss rate of some oilfield in 2014

从表9和表10可以看出，52个注水系统有45个合格，34个节能，合格率为86.5%，节能率为65.4%。

2014年的管网损失率测试数据整体较建立指标的2015年的测试数据和2016年的测试数据偏低，所以2014年的测试数据合格率和节能率偏高，也说明随着管网应用年限的增加,管网能耗在增大。

4 结 论

(1)按站出口压力建立评价指标。可分别计算出离心泵注水系统和往复泵注水系统在各自工况下的管网损失率的评价数值。低于此数值,系统的管网能耗则合格,高于此数者即管网能耗较大,管网需优化和改造。

(2)按泵的额定排量划分建立评价指标。对于任意一个注水系统，只需知道注水系统泵的额定排量数据和管网损失率的测试数据，就可对管网能耗进行系统评价，判断注水管网能耗是节能、合格还是不合格状态，以此指导管网的运行与改造。

(3)在对管网数据统计分析时发现，管网损失率随着流量的增加先增加后减小，管网损失率存在最高点，针对这一数据特征进行了理论上的分析和验证,确定了其存在的客观性。

(4)以管网损失率作为注水系统管网能耗评价指标，并利用大量的现场测试数据进行了反复验证与调整，通过上述评价与验证的结果，证明了新增的注水系统节能监测项目与指标的合理性与适用性。