油田注水井能耗评价方法与应用

2020-09-25邹永莉邓志强李同翔

油气藏评价与开发 2020年5期

邹永莉，邓志强，李同翔，贺三，刘航

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500；2.中国石化重庆天然气管道有限责任公司，重庆408000）

油田注水是油田开发过程中向地层补充能量、提高油田采收率的重要手段之一。由于油层的非均质性，可能出现注水井注水压力差别大，以一个注水压力系统满足油田多层系注水，势必造成配水间单井阀门控制节流损失过大，导致注水系统单位注水量电耗增大。因此，有必要对注水井进行能耗评价，找出注水能耗高的注水井，从而提高注水系统运行效率。目前，大量学者从注水泵站节能监测、提高注水系统效率以及优化注水系统方面开展了大量的研究，而对注水井的研究主要集中在节能降耗方面[1-7]。万春利[8]认为注水井注入能力影响着注水系统的能耗，通过建立油田注水系统地上、地下能耗、效率分析等计算模型，编制相应评价软件可指导油田生产。孙冰等[9]认为井泵压差是注水系统中最大的压差，应首先降低注水井井泵压差才能挖掘注水系统的节能潜力。雷钧等[10]认为单井输入功率与单井单位注水量电耗是线性关系，利用二者的线性关系可对注水井进行节能评价。

在已有的评价方法中，传统的系统效率法可对注水系统进行能耗评价，但系统效率法不能对注水井进行能耗评价，无法反映注水井能耗的高低，而油田现场迫切需要找出能耗高的注水井，从而采取相应的措施降低能耗。为此，本文基于能量守恒定律，推导出单井输入功率和单井单位注水量电耗的关系，结合油田现场数据进行了验证，并提出评价方法对注水系统以及注水井进行能耗评价。

1 能耗评价体系

1.1 参数计算方法

注水系统的单位注水量电耗测试和计算严格按照国家标准GB/T 33653—2017《油田生产系统能耗测试和计算方法》规定执行[11]。

1.2 能耗评价体系的确立

通常情况下，注水系统中每台注水泵连接着数十口注水井，无法测算出每口井的单位注水量电耗，不能进行能耗比较[12]。对于不同的注水井，可简化为单泵单井模型，使其能耗具有可比性（图1）。

由注水系统的能量守恒定律，即电动机输入功率+泵入口水功率=注水泵机组损失+站内管线损失+回流损失+注水管网损失+有效功率[13-18]，如式（1）所示：

式中：NMpin为注水泵机组输入功率，kW；Nmpsys为注水系统泵机组损失功率，kW；Nlssys为注水系统站内管线功率损失，kW；Nrsys为注水系统回流损失功率，kW；NPV为注水管网损失功率，kW；Ne为注水系统有效功率，kW。

图1 单泵单井模型Fig.1 Model of single-pump corresponding to single-well

根据单泵单井模型情况，结合国家标准GB/T 33653—2017《油田生产系统能耗测试和计算方法》中各项损失的计算方法，求得任一单井所连接的电动机输入功率，如式（2）所示：

式中：NMini为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵电动机输入功率，kW；Nmpi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵机组的功率损失，kW；pPouti为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵出口压力，MPa；pSouti为注水系统中第i个单泵单井模型的注水站出站压力，MPa；Gpi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵流量，m3/h；Grsi为注水系统中第i个单泵单井模型的回流量，m3/h；NPVi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水管网损失功率，kW；pwi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水压力，MPa；Gwi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水流量，m3/h；pPinz为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵入口折算压力，MPa。

单位注水量电耗是油田注水生产用电量与注水量的比值，则单井单位注水量电耗与单井输入功率之间的关系如式（3）所示：

式中：MJWi为单井单位注水量电耗，kW·h·m-3。

目前，大多数注水系统单井井口前没有安装测量单井单位注水量电耗的仪表，无法直接获取单井单位注水量电耗。当注水管线比较短，地形起伏差异比较小时，单井单位注水量电耗与单井的流量呈线性关系。故采用按流量配比的方式计算单井单位注水量电耗，如下式（4）—（5）所示：

式中：MJW为注水系统单位注水量电耗，kW·h·m-3；m为注水系统的注水井总数量；λi为注水系统中第i口注水井的注水量与注水井总流量的比例。

在注水系统单泵单井模型当中，单井输入压力pwi为变量，其余与单井输入压力pwi无关的常量可以看成常数，如式（6）所示，则斜率k为单井输入流量的倒数，如式（7）所示。将单井输入功率pwiGwi可作为自变量，单井单位注水量电耗MJWi作为因变量，则二者符合线性关系，式（8）所示，线性关系见图2。

图2 单井输入功率与单井单位注水量电耗关系Fig.2 Linear relationship between input power and power consumption per unit water injection rate of single well

式（6）—式（8）中：c为单井输入功率与单井单位注水量电耗直线截距；PPin为注水泵入口压力，MPa；GP为注水泵流量，m3/h；k为单井输入功率与单井单位注水量电耗直线斜率。

斜率k的物理意义为单井井口流量的倒数；截距c的物理意义为单位注水量功率消耗，即单位注水量泵机组损失功率、单位注水量站内管线损失、单位注水量回流损失、单位注水量注水管网损失之和与泵入口水带来的功率的差值。

单井输入功率与单井单位注水量电耗线性关系的斜率和截距综合反映了注水系统以及注水井的能耗情况。因此，可利用直线斜率和直线截距对注水系统和注水井进行能耗评价。

2 能耗评价方法

2.1 直线截距法

直线截距法是利用单井输入功率与单井单位注水量电耗直线关系的截距大小进行比较。直线截距c的物理意义是注水系统的单位注水量功率消耗，表明了输入单位水量所需要消耗的功率，可将截距c作为评价注水系统能耗评价的指标，即直线截距评价法。通过获取大量注水系统的数据，依照被监测对象70%以上合格，20%优良的原则，对注水系统进行评价[19-20]。

2.2 单耗节能率法

单耗节能率法是利用单井单位注水量电耗理论值与实际值的差值与理论值之比，由式（9）计算。通过比较单耗节能率α的大小，单耗节能率α越大，则能耗更低。单耗节能率α计算示意图见图3。

图3 α的计算方法Fig.3 Computational method of α

式中：α为单耗节能率；y为注水系统中第i口注水井理论上所需要的单位注水量电耗，kW·h·m-3；yi为注水系统中第i口注水井实际的单位注水量电耗，kW·h·m-3。

单耗节能率α为正数，表明该注水井处于能耗较低的状态，单耗节能率α为负数，表明该注水井处于能耗较高的状态。

3 能耗评价方法的应用

采用我国西北A 油田和东北B 油田的注水系统的数据进行验证，结果见图4、图5。从图4中可以看出，在A 油田注水系统中，注水压力与注水流量较小，单井输入功率主要在1 ～6 kW，单井单位注水量电耗波动较小，主要在2 ～12 kW·h·m-3，单井输入功率与单井单位注水量电耗符合线性关系，拟合度R2为0.947 4，现场数据拟合结果与理论分析结果相吻合。