基于模糊层次分析的注水系统能耗主控因素确定方法

2021-08-08宁俊锋

西安石油大学学报（自然科学版） 2021年4期

阮岩，宁俊锋

(1.陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西西安 710065； 2.西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065)

引言

注水采油是一种常见的原油开采方式，通过注水来维持地层压力稳定以提高原油采收率[1-2]。随着我国油田进入开采后期，注水量逐渐增大，注水费用和成本也大幅增加，现阶段注水系统耗电量约占油田总耗电量的33%～56%，因此降低注水系统能耗对油田节能降本具有重要的意义[3-4]。

要降低注水系统能耗，首先就要明确影响注水系统能耗的主要因素，以便有针对性地对注水系统进行管理和改造。现阶段确定注水系统能耗影响因素的方法有以下两种，一种是利用已有的注水系统能耗评价体系对现场测试数据进行计算与评价，针对能耗大的环节分析其影响因素[5-7]；另一种是根据注水系统各部分的能耗来源从理论上定性分析相应的能耗影响因素[8-9]。以上方法分析了注水系统能耗的分布以及相关影响因素，其中有些因素可以进行定量分析，但有些因素无法定量，最终对于能耗影响因素大小只能依据评价指标作出粗略排序，没有细化到对所有影响因素的重要程度作出评判。

而模糊层次分析法则可以通过结合行业专家经验和数学运算解决难以用定量方法分析的复杂问题。该方法在评判电力通讯网可靠性影响因素[10]、煤矿坑道钻机夹持机构中卡瓦强度的影响因素[11]以及3D打印技术在建筑业发展中的影响因素[12]等方面的研究中取得了较好的应用效果。为此，本文将采用模糊层次分析法确定注水系统能耗主控因素，为注水系统的日常管理和优化改造提供科学指导。

1 注水系统能耗影响因素分析

注水系统能耗影响因素的确定首先从分析注水系统工艺流程开始，找出能量流失的节点，再对各节点进行归类分层。

在油田注水系统中水源经过注水泵增压，通过注水管线传输到井口，为地层注入能量以保证采油效率。注水系统的输入能量为电动机输入能量，在注水过程中存在设备损耗、管线摩阻、阀门节流等能量损失，系统的有效能量为注入井下的能量。注水系统的能量流向[6]如图1所示。

图1 注水系统能量流向Fig.1 Energy flow direction diagram of water injection system

由图1可知，注水系统能耗的影响因素错综复杂，为了方便进一步分析，建立注水系统能耗影响因素分层模型，模型分为3层，即目标层、类别层和因素层，如图2所示。

图2 注水系统能耗影响因素多层次结构模型Fig.2 Multi-level structure model of energy consumption influencing factors of water injection system

通过分析能量流向图可知，其能量损失来源主要包括3个部分：泵机组损失(S1)、管线损失(S2)和阀控损失(S3)，下面对造成各部分损失的影响因素作出分析。

泵机组损失(S1)的主要影响因素：(1)电机类型(T11)。当选用的电机功率大于所需的功率时会出现“大马拉小车”现象，致使电机的内耗过大；(2)注水泵类型(T12)[13]。注水泵选择不合理，会增加电能的损耗；(3)注水泵控制方案(T13)。为提高注水系统的泵效，相关节能技术有高效泵技术、阶梯泵技术、撤级改造、车削叶轮、注水泵调速[14]、泵控泵技术等。选择合适的注水泵控制方案，对于降低注水系统能耗至关重要；(4)人为因素(T14)。注水设备一般使用时间都比较长，需要工人定期保养。

管线损失(S2)的主要影响因素：(1)管线长度(T21)。注水系统注水半径过大，会增加管线压降损失；(2)管线摩阻(T22)[15]。注水管线长时间运行，会存在结垢和腐蚀现象，造成管径变小，摩阻增大，导致管线压降损失增大；(3)管线管径(T23)[16]。油田注水系统各种规格管线都有其相应的经济流速，但随着系统的扩建，流速增大，旧管线管径不再适合现在的注水系统；(4)人为因素(T24)。管线需要定期进行相应的保养与维修，比如润滑、紧固等。

阀控损失(S3)的主要影响因素：(1)注水模式(T31)[17]。根据井口压力分布情况选择不同的注水模式，如：分压注水、局部增压；(2)井口压力差异(T32)[18]。在实际生产中，不同的注水井所需的注水压力不同，为使每口井都能完成配注，注水系统压力要满足注水井的最高注水压力，那么注水压力较低的井就依靠调节阀调节注水压力，这样就造成了阀控损失；(3)人为因素(T33)。配水间内阀门损坏。

建立的能耗影响因素分层模型为后续模糊层次分析法的实现奠定了基础。

2 采用模糊层次分析法确定主控因素

明确了注水系统能耗的影响因素，需要进一步研究哪些是主要影响因素，哪些是次要影响因素，文中将利用模糊层次分析法确定注水系统能耗的主控因素。

模糊层次分析法的实质是对注水系统能耗进行定量和定性的分析，依据图2所建立的能耗影响因素分层模型，对类别层的能耗损失进行定量分析，计算各影响因素的权重。具体步骤如下：

(1)计算注水系统各部分能量损失的隶属度；

(2)依据两两影响因素之间的重要程度，按表1所示的标度方法，建立注水系统能耗影响因素的模糊关系矩阵和模糊一致矩阵；

(3)依据模糊一致矩阵，通过按行求和归一化法确定能耗影响因素的单层权重；

(4)结合能耗损失隶属度和影响因素单层权重求解影响因素综合权重。

表1 因素间的重要程度Tab.1 Importance relation between factors

2.1 求解注水系统能耗的隶属度

由于油田注水系统不同能耗的权重不同，无法对注水系统能耗的各个影响因素进行比较，需要把各影响因素放在统一的标准下进行分析，因此对各部分损失的隶属度进行评价，进行标准化处理[19]。基于注水系统实际运行数据和《油田生产系统能耗测试和计算方法》[20]计算注水系统能量损失i的功率损失，再进一步计算能量损失i的隶属度：

(1)

式中：ei为能量损失i的隶属度；Pi为能量损失i的功率损失，kW；P为注水系统输入功率，kW。

对不同注水系统的能耗进行分析时，采用的隶属度值ei取值范围为(0，1)，注水系统中该部分能耗越大，相应的其隶属度值ei就越大。

注水系统能耗的隶属度矩阵E由隶属度值ei构成，能耗主要有3类，因此注水系统的隶属度矩阵

E=[e1,e2,e3]。

2.2 确定能耗影响因素的单层权重

在模糊互补矩阵评判过程中，由于受知识结构、评判水平和自身偏好等众多因素的影响，评判质量必定存在差异。为了使评价结果具有科学性，本文通过对多个油田注水单位的专家调研获取了对各影响因素的重要程度的评判，综合考虑后确定了模糊互补矩阵，见表2—表4。表2为泵机组损失下影响因素的模糊互补矩阵，记为S1-T1；表3为管线损失下影响因素的模糊互补矩阵，记为S2-T2；表4为阀控损失下影响因素的模糊互补矩阵，记为S3-T3，并进行一致性检验，以此保证模糊互补矩阵的合理性。由于阀控损失主要有3种影响因素，这就造成了各部分能耗所对应的影响因素个数不同，导致最后计算的权重失衡，因此引入一个无意义B元素，所有元素与其相比较，用0.500为标度[9]。

表2 S1-T1模糊互补矩阵Tab.2 S1-T1 fuzzy complementary matrix

表3 S2- T2模糊互补矩阵Tab.3 S2-T2 fuzzy complementary matrix

表4 S3- T3模糊互补矩阵Tab.4 S3-T3 fuzzy complementary matrix

根据以上得到的模糊互补矩阵，按照参考文献[21]提供的方法，求解注水系统能耗影响因素的模糊一致矩阵并进行一致性检验，其结果符合一致性要求，则模糊互补矩阵评判合理，结果见表5—表7。

表5 S1- T1模糊一致矩阵Tab.5 S1-T1 fuzzy consistent matrix

表6 S2- T2模糊一致矩阵及计算结果Tab.6 S2-T2 fuzzy consistent matrix

表7 S3- T3模糊一致矩阵及计算结果Tab.7 S3-T3 fuzzy consistent matrix and calculation result

根据文献[22]所提供的按行求和归一化法计算各因素层元素相对于上一层的单层权重矩阵，起到平衡作用的B元素不在计算元素之内。泵机组损失下的各影响因素相对于泵机组损失的单层权重矩阵记为W1，管线损失下的各影响因素相对于管线损失的单层权重矩阵记为W2，阀控损失下的各影响因素相对于阀控损失的单层权重矩阵记为W3，其结果分别为：

W1=[0.280 3 0.312 5 0.243 6 0.172 0],

W2=[0.264 5 0.284 3 0.240 4 0.215 8],

W3=[0.294 9 0.250 1 0.194 1]。

2.3 确定能耗影响因素的综合权重

注水系统能耗影响因素主次的评判可根据其综合权重值得到，综合权重根据

Ui=eiWi

(2)

计算。式中：Ui为能量损失i下的各影响因素综合权重矩阵；ei为能量损失i的隶属度；Wi为能量损失i的各影响因素相对于能量损失i的权重矩阵。

综合权重矩阵Ui反映的是注水系统中能量损失i下的各影响因素的权重大小，其值越大代表该因素对注水系统的能耗影响越大。同一注水系统中不同影响因素的综合权重值进行对比可以得出注水系统能耗的主控因素；不同注水系统同一影响因素的综合权重值进行对比，可以得到不同注水系统的能耗情况差异；注水系统同一影响因素不同年份的综合权重值进行对比，可以得到注水系统的能耗趋势，预测可能出现的故障，提前维护。

3 X油田注水系统应用实例

以X油田3个注水系统为例，应用上述建立的注水系统能耗影响因素的分层模型，并依据给出的能耗主控因素的模糊层次分析法，确定各系统的能耗主控因素。

根据X油田Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3个注水系统的实际运行数据计算其能耗，结果见表8。

表8 X油田注水系统能耗Tab.8 Energy consumption statistics of water injection system of X oilfield

根据式(1)计算各注水系统能耗的隶属度矩阵，E1为注水系统Ⅰ能耗的隶属度矩阵，E2为注水系统Ⅱ能耗的隶属度矩阵，E3为注水系统Ⅲ能耗的隶属度矩阵：

E1=[0.284 40.114 20.078 2],

E2=[0.209 20.045 30.099 7],

E3=[0.222 70.019 00.314 0]。

由得到的各注水系统能耗的隶属度矩阵E1、E2、E3与单层权重矩阵W1、W2、W3，根据式(2)，计算得到注水系统Ⅰ、注水系统Ⅱ和注水系统Ⅲ能耗的各影响因素的综合权重矩阵。其计算结果如下：

(1)注水系统Ⅰ能耗的各影响因素的综合权重值矩阵：

U1=[0.079 70.088 90.069 30.048 9],

U2=[0.030 20.032 50.027 50.024 6],

U3=[0.023 10.019 60.015 2]。

(2)注水系统Ⅱ能耗的各影响因素的综合权重矩阵：

U1=[0.058 60.065 40.051 00.036 0],

U2=[0.012 00.012 90.010 90.009 8],

U3=[0.029 40.024 90.019 4]。

(3)注水系统Ⅲ能耗的各影响因素的综合权重矩阵：

U1=[0.062 40.069 60.054 20.038 3],

U2=[0.005 00.005 40.004 60.004 1],

U3=[0.092 60.078 50.060 9]。

将注水系统Ⅰ、注水系统Ⅱ和注水系统Ⅲ的计算结果汇总，见表9。

表9 X油田注水系统Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ能耗的影响因素综合权重值Tab.9 Comprehensive weight values of influencing factors of 3 water injection systems in X oilfield

根据表9，绘制各部分损失影响因素综合权重的占比图，如图3所示。在泵机组损失中注水泵类型(T12)的影响最大，主要是因为根据注水量选择合适的注水泵，当选择不合理时，泵效不能处于最佳工作点，这样既造成能量的损失，还会增大管网阀控，造成注水系统效率低；在管线损失中管线摩阻(T22)的影响最大，管线经过长时间的运行出现的穿孔、阻塞、腐蚀等现象是造成能耗增大的主要原因；在阀控损失中注水模式(T31)影响因素最大，为了满足所有注水井的注水压力，导致泵站出口压力很大，造成大量能量损失，选择合适的注水模式是有效的节能方法。

图3 不同损失下影响因素的权重占比Fig.3 Weight proportion chart of influencing factors under different losses

根据表9，分析注水系统Ⅰ能耗的主要影响因素是电机类型(T11)、泵类型(T12)、注水泵控制方案(T13)、泵站运营的人为因素(T14)、管线摩阻(T22)和管线长度(T21)。因此对该注水系统要注重泵站的管理，分析研究注水站的设备情况，对不匹配的设备及时维修更换，使用节能技术，加强泵站的日常维护，积极对工作人员进行技术培训。

通过注水系统Ⅰ、注水系统Ⅱ和注水系统Ⅲ能耗的各影响因素的综合权重值比较发现：(1)相对于注水系统Ⅱ和Ⅲ，注水系统Ⅰ管线损失的相关影响因素(T21、T22、T23、T24)对注水系统能耗的影响较大，因此对注水系统Ⅰ可以采取更换管线，管线清洗，线路检查等措施来定位能耗的主要来源；(2)相对于注水系统Ⅰ和Ⅱ,注水系统Ⅲ阀控损失的相关影响因素对注水系统的能耗影响较大，可以从管线的注水模式来分析，针对井口分布情况采取局部增压或者分压注水以减小阀控损失。