油田注水系统能耗评价及辅助决策技术研究与应用

刘书孟 苗宝林 娄志东 齐广明 孙冰 孙凤鸣

（大庆油田有限责任公司第二采油厂）

油田同一注水系统中的注水井往往分属不同的开发层系，因地质构造不同，不同层系注水井吸水压力存在差异。在注水生产中，为保证吸水压力高的注水井完成配注量，注水泵压力以满足高压井注水为条件，而对于系统中吸水压力低的注水井用闸门控制注水量，节流损失很大，增加了注水系统能耗。为此，应用多种技术和管理措施，以提高注水泵效率及注水管网效率[1]，主要包括分压注水[2-4]，注水泵换泵芯[5-6]、变频调速[7-8]以及调整注水管网结构[9]等。由于油田开发动态调整和注水需求变化，导致注水系统运行条件相应改变，需要开展油田注水系统能耗评价与辅助决策技术研究，分析注水系统能耗状况和节能潜力，制定有针对性技术管理措施，优化生产运行，降低注水能耗。

1 技术开发架构

分析油田注水工艺流程，依据能量平衡方法研究建立不同注水环节能量平衡模型，给出合理的能耗分析与评价指标，采用软件工程学方法研制油田注水系统能耗分析与评价软件系统。

1.1 建立注水系统能耗平衡模型

根据注水工艺流程，依据能量平衡原理建立注水系统（从注水站至注水井井口阀注水系统，不包括井下部分）能量平衡分析模型见图1，进而确定相应能耗评价及分析指标见表1。

表1 能耗评价及分析指标明细Tab.1 List of energy consumption evaluation and analysis indicators

图1 注水系统能量平衡模型Fig.1 Energy balance model of water injection system

能量平衡方程为：

式中：Ed为输入电动机能量，kWh；Ebw为注水泵入口水流带入能量，kWh；Eu为经过注水管网的注入水带走能量，kWh；Egs为管网损失能量，包括管线和注水阀组损失能量，kWh；Eds为电动机损失能量，kWh；Ebs为水泵损失能量，kWh。

1.2 空间数据模型

1）在空间数据模型中直观展示注水站、注水井、注入站、注剂井、配水间、注水管线、注剂管线的空间分布状况，动态展示指定坐标点处空间要素的静态信息和动态信息。

2）空间数据与生产数据关联、存储方式。确定油田数据库参与计算的数据视图，通过关键字段建立空间数据、静态数据、动态数据的关联，将生产数据、空间数据存储到本地数据库。

3）生产数据描述与对比分析内容。按年度、月度、日期对比曲线，查询选项包括全厂、所属作业区、所属注水站、水质、泵号（井号）、开始日期、结束日期、统计方式（按年、月、日），进行同比或环比分析，查询结果形成用曲线形式展示。

4）注水能耗评价。对注水泵机组、注水站、作业区和全厂注水系统能耗情况进行计算，并依据评价指标和标准进行评价，对结果进行分析与提示。

5）辅助决策。开展注水站机泵运行方案和参数优化、压降潜力分析、注水井隶属关系分析等工作，找出系统用能存在的薄弱环节和挖潜方向，推荐注水系统运行方案。

2 系统主要功能

2.1 系统简介

油田注水系统能耗分析与辅助决策系统，软件系统构架分为五层：数据层、数据访问层、业务逻辑层、表现层和用户层。该系统能够充分利用油田数据库资源，并与ArcGIS、Excel等应用软件有机结合，实现图形与静态数据、生产动态数据的交互操作、注水系统能耗分析与评价、数据统计分析、报表输出等多种功能。

2.2 注水系统能耗评价

应用GDI+绘图技术，可以实现效率统计柱状图、注水站能损分布图、注水系统能耗分布图、注水系统能量构成图等图形。提供直观的能耗分布情况展示方式，为准确掌握注水系统能耗分布情况，辅助科学决策提供依据。

2.3 注水系统运行方案辅助决策技术

1）首先通过生产曲线广泛查询，发现某一参数异常。曲线显示数据偏高。利用能耗模型进行能耗计算。发现当日该站4#注水泵效率为62.45%，未达到节能限定值（≥68%）标准。导致和泵运行工况段差注水泵单耗偏高。

2）对该站注水量，执行开泵方案最优化选取。注水站最优化机泵运行方案。选择注水站名称，然后根据日期范围或者水量波动范围，按照站出口压力从小到大进行排序，列出符合条件的泵执行开关方案。

机泵参数优化。可以选择注水站名称和注水泵编号，计算出该机泵对应的各种参数方案。计算结果按照标耗[10]从小到大进行排列，可以将结果导出。

对该站的3种优化开泵方案，分别标出站出口压力、泵水量、单耗、标耗，为管理人员做出最终处理提供依据。根据优化数据，在该水量范围内，建议运行1#泵，停运4#泵，单耗可降低0.66 kWh/m3，日节电4 219 kWh。

3 应用情况

应用该软件系统对注水系统生产运行状况进行分析，发现部分注水站泵管压差偏大、泵效偏低、泵水单耗偏高，导致机组效率或节流损失率未达到节能标准要求，提出对注水站的注水泵按不同水质管网进行优化，平衡管网压力，通过减少注水泵运行台数和运行低耗高效注水泵实现注水泵优化运行的决策建议。实施的调整措施包括：对5座注水站在注水量保持基本稳定的情况下优化开泵方案；同时，针对区域管网水量波动情况，对3座注水站进行临时性调整和季节性调整。注水站优化运行调整措施情况见表2。

表2 注水站优化运行调整措施情况Tab.2 Statistical table of adjustment measures for optimal operation of water injection station

5座注水站开展机泵优化运行调整，节电128.31×104kWh，3座注水站通过临时性调整、夏季停注工作，进行注水管网优化调整，节电384.06×104kWh。实施期间，节电量合计512.37×104kWh。

4 结论

1）通过全面分析油田注水系统能耗评价与辅助决策技术需求，确定了空间数据模型等相关结构和能耗评价模型，开发系统功能模块，形成了油田注水系统能耗评价与辅助决策技术。

2）依托生产数据，可对整个注水系统进行全方位能耗评价，对重要数据进行动态展示，进行同比和环比分析，分析注水站优化运行方案，为注水生产精细化管理及评估决策提供依据。

3）油田注水系统能耗分析和辅助决策系统与油田数据库数据共享，支持外部数据导入和内部数据导出，方便数据交换，提高了数据时效性和可靠性，具有较好推广应用前景。