中國(guó)石油遼河油田分公司沈陽(yáng)采油廠

沈三聯(lián)水處理系統(tǒng)水力計(jì)算

于立輝中國(guó)石油遼河油田分公司沈陽(yáng)采油廠

沈陽(yáng)油田已進(jìn)入開發(fā)中后期，油井采液指數(shù)大幅提高，對(duì)應(yīng)的注水量需求也隨之增大，注水耗能問(wèn)題日益突出。沈三聯(lián)注水系統(tǒng)能量分布主要包括泵機(jī)組能耗、站—間管網(wǎng)能耗、增注泵能耗、配水間內(nèi)管網(wǎng)能耗。從沈三聯(lián)注水系統(tǒng)能量分布可以看出，能耗最大的兩個(gè)環(huán)節(jié)是注水泵機(jī)組能耗和配水間內(nèi)的節(jié)流損失。

注水系統(tǒng)；能耗評(píng)價(jià)；水力計(jì)算；節(jié)流損失

沈陽(yáng)油田已進(jìn)入開發(fā)中后期，油井采液指數(shù)大幅提高，對(duì)應(yīng)的注水量需求也隨之增大，注水耗能問(wèn)題日益突出。沈三聯(lián)注水系統(tǒng)有注水井119口，系統(tǒng)壓力19MPa，日注水量3 800m3，覆蓋11個(gè)開發(fā)單元。不同開發(fā)單元間儲(chǔ)層物性差異較大，造成水井注水壓力需求差別較大，從5MPa至23MPa不等，注水單耗9.2 kW·h/m3。

1 能耗分布分析原理

研究建立適合于油田注水工藝流程的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)沈三聯(lián)注水系統(tǒng)的能耗狀況進(jìn)行分析，確定能耗分布規(guī)律：①開展注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)方法研究，建立注水系統(tǒng)及其用能單元的能量平衡分析模型，確定相應(yīng)的能耗評(píng)價(jià)及分析指標(biāo)；②根據(jù)沈三聯(lián)注水管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行工況，制定系統(tǒng)能耗測(cè)試方案，并開展能耗測(cè)試；③開展沈三聯(lián)注水系統(tǒng)水力分析計(jì)算方法及其修正技術(shù)研究；④進(jìn)行沈三聯(lián)注水系統(tǒng)能耗測(cè)試結(jié)果分析與評(píng)價(jià)。

2 能耗評(píng)價(jià)及分析指標(biāo)

根據(jù)能量守衡與轉(zhuǎn)換定律，對(duì)于確定的體系來(lái)說(shuō)：帶入體系能量+外界供給能量=體系損耗能量+輸出能量。能量平衡模型如圖1所示，注水系統(tǒng)的能量平衡模型如圖2所示。其能量平衡方程為

圖1 體系能量平衡模型

圖2 注水系統(tǒng)能量平衡模型

式中Esd為注水站輸入電動(dòng)機(jī)能量（kW·h）；Esw為注水站注水泵入口水流帶入能量（kW·h）；Ead為配水間輸入電動(dòng)機(jī)能量（kW·h）；Ewd為井口輸入電動(dòng)機(jī)能量（kW·h）；Ess為注水站損失能量，包括泵機(jī)組和站內(nèi)閥組能損（kW·h）；Egs為管網(wǎng)損失能量（kW·h）；Eas為配水間損失能量，包括泵機(jī)組和站內(nèi)閥組能損（kW·h）；Ews為井口調(diào)節(jié)設(shè)備損失能量，包括泵機(jī)組和閥組能損（kW·h）；Eu為經(jīng)過(guò)注水系統(tǒng)的注入水帶走能量（kW·h）。

3 水力分析計(jì)算方法及修正技術(shù)

3.1水力計(jì)算基本方程

根據(jù)節(jié)點(diǎn)流量連續(xù)性方程，流入、流出節(jié)點(diǎn)的流量代數(shù)和為0，即

式中qij為與節(jié)點(diǎn)i相連的第j條管線的流量（m3/s），其中流入為負(fù)、流出為正；n為與節(jié)點(diǎn)i相連的管線條數(shù)。

3.2壓降計(jì)算

注水管網(wǎng)中管道的壓降主要取決于水頭損失，計(jì)算公式如下

式中Δp為管道壓降（Pa）；ρ為流體密度（kg/m3）；g為重力加速度（m/s2）；hf為沿程水頭損失（m）；hj為局部水頭損失（m）。

其中，沿程水頭損失是水流通過(guò)直管段所產(chǎn)生的摩阻損失，按照下式計(jì)算

式中λ為水力摩阻系數(shù)；D為管徑（m）；L為管長(zhǎng)（m）；v為水的流速（m/s）。

水力摩阻系數(shù)的計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 不同流動(dòng)狀態(tài)下摩阻系數(shù)λ的值

局部摩阻損失按照下式計(jì)算

式中ζ為局部阻力系數(shù)，對(duì)于閥門來(lái)說(shuō)ζ是一個(gè)可變的量，與閥門的開度和連接管的直徑有關(guān)。

3.3水力計(jì)算方法修正

經(jīng)對(duì)注水管網(wǎng)整體進(jìn)行水力計(jì)算表明，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)存在一定偏差。本文采用下式對(duì)管網(wǎng)水力摩阻系數(shù)進(jìn)行修正

建立無(wú)約束優(yōu)化模型對(duì)α1,α2,α3,...,αnl進(jìn)行求解，得到修正系數(shù)α1,α2,α3,...,αnl，然后帶入到水力計(jì)算關(guān)系式中，可以有效提高水力計(jì)算精度。

利用此修正系數(shù)對(duì)注水管網(wǎng)管線進(jìn)行修復(fù)前后的管線能損計(jì)算。對(duì)能損較大的注水管線流速進(jìn)行分析，即沈三聯(lián)到去往11#站的交匯點(diǎn)6段管線內(nèi)水流速偏大。另外4條能損較大的管線介質(zhì)流速與經(jīng)濟(jì)流速進(jìn)行比較，流速仍然為合理。

4 注水系統(tǒng)能耗分析與評(píng)價(jià)

沈三聯(lián)注水系統(tǒng)能量分布主要包括泵機(jī)組能耗、站—間管網(wǎng)能耗、增注泵能耗、配水間內(nèi)管網(wǎng)能耗，能量分布結(jié)果如表2所示。

表2 沈三聯(lián)注水系統(tǒng)能量平衡匯總

從表2可以看出，能耗最大的兩個(gè)環(huán)節(jié)是注水泵機(jī)組能耗和配水間內(nèi)的節(jié)流損失。注水泵機(jī)組能耗高的主要原因是由于實(shí)際注水量小于注水泵的額定排量，造成注水泵工作在低效率區(qū)域，注水泵機(jī)組能耗就大，注水泵本身的額定效率也偏低。配水間內(nèi)的節(jié)流損失大的主要原因是由于進(jìn)入配水間的壓力太高，注水井所需要的壓力較小，這個(gè)較大的壓差造成了配水間節(jié)流損失大。

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.1.024