張意　張浩然（中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室）

?

基于模糊層次分析法的注水系統(tǒng)能耗評價

張意張浩然（中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室）

由于國內(nèi)油田大部分處于開發(fā)后期，需要通過注水來維持地層壓力以提高原油采收率。而就注水系統(tǒng)能耗評價國內(nèi)外尚未深入開展理論研究，亟需形成一套切實有效的相應評價體系，為優(yōu)選注水方案提供參考依據(jù)，達到油田節(jié)能降耗的目的。從注水系統(tǒng)能耗分布規(guī)律出發(fā)，篩選出影響注水能耗的關鍵指標，并且根據(jù)行業(yè)標準和相關文獻，建立各評價參數(shù)的優(yōu)良范圍。最后，利用模糊層次分析法構建注水系統(tǒng)節(jié)能評價模型，為現(xiàn)場注水方案整體能耗分析和高效快速的定量評價提供科學決策依據(jù)。

注水系統(tǒng)；能耗評價；模糊層次分析法

1　引言

1954年玉門油田首先采用注水驅(qū)油以來，國內(nèi)各大油田陸續(xù)進行油田注水開發(fā)，保持油田長期穩(wěn)定高產(chǎn)。目前，各大中型油田開采中形成了較為完善的油田地面注水系統(tǒng)。隨著油田進入開采后期，注水量隨之大幅度增加，注水費用在原油生產(chǎn)成本中所占比例日趨增高。

基于油田現(xiàn)場實際需要，科研人員針對注水系統(tǒng)降耗方面開展了大量研究。林永茂等人開發(fā)了包括注水系統(tǒng)控制，注水效率分析等功能模塊的軟件[1]，并對新疆油田某區(qū)塊進行分析，根據(jù)分析結果提出改造意見。別峰峰等人研究注水系統(tǒng)優(yōu)化，在專家系統(tǒng)理論的基礎上開發(fā)出管網(wǎng)系統(tǒng)改造軟件[2]，用于評測模擬改造后的運行效果。劉斌等人根據(jù)注水系統(tǒng)各個結構單元的效率計算方法和數(shù)學建模相關知識，提出注水系統(tǒng)控制理論[3]，及相應開發(fā)軟件，與油田現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)相符合，具有較高準確性。目前高校、科研機構主要集中于研究能耗計算、管網(wǎng)優(yōu)化、系統(tǒng)優(yōu)化運行等方面[4]。然而忽略了注水系統(tǒng)能耗評價方面的深入研究，只是停留在單因素的分析，無法給出合理、全面的注水系統(tǒng)能耗評價結果。因此，開發(fā)油田注水系統(tǒng)效率計算軟件，分析影響注水系統(tǒng)效率的因素，并提供相應的整體能耗評價結果，優(yōu)化注水工藝，合理匹配注水設備，對提高注水系統(tǒng)效率，降低注水成本，提高油田開發(fā)經(jīng)濟效益有現(xiàn)實意義。

2　注水系統(tǒng)能耗評價指標篩選及計算方法

油田注水系統(tǒng)主要由注水站、注水管網(wǎng)、配水間和注水井4部分組成（圖1）。注水站包括電動機、注水泵等動力裝置。配水間的主要功能在于利用閥組節(jié)流，滿足注入壓力。

圖1　注水系統(tǒng)流程

油田注水系統(tǒng)耗電量大，約占整個油田生產(chǎn)用電量的50%[5]。根據(jù)上述注水系統(tǒng)流程圖，可將注水系統(tǒng)的能量消耗分為3大部分：注水站的能損、注水管網(wǎng)的能損、配水間的能損。根據(jù)相關文獻中注水系統(tǒng)中能耗損失分布規(guī)律[6]（圖2），其中注水站的能量損失以電動機和注水泵機組的損失為主；注水管網(wǎng)能損以沿程摩阻為主；配水間的能量主要消耗于閥組節(jié)流，以滿足注入壓力。由于注水井的能耗相對于其他部分較小，且對實際能耗評價影響不大，故不考慮注水井的能耗情況。

圖2　注水系統(tǒng)能流模型

2.1注水系統(tǒng)能耗評價指標及計算公式

注水系統(tǒng)中，電動機輸入功率及效率、注水泵輸入（輸出）功率及效率、注水管網(wǎng)效率等指標計算公式參見SY/T 5264—2012《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》[7]。

2.2能耗評價標準

根據(jù)國內(nèi)相關文獻的數(shù)據(jù)，并且結合我國的油田現(xiàn)場實際情況和國內(nèi)相關標準規(guī)范[8]，建立評價指標標準表，見表1。

表1　能耗評價參數(shù)

3　構建多因素評價模型

3.1確定能耗評價指標模糊隸屬函數(shù)及適應度矩陣

在確定能耗評價指標的模糊隸屬度時，首先確定評價指標的最好和最壞的參數(shù)，如圖從而對每一套注水系統(tǒng)i的每一個評價指標j的值Pij?？赏ㄟ^下面的公式計算適宜度初值[9]。

式中：xij——適宜度值；

Pij——指標實際參數(shù)值；

Paj——指標優(yōu)良值；

Pbj——指標合格值。

但對不同注水系統(tǒng)進行綜合節(jié)能評價時，采用適應度值xij，其取值范圍為（0，1）。該式反映出當注水系統(tǒng)能耗越高時，相應指標的適宜度值就會越大。為使其符合指標接近理想值時，適宜度初值越大，并且增大同一系統(tǒng)中不同因素之間的差異，因此引入下式[10]：

同樣aij的取值范圍為（0，1）。當aij越接近于1時代表評價指標越優(yōu)良，從而aij構成了注水系統(tǒng)能耗評價模糊適宜度矩陣A。該矩陣的行和列分別反映參與評價的注水系統(tǒng)的所有評價指標對注水節(jié)能模糊適宜度大小和不同注水系統(tǒng)是否已評價指標對注水節(jié)能模糊適宜度的對比情況。

3.2同一注水系統(tǒng)各評價指標的權重

由于同一套注水系統(tǒng)的不同參數(shù)對于注水能耗的影響效果不一樣，有的參數(shù)的變化（例如配水間閥組節(jié)流增大）會導致整套注水系統(tǒng)的能耗急劇增加；而有的參數(shù)由于在總能耗中所占的比例較小，即使波動較大也不會對節(jié)能評價結果產(chǎn)生影響。模糊適宜度矩陣A僅僅反映的是單一的評價參數(shù)對注水系統(tǒng)節(jié)能的適宜性，為單因素評價，無法反映不同評價參數(shù)之間的相對重要程度。要想對注水系統(tǒng)進行能耗綜合評價，同時還必須得確定不同評價參數(shù)對注水系統(tǒng)節(jié)能的響應系數(shù)，即權重。參考文獻中的模糊層次分析法[11]，通過建立模糊判斷矩陣以及一系列的計算方法得到不同評價參數(shù)的權重。

用模糊數(shù)量標度表建立表示兩兩參數(shù)之間重要程度對比的模糊優(yōu)先判斷矩陣（F）。如下所示。

通過公式將優(yōu)先關系矩陣轉(zhuǎn)換為模糊判斷矩陣R(rij)。

在轉(zhuǎn)換的過程中，選擇精度高，收斂速度快的冪法[12]計算排序向量（權重） Wij。

通過該方法計算指標權重，可以避免當模糊判斷矩陣R不是一致矩陣的情況[13]，簡化了計算步驟，并且具有同樣的求解精度，目前已經(jīng)廣泛運用于各領域。

3.3綜合評價注水系統(tǒng)能耗

對不同注水系統(tǒng)的綜合評價是對各注水系統(tǒng)能耗整體情況的評價。模糊適宜度矩陣A和指標權重的乘積反映了同一注水系統(tǒng)評價參數(shù)之間對節(jié)能的適宜性的加權表現(xiàn)，即

式（4）的加權向量與其轉(zhuǎn)置矩陣的乘積則體現(xiàn)不同的注水系統(tǒng)各評價指標的對比情況，式（5）和（6）可得到各個注水系統(tǒng)能耗整體情況的綜合評價和排序，其綜合評價結果用Ri來表示，即

4　實例分析

利用所建立的評價模型和現(xiàn)場3套注水系統(tǒng)的實際參數(shù)，對3套注水系統(tǒng)的能耗情況進行綜合評判。3套注水系統(tǒng)為單泵站注水管網(wǎng)系統(tǒng)如圖3，通過水力模擬仿真計算，得出每套管網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)點流量、壓力參數(shù)值。再根據(jù)注水系統(tǒng)能耗評價指標計算公式計算相應的參數(shù)值，如表2所示。

圖3　注水系統(tǒng)

建立對于注水系統(tǒng)i的每一評價參數(shù)j的值相應的節(jié)能適宜度，并得到注水系統(tǒng)是否節(jié)能的模糊評價矩陣A。

表2　注水系統(tǒng)參數(shù)

用模糊數(shù)量標度表得到同一注水系統(tǒng)各個參數(shù)對節(jié)能情況的模糊一致判斷矩陣F。

通過冪法求得同一注水系統(tǒng)各個參數(shù)對于節(jié)能的響應權重向量Wij：

W=[0.160 9 0.156 2 0.086 1 0.138 9 0.094 4 0.116 4 0.247 1]T

則同一注水系統(tǒng)各評價參數(shù)之間對系統(tǒng)節(jié)能適宜度的加權表現(xiàn)矩陣及其轉(zhuǎn)置矩陣：

由式（4）、（5）得到各個注水系統(tǒng)能耗評價的綜合結果：

由評價模型結果可以看出，注水系統(tǒng)1(R1)的整體能耗情況最佳，而注水系統(tǒng)2(R2)和3(R3)能耗情況相對較差，不符合節(jié)能標準。由表2可知，雖然注水系統(tǒng)1的注水單耗較高，管網(wǎng)效率較低，但整體的能耗效率要優(yōu)于另外2個注水系統(tǒng)。

由于注水系統(tǒng)2和注水系統(tǒng)3的配水間的節(jié)流損失較大，且注水泵和注水量不相匹配，從而造成配水間的效率和注水泵的運行效率偏低[14]。另外分析水力仿真計算數(shù)據(jù)可知，注水系統(tǒng)中注水管網(wǎng)的壓差損失均小于1 MPa。而配水間和注水站的壓損最高卻可達到8 MPa，這兩項損失占據(jù)整個注水系統(tǒng)能量損失的60%，從而在評價模型中該參數(shù)的權重較大，使得注水系統(tǒng)2和注水系統(tǒng)3的最終評分較低。相比之下注水管線的能耗所占的比重相對較小，不會對注水系統(tǒng)整體能耗效率產(chǎn)生較大影響，因此在注水管網(wǎng)改造過程中，注水站和配水間才是研究的重點?；谏鲜瞿芎某梢蚍治?，可提出如下改造措施[15]：不同型號的注水泵組合優(yōu)化運行，使泵在高效區(qū)運轉(zhuǎn)；為避免大量的節(jié)流損失，可根據(jù)油田注水井油壓實際情況，采取整體降壓，局部增壓的方式滿足注水要求。

5　結論

1）調(diào)研國內(nèi)文獻，篩選出注水系統(tǒng)能耗評價關鍵因素，并且結合油田現(xiàn)場實際情況和相關標準給出了評價參數(shù)的有利范圍。

2）通過實例分析，可知該方法合理、有效。而且運用模糊層次分析法從整體上評價注水系統(tǒng)的能耗情況，避免了由于個別參數(shù)的適宜度(Aij)較差而影響系統(tǒng)的評價結果，能夠為優(yōu)選注水方案提供科學依據(jù)。

3）一般油田評價能耗只是著眼于某一時間段內(nèi)的消耗電量情況，具有片面性和不準確性。從而無法有效指導油田現(xiàn)場的能耗改造。本文的評價模型將注水系統(tǒng)中的注水站、注水管網(wǎng)和配水間聯(lián)系在一起，既有整體，又有局部，從多方面來考察系統(tǒng)能耗情況，對油田管網(wǎng)改造具有一定的指導意義。

4）文中建立的評價方法，可適用于所有油氣管網(wǎng)注水系統(tǒng)能耗效率的系統(tǒng)評價。

[1]林永茂.油田注水系統(tǒng)的模擬、控制、優(yōu)化及效率分析[D].成都:西南石油學院，2003.

[2]劉萬輝.油田注水系統(tǒng)管網(wǎng)改造專家系統(tǒng)研究[D].大慶:大慶石油學院，2003.

[3]別鋒鋒.油田注水系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化研究[D].大慶:大慶石油學院，2004.

[4]劉斌.油田注水系統(tǒng)數(shù)學建模與控制理論研究[D].青島:中國石油大學(華東)，2007.

[5]梁光川，鄭云萍等.油田地面注水系統(tǒng)效率分析[J].西南石油學院學報，2001，23(2):62-65.

[6]宋玉杰，韓道權.油田注水系統(tǒng)能耗分布規(guī)律[J].大慶石油學院學報，2004，2(28):57-58.

[7]石油工業(yè)節(jié)能節(jié)水專業(yè)標準化技術委員會.油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法：SY/T 5264—2012[S].北京：石油工業(yè)出版社，2012：15-20.

[8]曾亞勤，魏立軍.油田注水地面系統(tǒng)的測試與計算標準應用[J].低滲透油氣田，2010，15(6):100-103.

[9]周艷美，李偉華.改進模糊層次分析法及其對任務方案的評價[J].計算機工程與應用，2008，44(5):212-214.

[10]Rivas O.Ranking reservoirs for CO2flooding processes[C]// SPE 23641，1992:8-11.

[11]張吉軍.模糊層次分析法(FAHP)[J].模糊系統(tǒng)與數(shù)學，2000，14(2):80-88.

[12]張吉軍.模糊一致判斷矩陣3種排序方法的比較研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術，2003，25(13):1370-1372.

[13]張吉軍，熊鈺.模糊層次分析法中的評價指標權重算法[J].系統(tǒng)工程，2001，增刊:231-233.

[14]張鵬.油田注水系統(tǒng)能耗損失原因分析及對策[J].石油石化節(jié)能，2013(6):55-57.

[15]魏立軍，王林平.提高注水系統(tǒng)效率潛力分析-以長慶油田佳一注注水系統(tǒng)為例[J].石油天然氣學報，2014，36(10): 179-181.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.03.017

2015-12-14

（編輯 賈洪來）

張意，中國石油大學（北京）（油氣儲運工程專業(yè)）在讀碩士，從事油氣集輸?shù)孛婀こ萄芯抗ぷ?，E-mail: 81897277@qq.com，地址：中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室，102249。