顧維靜（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

注水泵優(yōu)化仿真技術(shù)研究

顧維靜（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

油田現(xiàn)有注水系統(tǒng)中，注水量與注水泵不易匹配，水量、電量和泵水單耗波動(dòng)較大，增加了控制能耗的難度，同時(shí)注水泵泵效低于規(guī)范要求的節(jié)能評(píng)價(jià)值，影響注水泵排量匹配。通過(guò)建立管網(wǎng)仿真模型，水力仿真算法能夠進(jìn)行環(huán)狀、枝狀或者環(huán)-枝狀混合管網(wǎng)的精確水力計(jì)算，壓力仿真誤差在-5%～6%，水量數(shù)據(jù)的誤差在-2%～7%，有效地解決了大型管網(wǎng)水力計(jì)算收斂性較差的問(wèn)題，為注水系統(tǒng)的管網(wǎng)改造和優(yōu)化開(kāi)泵計(jì)算提供了非常重要的數(shù)據(jù)。

注水泵；優(yōu)化；仿真

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.003

1 概述

注水泵運(yùn)行時(shí)存在注水泵啟泵臺(tái)數(shù)變化大，注水量與注水泵不易匹配；注水站注多類別水質(zhì)，注水泵配置為運(yùn)或運(yùn)二備一，注水泵不易與注水量匹配；產(chǎn)能區(qū)塊鉆井及新井投產(chǎn)階段，注水量變化較大，影響注水泵啟泵臺(tái)數(shù)；注水泵泵效低于規(guī)范要求的節(jié)能評(píng)價(jià)值，影響注水泵排量匹配[1]。以上現(xiàn)狀加重注水系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

針對(duì)普通水系統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)現(xiàn)狀，摸索注水站、配水間、注水井和注入井的匹配規(guī)律，通過(guò)開(kāi)發(fā)普通水、深度水注水系統(tǒng)模擬仿真軟件，建立注水系統(tǒng)管網(wǎng)水力仿真模型，通過(guò)注水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)及管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，確定注水站、配水間及注水井等參數(shù)的匹配關(guān)系。

2 水力仿真模擬研究

水力仿真模擬研究思路為建立管網(wǎng)水力仿真模型。根據(jù)流體力學(xué)理論，在復(fù)雜管網(wǎng)系統(tǒng)中，考慮到管道串聯(lián)、并聯(lián)不同的水力特性，根據(jù)管路的能量和質(zhì)量平衡方程，沿管網(wǎng)內(nèi)水體流動(dòng)的方向，建立注水管網(wǎng)的水力計(jì)算模型。

2.1 管元模型

基于管段能量守恒定律，建立單條管段的仿真模型。如圖1所示為一任意管元i（即單元），內(nèi)徑為d，與此單元相聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)為k與j。

圖1 管元簡(jiǎn)圖

管元i的能量方程，規(guī)定水由k流向j，則Hk＞Hj。ΔHi的計(jì)算公式為

式中：ΔHi——管元i的壓力損失，MPa；

Hk——節(jié)點(diǎn)k的壓力，MPa；

Hj——節(jié)點(diǎn)j的壓力，MPa；

Ki——流量系數(shù)；

Li——管元長(zhǎng)度，m；

Qi——管元流量，m3/s；

α——系數(shù)；

d——管線內(nèi)徑，m；

n——管元粗糙系數(shù)，一般n取0.013。

2.2 附屬單元的數(shù)學(xué)模型

附屬單元主要包括閥門、彎頭和三通，把局部阻力損失換算為當(dāng)量管長(zhǎng)()L當(dāng)?shù)难爻套枇p失，則附屬單元的局部阻力損失計(jì)算公式為

式中：L當(dāng)——局部阻力換算的當(dāng)量長(zhǎng)度，m；

ΔP——管段壓降，MPa；

Q——管段流量，m3/h；

K——常數(shù)。

2.3 管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

1）枝狀管網(wǎng)。對(duì)于枝狀管網(wǎng)中一個(gè)連通的管線，串聯(lián)的管網(wǎng)，可寫(xiě)出其能量方程

式中：ΔP1-5——管段壓降，MPa；

Qi——第i個(gè)管段的流量，m3/h。

式（3）正負(fù)號(hào)可按管線的流動(dòng)方向?yàn)檎较騺?lái)確定。對(duì)各節(jié)點(diǎn)可寫(xiě)出連續(xù)方程為

此處m為與節(jié)點(diǎn)相連的管元數(shù)，設(shè)從節(jié)點(diǎn)流出的流量為正。

2）環(huán)狀管網(wǎng)。作為單個(gè)閉合環(huán)路，因環(huán)路的始末端重合，能量方程為

式中：ΔPi——第i條管段的壓降，MPa。

2.4 注水泵模型

注水泵在整個(gè)注水系統(tǒng)中起著“源”的作用。國(guó)內(nèi)注水泵基本上都是離心泵，其數(shù)學(xué)模型可用其特性曲線來(lái)表示。描述注水泵運(yùn)行狀況的主要參數(shù)有流量、揚(yáng)程、實(shí)際消耗功率、效率。離心泵的特性曲線描述了這些參數(shù)之間的關(guān)系，流量與揚(yáng)程之間的關(guān)系、流量與效率之間的關(guān)系（圖2、圖3）。

圖2 揚(yáng)程與流量性能曲線

2.5 注水站的數(shù)學(xué)模型

注水站在注水系統(tǒng)中起到“源”的作用，其特性可用單臺(tái)或多臺(tái)注水泵聯(lián)合工作特性表示，即將注水站看作1臺(tái)“虛擬泵”，應(yīng)用最小二乘法可以擬合出該“虛擬泵”的運(yùn)行特性曲線。

圖3 效率與流量性能曲線

2.6 環(huán)-枝狀管網(wǎng)水力計(jì)算模型研究

基于前人研究的環(huán)狀、枝狀水力仿真算法，并且結(jié)合節(jié)點(diǎn)模型算法的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)環(huán)-枝狀水力仿真模型算法[2]。同時(shí)為方便處理原始數(shù)據(jù)，通過(guò)圖論法的相關(guān)理論可以將復(fù)雜的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確的描述管網(wǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接情況。將管網(wǎng)連接結(jié)構(gòu)與流量平衡形成初始化矩陣，同時(shí)需考慮液體通過(guò)閥門的阻力損失。在完成矩陣的初始化后，求出節(jié)點(diǎn)交換流量向量和節(jié)點(diǎn)壓力向量，求出各管段流量。經(jīng)過(guò)多次迭代，當(dāng)目標(biāo)殘差值小于限制值時(shí)，輸出計(jì)算結(jié)果。

3 水利仿真計(jì)算及能耗分析

3.1 水利仿真計(jì)算

通過(guò)錄入模型邊界條件，實(shí)現(xiàn)水力仿真計(jì)算。注水管網(wǎng)的屬性數(shù)據(jù)包括：管段的起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)和編號(hào)、管長(zhǎng)、管徑、管材以及粗糙度等管段參數(shù)；節(jié)點(diǎn)編號(hào)、坐標(biāo)以及壓力、載荷數(shù)據(jù)等節(jié)點(diǎn)參數(shù)。

通過(guò)深度水管網(wǎng)計(jì)算結(jié)果可知，配水間計(jì)算壓力與實(shí)際壓力數(shù)據(jù)的誤差在-5%～6%，注水泵計(jì)算水量與實(shí)際水量數(shù)據(jù)的誤差在-2%～7%，滿足±15%的誤差要求。

針對(duì)油田環(huán)-枝狀注水管網(wǎng)，開(kāi)發(fā)出通用型的水力仿真算法，建立了一整套與注水系統(tǒng)相匹配的仿真模型[3]。通過(guò)建立能耗分析指標(biāo)體系，分析水力仿真計(jì)算結(jié)果，從局部到整體評(píng)價(jià)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，為管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行提供依據(jù)。

3.2 計(jì)算結(jié)果能耗分析

油田注水系統(tǒng)耗電量很大，約占油田生產(chǎn)用電量的40%以上。按照注水工藝流程，注水系統(tǒng)的能量消耗大致可以分為四部分：電動(dòng)機(jī)能損、注水泵能損、注水管線能損以及閥組節(jié)流能損，剩余的有效能量將被注入地層。

在系統(tǒng)能流中，第一部分能損是電動(dòng)機(jī)能損，這部分能量可以用電動(dòng)機(jī)的效率曲線來(lái)描述。油田使用電動(dòng)機(jī)的效率隨電動(dòng)機(jī)輸入功率而變化，最高效率約在96%左右，在注水系統(tǒng)輸入的能量中，有4%的能量由電動(dòng)機(jī)本身?yè)p耗了。第二部分能損是注水泵能損，這部分能量可用水泵效率曲線來(lái)描述。它隨水泵輸出流量而變化，目前注水泵平均運(yùn)行效率約為77%，即系統(tǒng)輸入能量中，有20%的能量被注水泵所消耗。第三部分和第四部分能損為管線摩阻損失和閥組節(jié)流損失，這部分損失與管網(wǎng)的設(shè)計(jì)和管理有關(guān)。有效能量是將水注入地層所需的能量，這部分能量由油層所要保持的壓力、儲(chǔ)層的性質(zhì)、油層的動(dòng)態(tài)等因素所決定。

4 結(jié)論

1）建立了適用于環(huán)-枝狀混合型注水管網(wǎng)的水力仿真模型。相比于傳統(tǒng)的水力仿真算法，該算法適用范圍更廣，同時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，該模型具有較高的計(jì)算精度，能夠有效地對(duì)油田一般水高低壓、深度水管網(wǎng)進(jìn)行水力仿真模擬。

2）水力仿真模塊、注水泵啟停優(yōu)化模塊以及能耗分析模塊開(kāi)發(fā)，改善了油田運(yùn)行生產(chǎn)中產(chǎn)生的系統(tǒng)能耗較大、管網(wǎng)運(yùn)行工況人工分析滯后、人工編制注水泵啟停方案工作量大等問(wèn)題，并為現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行管網(wǎng)運(yùn)行工況判斷，開(kāi)展節(jié)能降耗工作提供了一定幫助。

[1]張意.注水管網(wǎng)水力仿真軟件的開(kāi)發(fā)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版），2016（12）：27-32.

[2]韓軍偉，羅玲，黃坤，等.油田注水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探討[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（6）：75-77.

[3]李言章，關(guān)泉生.車2井區(qū)恒壓注水技術(shù)研究與應(yīng)用[J].新疆石油科技，2001（2）：19-21.

2017-06-20

（編輯 鞏亞清）

顧維靜，2010年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院（土木工程專業(yè)），從事油田地面設(shè)計(jì)工作，E-mail：413143929@qq.com，地址：黑龍江省大慶油田第三采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，163000。