王 ，，， ，，

(1.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司 第四采油廠 規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，黑龍江 大慶 163511)

油田注水的過(guò)程，是一個(gè)將合格介質(zhì)增壓至所需注入壓力后，再向注入井分配的過(guò)程，在這一過(guò)程中，為向各種增壓泵提供動(dòng)力，需要消耗大量的電能，根據(jù)大慶油田生產(chǎn)耗電統(tǒng)計(jì)，注水系統(tǒng)每年需要耗電在38億kWh，約占油田總耗電量的40%[1-4]，是油田最大的生產(chǎn)耗電環(huán)節(jié)。在注水系統(tǒng)的總能耗中，除了注入地下的有效能量之外，主要包括消耗在電機(jī)、注水泵、閥組以及管網(wǎng)損失的能量。這幾部分能量損失占系統(tǒng)總能量的比例和產(chǎn)生原因各不相同，因此，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的用能情況進(jìn)行計(jì)算、分析，對(duì)找出系統(tǒng)用能的薄弱環(huán)節(jié)，制定相應(yīng)解決方案，最終達(dá)到提高整體效率有著重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)注水系統(tǒng)能耗的計(jì)算和評(píng)價(jià)方法一般是根據(jù)相關(guān)規(guī)范[5-8]。但經(jīng)過(guò)實(shí)踐，規(guī)范中已確定的能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)有時(shí)不能合理的反應(yīng)用能情況。計(jì)算公式也往往不符合實(shí)際工藝流程。最主要的是，使用條件比較理想化，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中往往不能滿足要求。針對(duì)以上情況，本文提出了相應(yīng)解決方案，并以大慶地區(qū)杏北注水系統(tǒng)為例，進(jìn)行了能耗計(jì)算和分析。準(zhǔn)確地反應(yīng)了其用能情況，分析結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際也具有相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)意義。

1 工藝流程

大慶油田注水系統(tǒng)多采用單干管單井配水流程和單干管多井配水流程，如圖1、圖2所示。采油四廠注水系統(tǒng)采用單干管多井配水流程。水源來(lái)水進(jìn)入注水站，經(jīng)計(jì)量、過(guò)濾、緩沖、沉降后，用注水泵升壓、計(jì)量后，由出站閥組分配到注水管網(wǎng)，在多井配水間控制、調(diào)節(jié)、計(jì)量，最終輸至注水井注入油層。

圖1 單干管單井配水流程

圖2 單干管多井配水流程

此外，由于油田開發(fā)到中后期注水量逐年增加。為了節(jié)省固定投資，提升管網(wǎng)適應(yīng)性，國(guó)內(nèi)大型油田注水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)均為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，因此管網(wǎng)整體連通性較好，可調(diào)節(jié)性強(qiáng)。環(huán)狀管網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 環(huán)形注水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2 指標(biāo)調(diào)整

2.1 注水泵機(jī)組指標(biāo)及公式調(diào)整

2.1.1 電機(jī)輸入功率

根據(jù)能量平衡原理，電動(dòng)機(jī)輸入功率作為表征系統(tǒng)輸入能量的部分，其精確度直接影響整個(gè)系統(tǒng)用能情況的計(jì)算結(jié)果。以往計(jì)算過(guò)程中往往采用如下公式進(jìn)行計(jì)算

式中NMin——注水泵電機(jī)輸入功率/kW；

I——電動(dòng)機(jī)線電流/A；

U——電動(dòng)機(jī)線電壓/V；

cosφ——電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)。

由于儀器誤差、環(huán)境誤差以及最主要的人為誤差會(huì)體現(xiàn)在公式中的每一個(gè)需要測(cè)量的參數(shù)，最終累積在一起，造成電機(jī)輸入功率計(jì)算值與實(shí)際值相有所偏差。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的勘察發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)每臺(tái)電動(dòng)機(jī)均配有電表，因此其耗電量可以得到，為了避免誤差累積帶來(lái)的影響，改用如下公式計(jì)算電機(jī)輸入功率

式中NMin——注水泵電機(jī)輸入功率/kW；

Nept——T時(shí)間內(nèi)電機(jī)耗電量/kWh；

T——測(cè)量時(shí)間/h。

用耗電量計(jì)算電機(jī)輸入功率的方法僅存在一次測(cè)量，且電表精度相對(duì)較高，因此最終精度更高。對(duì)兩種方法選取9座注水站的12臺(tái)注水泵分別進(jìn)行計(jì)算后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，電機(jī)輸入功率平均相差1.81%。由對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 不同方法計(jì)算電機(jī)輸入功率對(duì)比表

2.1.2 效率與能量利用率

對(duì)于一個(gè)確定系統(tǒng)，效率與能量利用率均可以從不同角度反映其用能情況。它們都是根據(jù)衡量平衡模型建立的指標(biāo)。根據(jù)能量平衡原理，對(duì)確定的體系有：帶入體系能量+外界供給能量=體系損耗能量+輸出能量。如圖4所示。根據(jù)效率與能量利用率的定義，二者區(qū)別在于：效率為系統(tǒng)輸出有效能量與外界供給系統(tǒng)能量比值，而能量利用率為系統(tǒng)輸出總能量與系統(tǒng)輸入總能量的比值，計(jì)算公式如下

式中ηeff——效率/[%]；

ηuse——能量利用率/[%]；

Eout——系統(tǒng)輸出能量/kJ；

Ein——介質(zhì)帶入能量/kJ；

Ep——外界供給能量/kJ。

圖4 系統(tǒng)能量平衡圖

之所以會(huì)有兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量系統(tǒng)用能情況，是因?yàn)橄到y(tǒng)中部分單元如管道、閥門等并不存在外界提供能量，無(wú)法計(jì)算其效率。因此現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[6]中為了規(guī)范統(tǒng)一，均采用了能量利用率。但結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，泵是為給將原動(dòng)機(jī)所做的功轉(zhuǎn)換成被輸送流體壓力和動(dòng)能的流體機(jī)械?，F(xiàn)場(chǎng)人員往往更關(guān)心的是流體經(jīng)過(guò)泵后的能量增量，和能量增量占原動(dòng)機(jī)提供能量的多少，也就是常常提到的泵效率[9]、泵機(jī)組效率[9]。而不是流體原有多少能量，以及原有能量、輸出能量和外界提供能量三者之間的關(guān)系。按照標(biāo)準(zhǔn)中采用能量利用率對(duì)泵或泵機(jī)組進(jìn)行評(píng)價(jià)，會(huì)將流體原有能量摻雜進(jìn)來(lái)，并不能直觀反應(yīng)問(wèn)題。因此本文計(jì)算時(shí)采用效率代替能量利用率作為機(jī)泵的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2 站內(nèi)回流損失率

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中由于各種原因，常常注水泵“打回流”的情況?；亓鞯乃m然沒(méi)被注入地下，但是依然消耗著系統(tǒng)中的能量，因此需要一個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量這種情況。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6]，注水系統(tǒng)采用站內(nèi)回流損失率對(duì)其進(jìn)行表征，其計(jì)算公式如下

式中εSR——站內(nèi)回流損失率/[%]；

PSout——注水站出口壓力/MPa；

GSR——注水站內(nèi)回流量/m3·h-1；

NMPini——注水泵機(jī)組輸入能量/kW；

r——注水站內(nèi)注水泵總數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中同樣發(fā)現(xiàn)了該公式存在問(wèn)題。首先，站的回流存在于站內(nèi)的機(jī)泵上，而不是公式中所體現(xiàn)的在站出口，因而流量應(yīng)采用站內(nèi)運(yùn)行中泵的回流流量。其次，由于同一站內(nèi)往往同時(shí)運(yùn)行著不止一臺(tái)泵，在泵出口會(huì)設(shè)有調(diào)節(jié)閥。每臺(tái)泵一般會(huì)進(jìn)行不同程度上的節(jié)流后，進(jìn)入?yún)R管匯合后出站，現(xiàn)場(chǎng)中數(shù)據(jù)采集的出站壓力也就是指匯管壓力。壓力采用匯管壓力會(huì)將節(jié)流過(guò)程中的閥組損失算入回流損失內(nèi)，這種情況是不合理的。針對(duì)這個(gè)情況，對(duì)公式進(jìn)行了修改，變?yōu)?/p>

式中εSR——站內(nèi)回流損失率/[%]；

Ppouti——站內(nèi)第i臺(tái)注水泵的出口壓力/MPa；

GSRi——第i臺(tái)注水泵回流量/m3·h-1；

NMPin——注水泵機(jī)組輸入能量/kW；

r——注水站內(nèi)注水泵總數(shù)。

2.3 解決水量不平衡問(wèn)題

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，同一時(shí)間段內(nèi)注水站出口水量和往往不等于其所轄注水井井口流量和。分別選取同一注水系統(tǒng)冬夏兩季的深度水和普通水管網(wǎng)的水量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水量最大誤差可達(dá)10%。水量不平衡帶來(lái)的問(wèn)題是系統(tǒng)能量不守恒，能耗計(jì)算結(jié)果沒(méi)有意義。

導(dǎo)致水量不平衡的原因主要有兩個(gè)。從井的角度分析，由于數(shù)量大，統(tǒng)計(jì)時(shí)間不統(tǒng)一、統(tǒng)計(jì)人員主觀誤差、儀表精度等問(wèn)題，導(dǎo)致每口井都可能存在數(shù)據(jù)誤差。所有井口水量加和后的累積誤差導(dǎo)致井口流量總和不準(zhǔn)。從站的角度來(lái)說(shuō)，除計(jì)量誤差外，存在同一注水站內(nèi)的注水泵向兩套管網(wǎng)系統(tǒng)供水。對(duì)于這種運(yùn)行情況的泵應(yīng)該將泵出口水量分別算入不同系統(tǒng)。但每個(gè)系統(tǒng)分得多少不能獲得實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，往往由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)估算得到，因此也會(huì)出現(xiàn)誤差。針對(duì)這種現(xiàn)狀提出兩種解決方案。

圖5 水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖

2.3.1 調(diào)整水量

在對(duì)站和井流量求和的過(guò)程中，每一部分子單元的誤差也會(huì)隨之累加，由于注水站的總體數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于注水井?dāng)?shù)量，因此總體的累積誤差較小，相對(duì)于井口流量和來(lái)說(shuō)精度更高，為使得兩部分水量相等，應(yīng)以站出口水量為準(zhǔn)，調(diào)整井口水量，計(jì)算公式如下

k=1,2,3,…,n

Qwk——第k口注水井調(diào)整前流量/m3·h-1；

Qwi——第i口注水井調(diào)整前流量/m3·h-1；

Qsj——第j個(gè)注水站出口流量/m3·h-1；

n——系統(tǒng)中注水井總數(shù)；

j——系統(tǒng)中注水站總數(shù)。

2.3.2 調(diào)整公式

在注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)中，水量不平衡問(wèn)題主要是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)產(chǎn)生影響。原有公式在計(jì)算過(guò)程中，采用系統(tǒng)注入總能量、井口有效總能量等總能量。由于水量不守恒會(huì)將水量差值所具有能量算在各部分中。針對(duì)這種情況，提出單位水量所具有能量的概念，將各部分能量均除以各部分水量后帶入公式計(jì)算，將原公式中總和比總和轉(zhuǎn)換為單位比單位，避免了該問(wèn)題。以注水系統(tǒng)能量利用率為例，其定義為系統(tǒng)輸出能量比系統(tǒng)輸入能量，計(jì)算公式如下

式中η——注水系統(tǒng)能量利用率/[%]；

NSYSout——注水系統(tǒng)輸出能量/kW；

NSYSin——注水系統(tǒng)輸入能量/kW。

根據(jù)公式不難看出，系統(tǒng)輸入能量、系統(tǒng)輸出能量分別和站出口水量、井口水量緊密相關(guān)。根據(jù)單位水量所具有能量的思想，二者分別除以站、井的總水量后的公式如下

式中η——注水系統(tǒng)能量利用率/[%]；

NSYSout——注水系統(tǒng)輸出能量/kW；

NSYSin——注水系統(tǒng)輸入能量/kW;

GPi——第i臺(tái)注水泵流量/m3·h-1；

n——注水系統(tǒng)注水泵總數(shù)；

GWj——第j口注水井井口流量/m3·h-1；

m——注水系統(tǒng)注水井總數(shù)；

n——注水系統(tǒng)注水泵總數(shù)。

3 能耗計(jì)算與分析實(shí)例

3.1 計(jì)算結(jié)果

以大慶地區(qū)杏北注水系統(tǒng)普通網(wǎng)注水系統(tǒng)為例，針對(duì)該系統(tǒng)選取7月份某一天進(jìn)行能耗計(jì)算。計(jì)算及分析指標(biāo)分為系統(tǒng)、注水站、注水泵、注水井等部分，具體包括注水系統(tǒng)能量利用率、系統(tǒng)單位壓力注水量電耗、注水管線損失率、注水閥組損失率、管網(wǎng)能量利用率、注水站能量利用率、注水站單位壓力注水量電耗、站內(nèi)管線損失率、站內(nèi)回流損失率、泵機(jī)組效率、單位壓力泵水量電耗、注水泵節(jié)流損失率、泵管壓差、泵負(fù)荷率等十四項(xiàng)內(nèi)容。計(jì)算結(jié)果見表2～表5。

表2 注水系統(tǒng)用能情況

表3 網(wǎng)注水站系統(tǒng)用能情況

表4 網(wǎng)注水泵用能情況

表5 普通網(wǎng)注水井用能情況

3.2 結(jié)果分析與節(jié)能建議

相對(duì)國(guó)內(nèi)其他油田注水系統(tǒng)效率相比，該普通網(wǎng)注水系統(tǒng)能量利用率較高，注水系統(tǒng)能量分布和能損分布見圖6。在總能量損失中，注水站能量損失占50.8%，管網(wǎng)能量損失占11.56%，注水井控制閥能量損失占37.64%。能量損失主要環(huán)節(jié)在泵機(jī)組和井口控制閥。因此，降低注水系統(tǒng)能耗，關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于：(1)提高注水站效率，降低泵機(jī)組能量損失；(2)降低注水井控制閥壓損。

圖6 注水系統(tǒng)能量分布圖

結(jié)合注水站與注水泵計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，6座注水站的平均能量利用率為76.32%，所開7臺(tái)注水泵平均效率為78.11%。雖然整體泵效比較高，但注水泵的平均負(fù)荷率為87.07%，整體處于欠負(fù)荷運(yùn)行?；谶@種情況，進(jìn)一步對(duì)負(fù)荷率進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，7臺(tái)泵出口總水量1 897.8 m3/h即系統(tǒng)需要總注水量。而七臺(tái)泵額定排量總和為2 500 m3/h，二者相差602.17 m3/h，遠(yuǎn)大于一臺(tái)泵的額定流量，說(shuō)明注水泵供水能力大于下游水量需求，有減泵的可能。此外，分析注水井井口壓損發(fā)現(xiàn)，平均壓損為3.6 MPa，應(yīng)考慮通過(guò)降壓方式減小壓損。

綜上，系統(tǒng)存在的主要問(wèn)在于注水泵供水能力與系統(tǒng)需求不匹配。以及負(fù)荷率低導(dǎo)致的出口揚(yáng)程高，井口節(jié)流損失大?？偤蛯?duì)比后，提出以下提高效率降低能耗的建議：

(1)減泵。注水站開泵兩臺(tái)，3#泵負(fù)荷率低于平均負(fù)荷率19.15%，該泵額定排量為400 m3/h，如果杏十注水站具備周圍管網(wǎng)連通性好、上游污水站來(lái)水可調(diào)向其他注水站等條件，應(yīng)首選停運(yùn)此臺(tái)注水泵。

(2)泵的梯級(jí)匹配。如不具備減泵條件，為提高泵的整體負(fù)荷，可以考慮在注水站內(nèi)增設(shè)不同排量級(jí)別的泵。例如注水站有三臺(tái)水泵，但額定排量均為400 m3/h，應(yīng)增設(shè)如排量為300 m3/h、250 m3/h的泵以適應(yīng)不同排量需求。

(3)增設(shè)變頻裝置[10]。通過(guò)對(duì)泵電機(jī)的調(diào)頻可以改變泵的輸入功率(軸功率)，可以實(shí)現(xiàn)在不更換泵型號(hào)的前提下改變泵的額排量，同時(shí)提高機(jī)組效率。

(4)整體降壓局部增壓。由于管網(wǎng)連通性較好，要降低井口壓損不能進(jìn)行局部降壓而需要整體降壓。降壓方式通過(guò)離心泵整體減一級(jí)的方式實(shí)現(xiàn)，由于該系統(tǒng)現(xiàn)有所有泵單級(jí)揚(yáng)程為150 m即1.5 MPa，整體減級(jí)會(huì)導(dǎo)致54口壓損在0～1.5 MPa之間的注水井壓力不能滿足需求。分析注水井井位發(fā)現(xiàn)，這一部分井的井位相對(duì)集中，因此可以考慮在合適位置建立小型增壓站對(duì)它們進(jìn)行單獨(dú)增壓，實(shí)現(xiàn)以整體降壓，局部增壓的方式降低整體耗電量，達(dá)到節(jié)能的目的。能急劇下降，而支持向量機(jī)仍然能夠?qū)y(cè)試樣本具有較高的識(shí)別率，這也驗(yàn)證了支持向量機(jī)在小樣本情況下仍然具有良好的預(yù)測(cè)和推廣能力。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)注水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行流程特點(diǎn)的分析，對(duì)原有標(biāo)準(zhǔn)中電機(jī)輸入功率、站內(nèi)回流損失率、等計(jì)算公式進(jìn)行了調(diào)整，并改用泵機(jī)組效率代替泵機(jī)組能量利用率來(lái)衡量機(jī)組的用能情況。

(2)針對(duì)注水系統(tǒng)中常見的水量不平衡問(wèn)題進(jìn)行了分析，找到了導(dǎo)致水量不平衡的主要原因，并提出了兩種解決方案。

(3)根據(jù)調(diào)整的公式和提出的解決辦法，對(duì)大慶某區(qū)塊進(jìn)行了能耗計(jì)算，分析表明計(jì)算結(jié)果能準(zhǔn)確的反映出系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的用能情況。在此基礎(chǔ)上，對(duì)用能情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)用能情況良好，但仍然存在提升空間。提出了通過(guò)減泵、泵的梯級(jí)匹配、增設(shè)變頻措施、和整體降壓局部增壓等多種方式降低系統(tǒng)整體耗電量，從而達(dá)到節(jié)能的目的。