宋 奇，莊建全，羅江濤，鄭春星

1.中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院 （江蘇 揚州 225009）

2.中國石化江蘇油田分公司采油二廠 （江蘇 淮安 211600）

注水可以有效地補充地層能量，對提高原油采收率，確保油田高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)起到了積極作用，是降低原油開采成本的重要途徑。但是，目前我國各油田的注水系統(tǒng)普遍存在效率低、能耗高、能源浪費大的問題。據(jù)統(tǒng)計，油田注水耗電量一般占油田總用電量的33%～56%[1]，并且隨注水量的增加還將持續(xù)上升。

地面注水管網(wǎng)能耗高的主要原因：一是注水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理。區(qū)塊注水能力需要增加時，鑒于新建注水站投入大，一般采用優(yōu)先改造老站的方法，這就造成老站與當(dāng)初設(shè)計相比，其注水半徑變大，干支線增多，致使老站注水負(fù)荷增加，管線沿程壓力損失變大，系統(tǒng)能耗升高、注水效率下降。二是注水管線普遍存在腐蝕結(jié)垢等問題，這一方面增加了管線表面的摩擦系數(shù)，另一方面結(jié)垢造成管徑縮小，最終導(dǎo)致管線節(jié)流損失大，造成能量的浪費[2-3]。

多年來，地面注水系統(tǒng)的優(yōu)化運行主要是靠注水管理人員的經(jīng)驗來實施，難以保證注水系統(tǒng)在優(yōu)化的狀態(tài)下工作，致使注水效率較低，注水能耗偏高。因此，油田急需一套方便、快捷、可靠的地面注水管網(wǎng)優(yōu)化、設(shè)計和管理的軟件。基于此，擬構(gòu)建一個注水管網(wǎng)優(yōu)化評價分析的軟件平臺，更好地幫助油田注水管理人員對現(xiàn)有注水生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行測試、分析診斷，發(fā)現(xiàn)存在的問題，優(yōu)化注水參數(shù)及注水管網(wǎng)，優(yōu)選作業(yè)措施，確保注水生產(chǎn)系統(tǒng)效率最高，降低管網(wǎng)改造和系統(tǒng)運行成本，以達(dá)到為油田節(jié)能降耗、提質(zhì)增效的目標(biāo)。

1 注水管網(wǎng)仿真數(shù)學(xué)模型的建立

注水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個復(fù)雜而龐大的水力學(xué)系統(tǒng)。從基本組成單元分析，油田注水系統(tǒng)由管線單元（注水干線和注水支線）、節(jié)點單元（注水站、配水間、注水井以及管線交點單元）和附屬單元（三通、閥門和彎頭單元）構(gòu)成。

1.1 注水管網(wǎng)系統(tǒng)的簡化

油田注水系統(tǒng)是大型、非線性、復(fù)雜的流體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，首先要對管網(wǎng)進(jìn)行簡化，也就是對管網(wǎng)系統(tǒng)的總體方程進(jìn)行降維或降階處理，同時保留揭示原系統(tǒng)本質(zhì)特征的主要信息[4-5]。

江蘇油田注水管網(wǎng)多為枝狀管網(wǎng)，管網(wǎng)流程以單管多井工藝居多，故枝狀管網(wǎng)的簡化策略為：將注水井等分支節(jié)點的流量直接上溯疊加到其所屬配水間，將該配水間所屬注水井井口壓力與配水間到注水井的壓頭損失之和的最大值疊加到該配水間。

式中：Qpei為配水間流量，m3/d；Qjing為注水井井口流量，m3/d；Ppei為配水間壓力，MPa；Pjing為注水井井口壓力，MPa；hw為配水間到注水井的壓力損失，MPa。

如圖1所示的注水管網(wǎng)中，共有30個節(jié)點，其中有1個注水站節(jié)點、6個配水間節(jié)點、23個注水井節(jié)點。經(jīng)過簡化后，管網(wǎng)系統(tǒng)中的節(jié)點數(shù)由最初的30個降為最終的7個（圖2），即管網(wǎng)系統(tǒng)總體方程的維數(shù)由30維降為7維，特性矩陣K由30×30階矩陣降為7×7階矩陣。

圖1 簡化前注水管網(wǎng)

圖2 簡化后注水管網(wǎng)

1.2 注水管網(wǎng)仿真數(shù)學(xué)模型的建立

對于一般的油田注水管網(wǎng)系統(tǒng)，對方程的階次、上機(jī)前的準(zhǔn)備工作和迭代計算收斂的速度等方面綜合比較發(fā)現(xiàn)，節(jié)點型方程模型最為有效，也就是在管網(wǎng)中任一節(jié)點上需要滿足連續(xù)方程（即節(jié)點的流量平衡）。連接此節(jié)點的所有單元從節(jié)點流出流量之和等于流入該節(jié)點的流量（若是消耗則為負(fù)值）。對任一節(jié)點m有：

式中：i為管線單元編號；k，j為管線單元兩端節(jié)點編號；Ui為該節(jié)點為水源所在節(jié)點時的供水量；Qi為該節(jié)點為注水井時的配注量；hk，hj為管線單元兩端節(jié)點壓力；Ii為與節(jié)點i相鄰的節(jié)點標(biāo)號的集合；vi=f(hk-hj,li，di，si)，li，di，si分別為管線單元長度、內(nèi)徑、沿程摩阻系數(shù)。

對于一個有n個節(jié)點的注水管網(wǎng)，有n個這樣的節(jié)點方程組成的非線性方程組。但這n個方程中的任一節(jié)點方程都可以由其余n-1個方程得出，所以它只有n-1個獨立方程?；谶@n-1個方程，若注水系統(tǒng)中注水站的供水量、各節(jié)點的配注水量已知，可由該方程組求出各節(jié)點的壓力和各管道的流量。

1.3 油田注水系統(tǒng)效率計算方法

油田注水系統(tǒng)效率等參數(shù)依照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5264—2006《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》中所規(guī)定的油田注水地面系統(tǒng)的測試與計算方法進(jìn)行計算。

1.4 注水井及注水管線問題診斷分析依據(jù)

1.4.1 注水井診斷

注水井診斷以配注合格率為主要目標(biāo)，配注合格率就是單井實際注水量與配注量的比值，它直接反映了該井的配注完成情況，可以準(zhǔn)確而有效地判斷出該井的實際注水情況。

式中：η合格為配注合格率；Q實注為注水井實際注水量，m3/d；Q配注為注水井配注量，m3/d。

1.4.2 管線診斷

管線診斷以管線內(nèi)徑縮小率為主要判別標(biāo)準(zhǔn)，管線內(nèi)徑縮小率就是管線內(nèi)徑的變化值與新管線內(nèi)徑的比值。

式中：η為管線內(nèi)徑縮小率，%；d為新管線的內(nèi)徑，m；d當(dāng)量為軟件模擬出的管線當(dāng)量內(nèi)徑，m。

2 注水管網(wǎng)仿真診斷優(yōu)化評價軟件的編制

通過Delphi 7.0編程語言，編制了地面注水管網(wǎng)仿真診斷優(yōu)化評價軟件。該軟件平臺以油田真實生產(chǎn)數(shù)據(jù)為初始條件，模擬得到管網(wǎng)各節(jié)點及管元的壓力、流量參數(shù)，計算系統(tǒng)效率及能量損耗。依據(jù)仿真結(jié)果及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對注水系統(tǒng)進(jìn)行工況診斷，分析影響油田注水系統(tǒng)效率的因素，找出不合理因素。在滿足油田現(xiàn)有生產(chǎn)實際的前提條件下，對注水管網(wǎng)改造方案進(jìn)行節(jié)能潛力預(yù)測，指導(dǎo)油田注水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃。軟件的主界面及功能模塊如圖3所示。

圖3 注水管網(wǎng)仿真診斷優(yōu)化評價軟件界面

3 注水管網(wǎng)評價實例

選取某油田注水系統(tǒng)實例，應(yīng)用注水管網(wǎng)仿真診斷優(yōu)化評價軟件對其進(jìn)行仿真計算及工況診斷分析。首先應(yīng)用軟件建立了該注水站注水管網(wǎng)模型，如圖4所示，現(xiàn)場收集了2018年4月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計算，具體結(jié)果見表1。由表1和表2數(shù)據(jù)可知，應(yīng)用軟件仿真計算結(jié)果與實際測試結(jié)果相比，多數(shù)節(jié)點的計算結(jié)果與實際測試結(jié)果誤差在允許范圍內(nèi)，誤差最大值為5.70%。

圖4 某注水站注水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

表1 配水間仿真計算結(jié)果

表3為注水管線的診斷結(jié)果，根據(jù)輸入的工況數(shù)據(jù)計算得到管線的實際壓降，擬合得到管線的當(dāng)量內(nèi)徑，按管線的內(nèi)徑和流量計算管線的理論壓降，最后根據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)給出評價結(jié)果。在油田實際應(yīng)用中，一般認(rèn)為當(dāng)量內(nèi)徑縮小率在15%以內(nèi)為合理值，由表3中數(shù)據(jù)可知，注水站到配水間2的注水干線、配水間2到井6-9和井6-39注水支線的管線當(dāng)量直徑與管線內(nèi)徑相比明顯大于15%，說明注水管線出現(xiàn)一定的堵塞、結(jié)垢現(xiàn)象，亟待改造。

表2 要因確認(rèn)表

注水井診斷結(jié)果見表4，該系統(tǒng)內(nèi)有欠注井2口，超注井1口，其余井均在正常范圍內(nèi)。

優(yōu)選改造方案：注水站到配水間2的注水干線、配水間2到井6-9和井6-39注水支線的管線不合格，且井6-9和井6-39沒有達(dá)到配注量，建議對相應(yīng)注水管線進(jìn)行物理或化學(xué)清洗，以此降低注水管線壓損，提高井6-9和井6-39的注水量。根據(jù)管網(wǎng)仿真診斷優(yōu)化評價平臺對清洗后的注水管線進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析，井6-9和井6-39的注水量分別為49 m3/d和31 m3/d，基本達(dá)到配注量，該注水站的注水系統(tǒng)效率從43.7%提高到46.5%，提高了2.8%。

4 結(jié)論

1）依據(jù)注水管網(wǎng)仿真數(shù)學(xué)模型編制的注水管網(wǎng)仿真診斷優(yōu)化評價軟件，以油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)為初始條件，可實現(xiàn)對現(xiàn)有工況的準(zhǔn)確性分析，計算注水管網(wǎng)的各部分運行參數(shù)，幫助注水人員及時掌握注水動態(tài)。

表3 注水管線診斷結(jié)果

表4 注水井診斷結(jié)果

2）通過優(yōu)化計算，可實現(xiàn)對現(xiàn)有注水管網(wǎng)的問題診斷分析評價，據(jù)此找出現(xiàn)有注水管網(wǎng)存在的問題，提出相應(yīng)的優(yōu)化改造措施，提高改造后節(jié)能潛力，對油田生產(chǎn)實際具有一定的指導(dǎo)意義。