大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠

1 技術(shù)研究背景

杏北油田呈現(xiàn)出水驅(qū)、聚驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)等多種開(kāi)發(fā)方式共存的局面，建成各類含油污水處理站33座，形成相關(guān)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)84處，如表1所示，并配套完善各類污水管道140條，總長(zhǎng)293.6 km，形成交錯(cuò)分布、互有聯(lián)通的污水管網(wǎng)，可以滿足產(chǎn)能鉆停、方案調(diào)整或維修改造期間的調(diào)水需求，如圖1所示。

圖1 杏北油田水驅(qū)、三采污水管網(wǎng)Fig.1 Sewage pipe network of water flooding and tertiary oil recovery in Xingbei Oilfield

表1 杏北油田污水系統(tǒng)相關(guān)節(jié)點(diǎn)匯總Tab.1 Summary of relevant nodes of sewage system in Xingbei Oilfield

隨著三次采油及加密井網(wǎng)開(kāi)發(fā)的推進(jìn)，深度注水量逐年升高，水驅(qū)區(qū)塊產(chǎn)水有限，不能滿足深度用水需求，深度水源存在4.00×104～6.64×104m3/d的虧空；三采區(qū)塊的增加，導(dǎo)致三采產(chǎn)水量升高，而普通井網(wǎng)的注水能力有限，三采污水存在3.95×104～4.89×104m3/d的剩余，如圖2、圖3所示。因此，整體呈現(xiàn)出“三采產(chǎn)水過(guò)剩，深度水源不足”的矛盾，同時(shí)全廠注采平衡主要靠人為調(diào)整，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果受調(diào)度者主觀經(jīng)驗(yàn)影響，難以保證調(diào)配方案的質(zhì)量[1-5]。

圖2 深度水源不足Fig.2 Lack of deep water source

圖3 三采產(chǎn)水過(guò)剩Fig.3 Excess water roduction in ASP flooding

然而污水系統(tǒng)運(yùn)行不是一成不變的，受各種因素影響需動(dòng)態(tài)調(diào)整，靠人為調(diào)整很難保證及時(shí)性，容易造成污水處理站負(fù)荷率不均衡，污水處理效果不達(dá)標(biāo)等情況。主要工況：

（1）季節(jié)性水量變化，優(yōu)化注水泵啟停。

（2）老化站庫(kù)停產(chǎn)改造，需要施工銜接。

（3）三采產(chǎn)水含聚動(dòng)態(tài)變化，平衡系統(tǒng)水量。

（4）產(chǎn)能新增產(chǎn)、注水量需求，建設(shè)站庫(kù)、管道。

2 污水仿真技術(shù)研究

污水系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術(shù)以杏北油田實(shí)際的污水管網(wǎng)、機(jī)泵設(shè)備、生產(chǎn)數(shù)據(jù)為建?；A(chǔ)，以滿足生產(chǎn)需求為量化的約束條件，使得污水系統(tǒng)整體調(diào)運(yùn)過(guò)程中能耗最低。

2.1 污水管道水力計(jì)算模型修正

生產(chǎn)數(shù)據(jù)提取中只提供最高級(jí)別節(jié)點(diǎn)（脫水站級(jí)別）原水含聚濃度，但各下游節(jié)點(diǎn)、管道內(nèi)含聚濃度與黏度均不可測(cè)，因此，需對(duì)管內(nèi)污水黏度關(guān)系式進(jìn)行修正。通過(guò)建立黏度隨溫度、含聚量變化的數(shù)學(xué)模型[6-7]，利用相關(guān)系數(shù)法對(duì)Kendal-Monroe模型、Arrhenius 黏度模型、Bingham 黏度模型、Cragoe 黏度模型四種常見(jiàn)的模型進(jìn)行比較，如表2所示。

根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于油田污水，Kendal-Monroe 模型精度較高，因此選用該種模型建立公式，得到黏度隨溫度、含聚量變化關(guān)系模型：

式中：μn,t為t溫度下含聚量為n的污水動(dòng)力黏度，mPa·s；n為污水中聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；μj、μw分別為參考溫度下聚合物、清水的黏度，mPa·s；u為黏溫指數(shù)，℃-1；t和t0分別為測(cè)點(diǎn)溫度和參考溫度。

表2 不同模型計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of various models

污水管道的壓降公式為

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。

設(shè)管道實(shí)際的水力摩阻損失為hw，修正后水力摩阻系數(shù)為δ，管道長(zhǎng)度為l，管內(nèi)流速為v，管徑為d，則

現(xiàn)使用最小二乘法對(duì)4種不同類型的管道進(jìn)行水力修正，由此便可得到四種不同管道的修正關(guān)系式[8]。計(jì)算步驟如下:

（1）通過(guò)計(jì)算與實(shí)際測(cè)量結(jié)果得出n組λ與δ。

（2）根據(jù)管道類型的不同對(duì)λ與δ進(jìn)行分類。

（3）在matlab中分別錄入各組數(shù)據(jù)，采用多項(xiàng)式公式擬合，選取多項(xiàng)式的最高次項(xiàng)不超過(guò)3 次，此時(shí)得到的即為修正后的λ與ε的關(guān)系式，記為f()λ=δ。

（4）對(duì)修正結(jié)果進(jìn)行誤差分析，以相對(duì)誤差 5%為標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證修正結(jié)果是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)對(duì)大慶油田采油四廠污水系統(tǒng)管網(wǎng)進(jìn)行的水力計(jì)算及修正計(jì)算，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的水力計(jì)算理論結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，擬合出不同類型管道的修正系數(shù)，得到的經(jīng)驗(yàn)公式精度較高，也比較符合實(shí)際情況，如表3所示。

表3 誤差統(tǒng)計(jì)Tab.3 Error statistics

2.2 建立污水管網(wǎng)仿真模型

杏北污水系統(tǒng)總體上由原水管道、普通濾后水管道、深度濾后水管道三類管網(wǎng)組成。根據(jù)水質(zhì)不同，原水管道可分為一般含油原水管道、含聚原水管道2種。普通濾后水管道可分為一般含油普通濾后水管道、含聚濾后水管網(wǎng)管道2種。其總體供水流程如圖4所示。

2.3 確定污水系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算條件

基于已有的理論原理及模型，設(shè)定污水系統(tǒng)函數(shù)計(jì)算原則[9-10]：保證上游脫水、放水站產(chǎn)水全部回注，以及在滿足下游注水站注水需求的基礎(chǔ)上，最大限度地滿足“水量平衡、分質(zhì)處理、均衡負(fù)荷”，實(shí)現(xiàn)污水系統(tǒng)總運(yùn)行能耗最低。

（1）含聚濃度類約束。水驅(qū)普通污水站處理液含聚質(zhì)量濃度 150 mg/L；深度污水站處理液含聚質(zhì)量濃度 150 mg/L；三元污水站外輸水質(zhì)含聚質(zhì)量濃度 150 mg/L時(shí)進(jìn)入深度站。

（2）站庫(kù)負(fù)荷類約束。水驅(qū)普通污水站石英砂濾料站庫(kù)負(fù)荷率 90%；當(dāng)水驅(qū)污水站含聚質(zhì)量濃度 150 mg/L 時(shí)，負(fù)荷率 80%；含聚質(zhì)量濃度為150～250 mg/L 時(shí)負(fù)荷率 69%；三元站、深度站、聚驅(qū)站運(yùn)行負(fù)荷率 80%。

（3）其他約束。產(chǎn)水總量加上清水補(bǔ)充量不超過(guò)注水站需求量，保證污水不外排；管道輸水量應(yīng)滿足不同季節(jié)、不同介質(zhì)、不同材質(zhì)水力條件。以運(yùn)行管道長(zhǎng)度與管道內(nèi)流量乘積作為評(píng)定系統(tǒng)能耗的標(biāo)準(zhǔn)，建立污水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)。

基于以上計(jì)算原則、目標(biāo)函數(shù)、各類約束條件，調(diào)運(yùn)過(guò)程中能耗最低作為求解目標(biāo)。

2.4 仿真優(yōu)化軟件開(kāi)發(fā)

根據(jù)水力計(jì)算模型、管網(wǎng)仿真模型及計(jì)算約束條件，開(kāi)發(fā)杏北油田污水系統(tǒng)仿真優(yōu)化軟件[11]，實(shí)現(xiàn)污水管網(wǎng)仿真運(yùn)行、生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度、輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)等功能，對(duì)油田生產(chǎn)起指導(dǎo)作用，總體結(jié)構(gòu)框架見(jiàn)圖5。

2.4.1 實(shí)現(xiàn)圖形建模

按照已有圖形的實(shí)際地理坐標(biāo)以及管線的連接情況，建立既符合實(shí)際管網(wǎng)現(xiàn)狀又適合程序計(jì)算的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，可顯示實(shí)際的節(jié)點(diǎn)、管道信息。用戶可添加、刪除、修改已有圖形，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，適應(yīng)污水管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)變化，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)需要。此功能模塊包括圖形顯示、節(jié)點(diǎn)名稱、繪圖工具、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完整性檢測(cè)等功能。

圖4 杏北油田污水系統(tǒng)流程Fig.4 Flow of sewage system in Xingbei Oilfield

圖5 總體結(jié)構(gòu)框架Fig.5 Overall structure framework

2.4.2 實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算

在建立管網(wǎng)模型、仿真算法的基礎(chǔ)下，利用污水站實(shí)際的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，調(diào)整不同的計(jì)算模型，得出污水管網(wǎng)中各管段的壓力損失、各節(jié)點(diǎn)的壓力及流量，并能直觀查看現(xiàn)有數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及各污水站庫(kù)的負(fù)荷率和含聚濃度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模擬運(yùn)行。

主要包括如下功能：①污水系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的提取和轉(zhuǎn)化；②污水系統(tǒng)仿真模型的建立；③污水系統(tǒng)仿真模型的解算；④模擬仿真運(yùn)行研究；⑤圖形動(dòng)態(tài)顯示。仿真計(jì)算見(jiàn)圖6。

2.4.3 檢查調(diào)度決策

基于已建的仿真模型和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有的仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，顯示不滿足脫水站全外排、污水站負(fù)荷率不超的站庫(kù)。

2.4.4 實(shí)現(xiàn)調(diào)度優(yōu)化

該功能是整個(gè)污水仿真優(yōu)化的核心部分，基于脫水站外排、污水站外排、注水站需量、管道能力、污水站負(fù)荷、水驅(qū)含聚濃度、深度站含聚濃度這7種約束條件，在現(xiàn)有的管網(wǎng)情況下，應(yīng)用優(yōu)化理論和方法進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，優(yōu)化后各水質(zhì)污水站負(fù)荷率更加均衡，如圖7所示。

2.4.5 模擬改造方案

可對(duì)污水管網(wǎng)改造方案進(jìn)行仿真模擬，可查看變化節(jié)點(diǎn)后管道的流量、壓降、黏度、壓力等信息，導(dǎo)出調(diào)整改造方案，對(duì)污水管網(wǎng)的規(guī)劃決策起指導(dǎo)作用，如圖8所示。

圖6 仿真計(jì)算Fig.6 Simulation calculation

圖7 優(yōu)化前后方案各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比Fig.7 Comparison of various indexes before and after optimization schemes

圖8 調(diào)整改造界面Fig.8 Adjustment and transformation of interface

3 技術(shù)應(yīng)用

杏北油田污水仿真優(yōu)化技術(shù)于2018 年11 月開(kāi)發(fā)完成，2019 年開(kāi)始在生產(chǎn)管理、調(diào)整改造中得以應(yīng)用。

3.1 杏十注水站起泵調(diào)整

由于杏十注水站所轄區(qū)域注水管壓為15.8 MPa，輔助制定普通網(wǎng)注水停泵調(diào)水預(yù)案，實(shí)現(xiàn)普通網(wǎng)順利停運(yùn)杏十聯(lián)DN250注水泵1臺(tái)，使區(qū)域管網(wǎng)壓力降低到15.3 MPa，緩解了區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)供注矛盾。系統(tǒng)泵水單耗由5.92 kWh/m3下降到5.80 kWh/m3，日節(jié)約電量6 642 kWh，日節(jié)約運(yùn)行成本0.4萬(wàn)元，預(yù)計(jì)年可節(jié)約運(yùn)行成本132萬(wàn)元。

3.2 杏一區(qū)～三區(qū)深度污水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整

針對(duì)杏一～三區(qū)西部區(qū)域深度污水供需情況，通過(guò)系統(tǒng)模擬，提出了區(qū)域停運(yùn)杏十九深度污水站的輔助決策建議，生產(chǎn)中采納并實(shí)施，停運(yùn)深度污水站1 座，減少崗位用工14 人，年降低運(yùn)行成本277萬(wàn)元，降低改造投資1 570萬(wàn)元。

4 結(jié)論

通過(guò)該項(xiàng)目的研究，實(shí)現(xiàn)了油田污水系統(tǒng)調(diào)度決策的智能化，避免調(diào)度決策結(jié)果受人為影響程度較大?？蓾M足注水泵實(shí)時(shí)調(diào)整的需求，提前制定啟停方案；可滿足站庫(kù)停產(chǎn)改造需求，制定污水調(diào)運(yùn)預(yù)案，便于施工順利開(kāi)展；針對(duì)三采區(qū)塊含聚動(dòng)態(tài)變化情況，及時(shí)進(jìn)行合理調(diào)配；在產(chǎn)能建設(shè)中，可預(yù)先模擬運(yùn)行，論證新建站庫(kù)、管道、設(shè)備設(shè)施的必要性。污水系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術(shù)研究成果，可在油田多元開(kāi)發(fā)中廣泛應(yīng)用。