張晶 （大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

杏北油田共建成油水井1.6 萬(wàn)口，各種油水處理站場(chǎng)204 座，有各類機(jī)泵4 442 臺(tái)，加熱爐388臺(tái)，各類管道1.12×104km。隨著油田生產(chǎn)時(shí)間延長(zhǎng)，油田開(kāi)發(fā)形勢(shì)發(fā)生變化，多種開(kāi)發(fā)方式并存，綜合含水持續(xù)升高，低滲透油層多井低產(chǎn)等現(xiàn)象持續(xù)出現(xiàn)，原有的開(kāi)發(fā)方式下建立起來(lái)的系統(tǒng)平衡被打破，油田地面生產(chǎn)系統(tǒng)均存在一定的低效高耗問(wèn)題。隨著節(jié)能工作不斷深入，潛力已得到很大程度的挖掘，常規(guī)技術(shù)節(jié)能空間小，萬(wàn)元投資節(jié)能量連續(xù)下降[1]，能耗管控壓力大。為此，地面系統(tǒng)圍繞“不投入、少投入”的思路，開(kāi)展集輸系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化技術(shù)研究。

1 全流程能量?jī)?yōu)化方法

應(yīng)用能量平衡理論，創(chuàng)新研發(fā)一種基于工藝仿真和數(shù)據(jù)挖掘相結(jié)合的能耗全流程優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化摻水管理。為了使研究方法有形化，根據(jù)此理論研發(fā)了能量?jī)?yōu)化軟件，該軟件具備批量導(dǎo)入、摻水優(yōu)化、用能評(píng)價(jià)、熱力校核、水力校核等功能，為精細(xì)化摻水提供數(shù)據(jù)支持。

1.1 能量系統(tǒng)優(yōu)化思路

轉(zhuǎn)變區(qū)域優(yōu)化理念，統(tǒng)籌考慮“采油井、計(jì)量間、轉(zhuǎn)油站、脫水站”各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)集輸系統(tǒng)“全局優(yōu)化”，推進(jìn)能量系統(tǒng)供需平衡，確定末端能耗需求，推導(dǎo)前端能量供給，實(shí)現(xiàn)整個(gè)集輸系統(tǒng)“量入為出”。打破“井、間、站”區(qū)域管理界限，構(gòu)建集輸全局優(yōu)化模式[2-3]。集輸系統(tǒng)全局能量?jī)?yōu)化示意圖見(jiàn)圖1。供給能量端為采出液、摻水泵、加熱爐； 消耗能量端為管線壓降、溫降；需求能量端為脫水站來(lái)液（油水處理溫度需求）。為保障能量均衡，研發(fā)優(yōu)化方法，使得需求能量等于供給能量與消耗能量之差，即實(shí)現(xiàn)全局能量?jī)?yōu)化。

圖1 集輸系統(tǒng)全局能量?jī)?yōu)化示意圖Fig.1 Schematic diagram of global energy optimization for the gathering and transportation system

1.2 精細(xì)摻水優(yōu)化

按照集輸方向，確定末端能耗需求，逐級(jí)推導(dǎo)前端能量供給，即實(shí)現(xiàn)滿足生產(chǎn)需求基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)能量供需平衡。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，杏北油田采出液平均凝固點(diǎn)為27.8 ℃，杏三脫水站30 ℃來(lái)液一段運(yùn)行情況見(jiàn)圖2，放水含油及含水率波動(dòng)較小，因此認(rèn)為該溫度對(duì)處理效果無(wú)影響，所以水驅(qū)來(lái)油溫度在30 ℃可滿足運(yùn)行管理需求。

圖2 杏三脫水站30 ℃來(lái)液一段運(yùn)行情況Fig.2 Operating situation of the first section of 30 ℃liquid inlet at Xingsan dehydration station

按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY DQ0796—2016 雙管流程油井集輸技術(shù)條件，油氣集輸管道沿線任意點(diǎn)的流體溫度計(jì)算式為：

式中：tp為管道沿線任意點(diǎn)的流體溫度，℃；t0為管外環(huán)境溫度，℃；t1為管道計(jì)算段起點(diǎn)的流體溫度，℃； e 為自然對(duì)數(shù)底數(shù)，宜按2.718 取值；x為管道計(jì)算段起點(diǎn)至沿線任意點(diǎn)的長(zhǎng)度，m；a為與液量和傳熱系數(shù)相關(guān)的系數(shù)。

1.2.1 轉(zhuǎn)油站摻水優(yōu)化計(jì)算方法

以杏一聯(lián)下轄三座轉(zhuǎn)油站杏北201 轉(zhuǎn)油站、杏北301 轉(zhuǎn)油站、杏北401 轉(zhuǎn)油站為例，按照式（1）計(jì)算，轉(zhuǎn)油站起點(diǎn)、末點(diǎn)溫降情況見(jiàn)表1。

表1 轉(zhuǎn)油站起點(diǎn)、末點(diǎn)溫降情況統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of temperature drop at the starting and ending points of oil transfer stations

根據(jù)計(jì)算后溫度可以看出，3 座轉(zhuǎn)油站溫度降低0.5～2.0 ℃，為滿足脫水站30 ℃進(jìn)站，轉(zhuǎn)油站外輸溫度需控制范圍在30～32 ℃。為保障32 ℃集輸，需要確定井口出油溫度，以計(jì)算出摻水溫度及摻水量。根據(jù)油田前期大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度，擬合形成井口出油溫度經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：G為油井日產(chǎn)液量，t/d；W為綜合含水率，%；T為井口出油溫度，℃。

為驗(yàn)證公式準(zhǔn)確性，選取不同產(chǎn)液井開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)，選擇5 種不同產(chǎn)液區(qū)間油井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，井口出油溫度對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 井口出油溫度對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Comparison test of wellhead oil temperature

對(duì)于產(chǎn)液大于20 t/d 井，吻合度為97.4%，對(duì)于產(chǎn)液小于20 t/d 井，吻合度為86.8%，公式整體準(zhǔn)確性較高，可滿足井口出油溫度計(jì)算精度需求。在保障末端溫度需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)公式（1）及混合液加權(quán)平均公式，推導(dǎo)出采油井摻水量。

1.2.2 單井摻水優(yōu)化計(jì)算方法

以杏2-1-624 摻水量計(jì)算為例，為了保障脫水站30 ℃進(jìn)站，轉(zhuǎn)油站外輸油溫度設(shè)定為32 ℃，計(jì)量間到轉(zhuǎn)油站溫降1 ℃，通過(guò)公式（1）計(jì)算得到井口溫度為35 ℃。根據(jù)公式（2）計(jì)算出油溫度為35 ℃，按照給定的摻水溫度，混合液加權(quán)平均公式確定摻水量為0.4 m3/h。因此該井在摻水溫度為40 ℃時(shí)，瞬時(shí)的摻水量為0.4 m3/h，即可保障集輸?shù)男枨骩4-5]。

按照摻水量與摻水溫度計(jì)算方法，模擬計(jì)算9個(gè)溫度下的摻水能耗，通過(guò)對(duì)比多組不同的方案，確定方案4 為能耗最低的組合，即摻水溫度為38 ℃，摻水量為1 500 m3/d 為轉(zhuǎn)油站最佳運(yùn)行方案。杏北201 轉(zhuǎn)油站不同集輸方案能耗情況見(jiàn)表3。

表3 杏北201 轉(zhuǎn)油站不同集輸方案能耗情況Tab.3 Energy consumption of different gathering and transportation schemes at xingbei 201 oil transfer station

杏北201 轉(zhuǎn)油站執(zhí)行集輸方案4 后運(yùn)行情況見(jiàn)圖3，回油壓力較為平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯上升情況；產(chǎn)液量未受到影響，摻水量隨著參數(shù)優(yōu)化顯著下降，異常高回壓井通過(guò)開(kāi)大摻水沖洗及熱洗已得到有效解決[6-7]。因此，按照上述的參數(shù)優(yōu)化方法，可以滿足平穩(wěn)集輸?shù)纳a(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)“一井一參數(shù)，一站一方案”。

圖3 杏北201 轉(zhuǎn)油站執(zhí)行集輸方案4 后運(yùn)行情況Fig.3 Energy consumption of different gathering and transportation schemes at Xingbei 201 oil transfer station

2 軟件研發(fā)

為了將技術(shù)成果有形化，同時(shí)為實(shí)施提供手段，研發(fā)了一套集輸系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化仿真建模軟件，軟件可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）集輸處理系統(tǒng)全流程模擬。軟件可以用于油田集輸處理系統(tǒng)的全流程模擬，包括油井、計(jì)量間、轉(zhuǎn)油站及聯(lián)合站之間管網(wǎng)和站內(nèi)的仿真評(píng)價(jià)及優(yōu)化計(jì)算。站內(nèi)流程仿真模擬功能，不但可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的導(dǎo)入及仿真，而且可通過(guò)各種指標(biāo)實(shí)現(xiàn)站內(nèi)流程及操作參數(shù)的優(yōu)化，并輔助完成站內(nèi)及單體設(shè)備操作參數(shù)的運(yùn)行模版，以指導(dǎo)生產(chǎn)。

2）管網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)批量建模。軟件可以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)批量建模，可在很大程度上減輕設(shè)計(jì)人員的工作量，軟件支持以excel 表格的方式導(dǎo)入數(shù)據(jù)，可以大大提高建立集輸管網(wǎng)模型的效率。同時(shí)根據(jù)需要，軟件可以與油田現(xiàn)場(chǎng)軟件系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，便于數(shù)據(jù)的采集和反饋。

3）集輸處理系統(tǒng)用能評(píng)價(jià)及優(yōu)化。軟件可以實(shí)現(xiàn)油田集輸系統(tǒng)和設(shè)備的用能分析優(yōu)化，基于內(nèi)嵌的用能運(yùn)行及設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和運(yùn)行兩個(gè)階段的用能分析優(yōu)化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了能流圖的計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制，形成了集仿真、評(píng)價(jià)與優(yōu)化的一體化功能。

4）具備熱力、水力校核功能。部分管道由于結(jié)蠟、結(jié)垢等因素導(dǎo)致縮徑，造成計(jì)算誤差大，引入“當(dāng)量系數(shù)”的概念，對(duì)比計(jì)算壓降與實(shí)際壓降，反算當(dāng)量管徑，同時(shí)也可反算當(dāng)量傳熱系數(shù)，提高模擬計(jì)算精度。

5）具有良好的開(kāi)放性和拓展功能。軟件具有良好的拓展性，用戶可以根據(jù)需要增加軟件與現(xiàn)場(chǎng)其他系統(tǒng)的接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，同時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)展的需要增加和修改工藝及設(shè)備。另外軟件的物性數(shù)據(jù)庫(kù)、多相流函數(shù)庫(kù)及用能優(yōu)化模型數(shù)據(jù)庫(kù)均可在軟件應(yīng)用中不斷擴(kuò)充完善。

3 能量系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 應(yīng)用軟件模擬計(jì)算，獲取最優(yōu)摻水方案

針對(duì)不同的生產(chǎn)系統(tǒng)及用能環(huán)節(jié)，應(yīng)用構(gòu)建的工藝流程模型及研究確定的生產(chǎn)用能評(píng)價(jià)及優(yōu)化方法，在相應(yīng)的耗能環(huán)節(jié)應(yīng)用適用的節(jié)能技術(shù)，并對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，制定試點(diǎn)單位綜合提效方案。依托油田集輸系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化決策支持平臺(tái)，通過(guò)計(jì)算分析，可以實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)產(chǎn)量階段，各生產(chǎn)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行實(shí)施方案。通過(guò)方案比選，得出生產(chǎn)參數(shù)最優(yōu)、生產(chǎn)能耗最低、用能成本最低等單目標(biāo)及多目標(biāo)優(yōu)化方案[8-10]。

3.2 編制摻水能量?jī)?yōu)化方案

為提高模擬計(jì)算精度，采用2023 年5 月各管道溫降及壓降修正各條管道總傳熱系數(shù)及管道真實(shí)內(nèi)徑。

將校核后的總傳熱系數(shù)及管道內(nèi)徑代入軟件進(jìn)行系數(shù)修正，可計(jì)算出單井摻水量?jī)?yōu)化結(jié)果。為得到滿足生產(chǎn)需求下最佳摻水優(yōu)化方案，采用軟件優(yōu)化不同摻水溫度（40～60 ℃）對(duì)應(yīng)的摻水量，溫度計(jì)算步長(zhǎng)為1 ℃，選取能耗最低組合作為優(yōu)化方案。杏北801 轉(zhuǎn)油站夏季摻水系統(tǒng)能耗變化曲線見(jiàn)圖4，能耗最小時(shí)，摻水溫度為40 ℃。

圖4 杏北801 轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)5 月能耗變化曲線Fig.4 Energy consumption change curve of Xingbei 801 oil transfer station system in May

3.3 油田地面工程能量系統(tǒng)優(yōu)化

長(zhǎng)效機(jī)制研究主要包括標(biāo)準(zhǔn)編制、制度建設(shè)及隊(duì)伍建設(shè)，使能量系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)推廣應(yīng)用具有相應(yīng)的工作基礎(chǔ)。

3.3.1 編制優(yōu)化實(shí)施指南

根據(jù)試點(diǎn)單位實(shí)施油田地面工程能量系統(tǒng)優(yōu)化全過(guò)程的工作流程、技術(shù)應(yīng)用認(rèn)識(shí)，管理經(jīng)驗(yàn)積累等，編制實(shí)施指南，指導(dǎo)下一步的推廣實(shí)施。實(shí)施指南主要包括以下內(nèi)容：一是明確油田能量系統(tǒng)優(yōu)化主要工作內(nèi)容，通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，摸索并逐步明確油田地面工程能量系統(tǒng)優(yōu)化的工作內(nèi)容及工作方法；二是規(guī)范實(shí)施步驟，即在明確工作內(nèi)容的基礎(chǔ)上，制定并規(guī)范相關(guān)工作內(nèi)容的實(shí)施步驟，明確工作流程及職責(zé)分工；三是形成業(yè)務(wù)流程支撐，即通過(guò)優(yōu)化管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)及相應(yīng)功能模塊的運(yùn)行，形成對(duì)業(yè)務(wù)流程的支撐，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的規(guī)范化。

油田地面工程能量系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)施指南的編制，將支撐能量?jī)?yōu)化技術(shù)向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化，為優(yōu)化方案的提出及實(shí)施提供有力的科學(xué)依據(jù)，讓技術(shù)能夠真正地應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)之中，并為實(shí)際生產(chǎn)提供有理有據(jù)的指導(dǎo)方案，實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)降本增效。

3.3.2 制定系統(tǒng)優(yōu)化管理辦法

根據(jù)已構(gòu)建的能源管理體系，結(jié)合油田組織架構(gòu)、生產(chǎn)運(yùn)行、用能管理等特點(diǎn)，制定滿足油田地面工程能量系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用試點(diǎn)的管理辦法，使油田能量系統(tǒng)優(yōu)化工作做到有章可依，為制定地面工程能量系統(tǒng)優(yōu)化管理辦法奠定基礎(chǔ)。

4 應(yīng)用效果

杏北油田集輸系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化運(yùn)行技術(shù)已推廣至41 座站庫(kù)，實(shí)現(xiàn)水驅(qū)轉(zhuǎn)油站全覆蓋，2017 年應(yīng)用以來(lái)累計(jì)節(jié)約運(yùn)行成本3 287 萬(wàn)元。

2017—2022 年，示范區(qū)累計(jì)節(jié)氣5 621×104m3，節(jié)電3 275×104kWh。天然氣單價(jià)4—10 月按0.1 元/m3計(jì)算，其他月份按0.3 元/m3計(jì)算，耗電單價(jià)按0.637 元/kWh 計(jì)算，2017—2022 年示范區(qū)節(jié)能效果數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 2017—2022 年示范區(qū)節(jié)能效果Tab.4 Energy conservation effect of demonstration zone from 2017 to 2022

5 結(jié)論

集輸系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化方法基于能量供需均衡理論，由原來(lái)的前端降溫集輸轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定末端能耗需求，重新分配前端能量分布，保障集輸環(huán)節(jié)的能量最優(yōu)，優(yōu)化方式更科學(xué)、更精細(xì)，具備較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性。通過(guò)優(yōu)化軟件進(jìn)行方案比選，可得出生產(chǎn)參數(shù)最優(yōu)、生產(chǎn)能耗最低、用能成本最低等單目標(biāo)及多目標(biāo)優(yōu)化方案。按照生產(chǎn)實(shí)際選取油氣集輸處理系統(tǒng)能耗最佳方案，為杏北油田精細(xì)化摻水提供了指導(dǎo)依據(jù)。通過(guò)該方法地面系統(tǒng)能效水平得到了進(jìn)一步的提升，生產(chǎn)能耗顯著下降。