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        基于可比能耗的稠油油田能耗評(píng)價(jià)模型研究

        2025-05-02 00:00:00成慶林王子恒梁月玖高雪冬何建林于靖波
        化工機(jī)械 2025年2期

        摘 要 為解決現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)指標(biāo)難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)稠油油田用能水平的問(wèn)題,開(kāi)展使用可比能耗指標(biāo)進(jìn)行稠油油田能耗評(píng)價(jià)研究。采用熵權(quán)法、主成分分析法和組合賦權(quán)法確定稠油油田各生產(chǎn)系統(tǒng)能耗的影響因子。確定各因子的可比修正系數(shù)、各生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗系數(shù)及能量因數(shù),繼而確定油田整體能量因數(shù)并建立能耗評(píng)價(jià)模型。通過(guò)計(jì)算實(shí)例說(shuō)明,能量因數(shù)越大的油田,結(jié)構(gòu)越復(fù)雜??杀饶芎脑酱蟮挠吞?,其節(jié)能潛力越大。該模型幫助油田企業(yè)更好地了解整體用能狀況并對(duì)油田企業(yè)的節(jié)能優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

        關(guān)鍵詞 稠油油田 可比能耗指標(biāo) 能量因數(shù) 可比修正系數(shù)

        中圖分類號(hào) TE43" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094(2025)02?0301?08

        當(dāng)前節(jié)能降耗、可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為世界各國(guó)能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)之一,而我國(guó)的能源狀況也日益復(fù)雜。稠油油田是我國(guó)儲(chǔ)量極其豐富的一種油藏,稠油具有黏度大、流動(dòng)性差等特點(diǎn),導(dǎo)致舉升和集油時(shí)所消耗的能源明顯比稀油的大[1]。因此開(kāi)展能耗評(píng)價(jià)研究,采取節(jié)能措施,有利于我國(guó)油田企業(yè)降低成本,增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,同時(shí)也符合國(guó)際能源環(huán)境的發(fā)展方向。

        孫寧通過(guò)分析油田企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀與節(jié)能要求建立了油田企業(yè)能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,構(gòu)建了油田企業(yè)能耗評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)模型[2]。李有壽詳細(xì)闡述了建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的七大基本原則,在深入分析塔河油田能耗現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,依照能源技術(shù)效率、能源經(jīng)濟(jì)效率和社會(huì)效率構(gòu)建了包含3個(gè)子系統(tǒng)和18個(gè)指標(biāo)的塔河油田評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。這些統(tǒng)計(jì)指標(biāo)雖然能較為直觀地體現(xiàn)油田的耗能水平,但分類較粗放,某些指標(biāo)范圍界定不清,導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)失準(zhǔn)[3]。張會(huì)斌確定了延長(zhǎng)油田集輸系統(tǒng)能耗的評(píng)價(jià)指標(biāo),并應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)這些指標(biāo)作綜合灰色關(guān)聯(lián)分析,實(shí)現(xiàn)了集輸站庫(kù)系統(tǒng)能耗的多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)。但在指標(biāo)選取上需要衡量的標(biāo)準(zhǔn)較粗,且選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)為綜合和單耗平均值。對(duì)于一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),這些指標(biāo)難以體現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各能耗影響因素之間的關(guān)聯(lián)性和相互影響程度[4]。

        綜上所述,目前我國(guó)雖然建立了較為健全的油田能耗指標(biāo)統(tǒng)計(jì)體系,但多為綜合性的能耗指標(biāo)。此類指標(biāo)都是以統(tǒng)計(jì)期內(nèi)的油田能耗總量及原油總產(chǎn)量或總產(chǎn)液量為基礎(chǔ),通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算獲得。這種統(tǒng)計(jì)較宏觀,無(wú)法反映油田開(kāi)采的難易程度,也無(wú)法反映油田生產(chǎn)能耗隨油品性質(zhì)、泵掛深度等諸多客觀因素的變化關(guān)系[5]。為了滿足稠油油田生產(chǎn)能耗分析、評(píng)價(jià)的要求,需要對(duì)現(xiàn)有的能耗統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行加深和細(xì)化,因此引入可比能耗和能量因數(shù)的概念[6],建立稠油油田的可比能耗指標(biāo)體系,幫助稠油油田企業(yè)更好地了解整體用能狀況、主要能耗問(wèn)題和節(jié)能潛力。

        通過(guò)調(diào)研可比能耗的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知,雖然水泥、鋼鐵及煉油等行業(yè)已發(fā)展出了較為完善的可比能耗理論和計(jì)算方法[7,8],但油氣田企業(yè)并無(wú)統(tǒng)一的可比能耗指標(biāo)。因此本研究通過(guò)分析其他行業(yè)可比能耗應(yīng)用現(xiàn)狀及相關(guān)計(jì)算方法,包括各行業(yè)可比能耗指標(biāo)涉及的耗能工序或流程等基礎(chǔ)生產(chǎn)單元,為稠油油田可比能耗計(jì)算方法和能耗評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建提供借鑒。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)原則和實(shí)際需要將稠油油田可比能耗指標(biāo)分為兩級(jí),第1級(jí)指標(biāo)為油田生產(chǎn)可比能耗,第2級(jí)指標(biāo)為生產(chǎn)系統(tǒng)可比能耗。

        1 確定系統(tǒng)能耗主要影響因素

        稠油油田各生產(chǎn)系統(tǒng)作為主要耗能單元存在著影響其能耗的客觀因素。根據(jù)各生產(chǎn)系統(tǒng)能耗構(gòu)成特點(diǎn)和生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行狀況,初步確定各系統(tǒng)的能耗影響因子。通過(guò)熵權(quán)法、主成分分析法及組合賦權(quán)法計(jì)算系統(tǒng)中各項(xiàng)因子的影響權(quán)重,根據(jù)綜合權(quán)重的大小確定系統(tǒng)能耗的影響因素。

        1.1 熵權(quán)法求因子指標(biāo)權(quán)重

        熵權(quán)法是一種基于信息熵理論的指標(biāo)權(quán)重確定方法。通過(guò)計(jì)算各指標(biāo)的信息熵來(lái)確定其權(quán)重[9,10],指標(biāo)權(quán)重表示指標(biāo)在決策中所占的比重。

        建立指標(biāo)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)矩陣。

        設(shè)有n組樣本,m個(gè)影響因素指標(biāo),第i個(gè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)的取值為xij,構(gòu)建指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣X:

        X=(x) i=1,2,…,n,j=1,2,…,m (1)

        矩陣標(biāo)準(zhǔn)化處理。

        將各數(shù)據(jù)值x轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)值y,得到標(biāo)準(zhǔn)化判斷矩陣Y:

        Y=(y) i=1,2,…,n,j=1,2,…,m (2)

        轉(zhuǎn)換方式如下:

        計(jì)算指標(biāo)的信息熵。

        因子指標(biāo)的信息熵的計(jì)算公式為:

        其中,g為第j個(gè)因子的特征比重,G為第j個(gè)因子指標(biāo)的信息熵。

        計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重。

        因子指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算公式為:

        1.2 主成分分析法求因子指標(biāo)權(quán)重

        主成分分析是利用降維的思想,將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法[11,12]。轉(zhuǎn)化的綜合指標(biāo)稱為主成分,其中每個(gè)主成分都是原始變量的線性組合,且各個(gè)主成分之間互不相關(guān)。

        建立指標(biāo)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)矩陣,并將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

        建立變量間的相關(guān)系數(shù)矩陣。

        相關(guān)系數(shù)矩陣R=(r)的計(jì)算公式為:

        其中,Y為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣;對(duì)于矩陣R=(r)來(lái)說(shuō),r表示第i個(gè)指標(biāo)與第j個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)。

        確定特征值和特征向量。

        通過(guò)下式求解矩陣R的特征值λ:

        R-λE=0 (8)

        其中,E表示單位向量,由此計(jì)算出的m個(gè)特征值滿足關(guān)系λ≥λ≥…≥λ≥0,且對(duì)應(yīng)的特征向量為u,u,…,u,其中u=(u,u,…,u)T,由特征向量組成m個(gè)新的指標(biāo)標(biāo)量,即:

        特征值的信息貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為:

        其中,α為第j個(gè)特征值λ的信息貢獻(xiàn)率,α為前p個(gè)特征值的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率。當(dāng)α≥80%時(shí),則選擇前p個(gè)主成分(F,F(xiàn),…,F(xiàn))進(jìn)行分析。

        計(jì)算綜合得分系數(shù)Z:

        計(jì)算第j個(gè)影響因素指標(biāo)的主成分法權(quán)重ω″:

        1.3 組合賦權(quán)法求因子指標(biāo)的綜合權(quán)重

        為了更加精準(zhǔn)地計(jì)算因子指標(biāo)的權(quán)重,充分發(fā)揮熵權(quán)法和主成分分析法的優(yōu)勢(shì)[13,14],可采用將熵權(quán)法和主成分分析法進(jìn)行組合賦權(quán)的方法計(jì)算綜合權(quán)重。

        將基于熵權(quán)法求得的權(quán)重ω′與主成分分析法求得的權(quán)重ω″進(jìn)行集成處理,可得到線性綜合權(quán)重ω=λω′+(1-λ)ω″,j=1,2,…,m。為得到最優(yōu)賦權(quán)系數(shù)λ,構(gòu)建最優(yōu)化模型:

        對(duì)最優(yōu)化對(duì)策模型關(guān)于λ求導(dǎo),當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)的偏差平方和最小時(shí),得到的組合賦權(quán)最優(yōu),求解得此條件下λ=0.5。

        則基于熵權(quán)法與主成分分析法的因子指標(biāo)綜合權(quán)重表達(dá)式為:

        2 稠油油田能耗評(píng)價(jià)模型

        2.1 可比能耗計(jì)算模型

        引入能量因數(shù)的概念[15,16],可比能耗以單位能量因數(shù)能耗的形式表示。按生產(chǎn)系統(tǒng)劃分,分別計(jì)算各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的能量因數(shù)EC,繼而計(jì)算稠油油田能量因數(shù)EC。系統(tǒng)的可比能耗SEC為系統(tǒng)的單位能耗與系統(tǒng)能量因數(shù)的比值,單位為kgce/(t·能量因數(shù))。油田的可比能耗SEC為油田的單位總能耗與油田能量因數(shù)的比值,單位為kgce/(t·能量因數(shù))。

        使用影響因素修正系數(shù)對(duì)稠油油田各系統(tǒng)的能耗系數(shù)進(jìn)行修正,修正后的系統(tǒng)能耗系數(shù)即為系統(tǒng)的能量因數(shù),各個(gè)系統(tǒng)能量因數(shù)的加和即為油田整體能量因數(shù)。則稠油油田的可比能耗計(jì)算方式見(jiàn)表1,單位能耗的單位kgce/t。

        2.2 各生產(chǎn)系統(tǒng)能耗基準(zhǔn)值及能耗系數(shù)的確定

        能耗基準(zhǔn)值的計(jì)算需要油田實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為支撐,面向稠油油田企業(yè),調(diào)研收集多個(gè)稠油油田區(qū)塊至少連續(xù)3年的生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)。結(jié)合調(diào)研數(shù)據(jù),計(jì)算稠油油田各生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗基準(zhǔn)值。

        以機(jī)采系統(tǒng)為例,對(duì)屬于稠油的各個(gè)油田區(qū)塊的機(jī)采系統(tǒng)噸油能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,剔除部分特殊情況或不合理的能耗值項(xiàng)(數(shù)值嚴(yán)重偏離平均值的能耗值項(xiàng)),并將剩余的能耗值作為計(jì)算機(jī)采系統(tǒng)能耗基準(zhǔn)值的樣本。對(duì)選定的樣本能耗值,以其所屬油田區(qū)塊在各自統(tǒng)計(jì)期內(nèi)的產(chǎn)油量為權(quán)值,計(jì)算樣本能耗值的加權(quán)平均值,則求解得到的加權(quán)值即為機(jī)采系統(tǒng)的能耗基準(zhǔn)值,涉及的計(jì)算公式為:

        按照上述方法依次計(jì)算出集輸系統(tǒng)、產(chǎn)汽系統(tǒng)、注水系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)的能耗基準(zhǔn)值(單位為kgce/t)。選擇機(jī)采系統(tǒng)的能耗基準(zhǔn)值作為計(jì)算基準(zhǔn),其系統(tǒng)能耗系數(shù)定為1.0,其他系統(tǒng)的能耗系數(shù)即為該系統(tǒng)的能耗基準(zhǔn)值與計(jì)算基準(zhǔn)值的比值,計(jì)算公式為:

        對(duì)各生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗系數(shù)加以修正得到系統(tǒng)能量因數(shù)。修正項(xiàng)為各生產(chǎn)系統(tǒng)能耗影響因素的可比修正系數(shù)。稠油各生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗基準(zhǔn)值及其能耗系數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)表2。

        3 可比能耗模型各參數(shù)計(jì)算

        面向多家稠油油田企業(yè),涵蓋21個(gè)典型樣本區(qū)塊,對(duì)油田生產(chǎn)全流程環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)參數(shù)及用能情況進(jìn)行調(diào)研。并基于調(diào)研結(jié)果,完成數(shù)據(jù)的分析與核算工作,對(duì)各項(xiàng)不合理或異常數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行標(biāo)記處理,經(jīng)與相應(yīng)油田企業(yè)進(jìn)行3輪反復(fù)核實(shí)校對(duì),確保數(shù)據(jù)的客觀合理性。

        3.1 各生產(chǎn)系統(tǒng)能耗影響因素確定

        以機(jī)采系統(tǒng)為例,結(jié)合調(diào)研數(shù)據(jù),通過(guò)熵權(quán)法、主成分分析法及組合賦權(quán)的方法計(jì)算稠油機(jī)采系統(tǒng)各能耗影響因子的權(quán)重。根據(jù)綜合權(quán)重的大小確定機(jī)采系統(tǒng)的能耗影響因素。

        根據(jù)稠油機(jī)采系統(tǒng)能耗構(gòu)成特點(diǎn)及生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行狀況初步確定其能耗影響因子包括:泵掛深度、單井日產(chǎn)液量、氣油比、地層壓力、50 ℃下油品黏度和含水率[17,18]。采用熵權(quán)法、主成分分析法及組合賦權(quán)的方法計(jì)算各因子指標(biāo)權(quán)重(總和均為100%),通過(guò)權(quán)重計(jì)算結(jié)果分析,選擇泵掛深度、50 ℃下油品黏度這兩個(gè)因子指標(biāo)為機(jī)采系統(tǒng)的能耗影響因素。各因子指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表3。

        同理對(duì)于集輸系統(tǒng),影響其能耗的因子有單井日產(chǎn)液量、凝點(diǎn)、凈化油外輸壓力、原油脫水溫度、50 ℃下油品黏度和含水率[19]。通過(guò)計(jì)算,各個(gè)因子的組合賦權(quán)法權(quán)重如圖1所示。通過(guò)各因子指標(biāo)的權(quán)重大小分析,選擇50 ℃下油品黏度為集輸系統(tǒng)能耗的影響因素。

        注水系統(tǒng)由于能耗占比太小無(wú)需進(jìn)行影響因素判定。另外水處理系統(tǒng)能耗的影響因素主要取決于水處理工藝的不同,客觀影響因素比較單一,也無(wú)需進(jìn)行因素判定[20,21]。

        對(duì)于產(chǎn)汽系統(tǒng),單井注蒸汽量對(duì)該系統(tǒng)能耗的影響權(quán)重超過(guò)85%,因此產(chǎn)汽系統(tǒng)的能耗影響因素只考慮單井注蒸汽量一項(xiàng)即可。

        3.2 影響因素可比修正系數(shù)與能量因數(shù)計(jì)算

        為了消除不同工藝流程和生產(chǎn)作業(yè)方式對(duì)稠油油田能耗的影響,采用影響因素可比修正系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的能耗系數(shù)進(jìn)行修正。以稠油油田實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),計(jì)算各修正系數(shù)的取值。

        對(duì)于機(jī)采系統(tǒng),其修正系數(shù)包括泵掛深度可比修正系數(shù)K和50 ℃下油品黏度可比修正系數(shù)K。對(duì)于集輸系統(tǒng),其修正系數(shù)為50 ℃下油品黏度可比修正系數(shù)K,對(duì)于產(chǎn)汽系統(tǒng),其修正系數(shù)為單井注蒸汽量可比修正系數(shù)K。

        泵掛深度為1 000 m時(shí),其修正系數(shù)定為1,實(shí)際泵掛深度與泵掛深度1 000 m時(shí)的比值即為泵掛深度修正系數(shù)在此深度下的取值。

        將油品黏度分區(qū)間進(jìn)行劃分,機(jī)采系統(tǒng)油品黏度修正系數(shù)記為K:黏度小于10 Pa·s時(shí),K=1.00;黏度處于10~50 Pa·s時(shí),K=1.20;黏度大于50 Pa·s時(shí),K=1.38。集輸系統(tǒng)油品黏度修正系數(shù)記為K:黏度小于10 Pa·s時(shí),K=1.00;黏度處于10~50 Pa·s時(shí),K=1.49;黏度大于50 Pa·s時(shí),K=2.02。

        根據(jù)能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析,稠油油田產(chǎn)汽系統(tǒng)的噸油能耗分布關(guān)系如圖2所示。該分布近似為線性規(guī)律分布,將單井注蒸汽量分為4個(gè)區(qū)間,修正系數(shù)分區(qū)間計(jì)算求值。單井注蒸汽量可比修正系數(shù)記為K:?jiǎn)尉⒄羝啃∮? 000 t時(shí)K=1.00;處于1 000~2 000 t時(shí),K=1.43;處于2 000~3 000 t時(shí),K=1.80;大于3 000 t時(shí),K=2.09。

        根據(jù)上述方法依次計(jì)算各生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗系數(shù)、能量因數(shù)及油田總體能量因數(shù)。稠油油田

        可比能耗計(jì)算基本參數(shù)見(jiàn)表4。

        4 油田可比能耗計(jì)算實(shí)例

        取兩個(gè)稠油油田區(qū)塊(油田區(qū)塊1、2),利用能耗評(píng)價(jià)模型進(jìn)行分析。兩個(gè)稠油油田區(qū)塊的可比能耗計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

        分析兩個(gè)稠油油田區(qū)塊可比能耗對(duì)比情況,由于兩個(gè)油田區(qū)塊存在著多種因素影響,導(dǎo)致難以直接評(píng)價(jià)兩個(gè)油田區(qū)塊用能水平。因此引入能量因數(shù)的概念,消除客觀因素的影響,能量因數(shù)越大說(shuō)明油田的高耗能設(shè)備越多,結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

        區(qū)塊1的能量因數(shù)為22.06,區(qū)塊2的能量因數(shù)為13.10。這表示區(qū)塊1相比區(qū)塊2具有更復(fù)雜的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)或更多的耗能裝置。為了消除客觀因素的影響,采用可比能耗指標(biāo)使兩個(gè)油田區(qū)塊的能耗達(dá)到可比的程度??杀群髤^(qū)塊1的可比能耗為19.23 kgce/(t·能量因數(shù)),區(qū)塊2的可比能耗為15.81 kgce/(t·能量因數(shù)),這說(shuō)明區(qū)塊1擁有更大的節(jié)能潛力。

        5 結(jié)論

        5.1 本研究根據(jù)油田企業(yè)的實(shí)際需求與指標(biāo)體系設(shè)立原則建立了稠油油田可比能耗指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系分為兩級(jí),第1級(jí)指標(biāo)為油田生產(chǎn)可比能耗,第2級(jí)指標(biāo)為生產(chǎn)系統(tǒng)可比能耗??杀饶芎闹笜?biāo)解決了傳統(tǒng)綜合能耗指標(biāo)無(wú)法反映油田生產(chǎn)實(shí)際能耗與各影響因素之間變化關(guān)系的缺陷。為稠油油田能耗評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

        5.2 本研究借鑒了其他行業(yè)可比能耗相關(guān)計(jì)算方法,引入能量因數(shù)的概念,采用熵權(quán)法、主成分分析法和組合賦權(quán)的方法計(jì)算因子指標(biāo)權(quán)重,繼而確定能耗影響因素。其中機(jī)采系統(tǒng)的能耗影響因素為泵掛深度和油品黏度,集輸系統(tǒng)的能耗影響因素為油品黏度,產(chǎn)汽系統(tǒng)的能耗影響因素為單井注蒸汽量。

        5.3 本研究根據(jù)調(diào)研的稠油油田能耗數(shù)據(jù)計(jì)算各系統(tǒng)能耗系數(shù),經(jīng)可比修正系數(shù)修正后得到系統(tǒng)能量因數(shù),各系統(tǒng)能量因數(shù)之和即為油田整體能量因數(shù)。利用能量因數(shù)建立稠油油田能耗評(píng)價(jià)模型,該模型幫助油田企業(yè)更好地了解整體用能狀況、主要能耗問(wèn)題和節(jié)能潛力。為油田企業(yè)節(jié)能降耗、產(chǎn)業(yè)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。同時(shí)為了使能量因數(shù)能更準(zhǔn)確地反映稠油油田生產(chǎn)的實(shí)際狀況,可以在此研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化和分析,探究生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部各耗能設(shè)備與系統(tǒng)能耗的因果關(guān)系。

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