沈三联水处理系统水力计算

中国石油辽河油田分公司沈阳采油厂

沈三联水处理系统水力计算

于立辉中国石油辽河油田分公司沈阳采油厂

沈阳油田已进入开发中后期，油井采液指数大幅提高，对应的注水量需求也随之增大，注水耗能问题日益突出。沈三联注水系统能量分布主要包括泵机组能耗、站—间管网能耗、增注泵能耗、配水间内管网能耗。从沈三联注水系统能量分布可以看出，能耗最大的两个环节是注水泵机组能耗和配水间内的节流损失。

注水系统；能耗评价；水力计算；节流损失

沈阳油田已进入开发中后期，油井采液指数大幅提高，对应的注水量需求也随之增大，注水耗能问题日益突出。沈三联注水系统有注水井119口，系统压力19MPa，日注水量3 800m3，覆盖11个开发单元。不同开发单元间储层物性差异较大，造成水井注水压力需求差别较大，从5MPa至23MPa不等，注水单耗9.2 kW·h/m3。

1 能耗分布分析原理

研究建立适合于油田注水工艺流程的能耗评价指标，并对沈三联注水系统的能耗状况进行分析，确定能耗分布规律：①开展注水系统能耗评价方法研究，建立注水系统及其用能单元的能量平衡分析模型，确定相应的能耗评价及分析指标；②根据沈三联注水管网的实际运行工况，制定系统能耗测试方案，并开展能耗测试；③开展沈三联注水系统水力分析计算方法及其修正技术研究；④进行沈三联注水系统能耗测试结果分析与评价。

2 能耗评价及分析指标

根据能量守衡与转换定律，对于确定的体系来说：带入体系能量+外界供给能量=体系损耗能量+输出能量。能量平衡模型如图1所示，注水系统的能量平衡模型如图2所示。其能量平衡方程为

图1 体系能量平衡模型

图2 注水系统能量平衡模型

式中Esd为注水站输入电动机能量（kW·h）；Esw为注水站注水泵入口水流带入能量（kW·h）；Ead为配水间输入电动机能量（kW·h）；Ewd为井口输入电动机能量（kW·h）；Ess为注水站损失能量，包括泵机组和站内阀组能损（kW·h）；Egs为管网损失能量（kW·h）；Eas为配水间损失能量，包括泵机组和站内阀组能损（kW·h）；Ews为井口调节设备损失能量，包括泵机组和阀组能损（kW·h）；Eu为经过注水系统的注入水带走能量（kW·h）。

3 水力分析计算方法及修正技术

3.1水力计算基本方程

根据节点流量连续性方程，流入、流出节点的流量代数和为0，即

式中qij为与节点i相连的第j条管线的流量（m3/s），其中流入为负、流出为正；n为与节点i相连的管线条数。

3.2压降计算

注水管网中管道的压降主要取决于水头损失，计算公式如下

式中Δp为管道压降（Pa）；ρ为流体密度（kg/m3）；g为重力加速度（m/s2）；hf为沿程水头损失（m）；hj为局部水头损失（m）。

其中，沿程水头损失是水流通过直管段所产生的摩阻损失，按照下式计算

式中λ为水力摩阻系数；D为管径（m）；L为管长（m）；v为水的流速（m/s）。

水力摩阻系数的计算见表1。

表1 不同流动状态下摩阻系数λ的值

局部摩阻损失按照下式计算

式中ζ为局部阻力系数，对于阀门来说ζ是一个可变的量，与阀门的开度和连接管的直径有关。

3.3水力计算方法修正

经对注水管网整体进行水力计算表明，理论计算结果与实际数据存在一定偏差。本文采用下式对管网水力摩阻系数进行修正

建立无约束优化模型对α1,α2,α3,...,αnl进行求解，得到修正系数α1,α2,α3,...,αnl，然后带入到水力计算关系式中，可以有效提高水力计算精度。

利用此修正系数对注水管网管线进行修复前后的管线能损计算。对能损较大的注水管线流速进行分析，即沈三联到去往11#站的交汇点6段管线内水流速偏大。另外4条能损较大的管线介质流速与经济流速进行比较，流速仍然为合理。

4 注水系统能耗分析与评价

沈三联注水系统能量分布主要包括泵机组能耗、站—间管网能耗、增注泵能耗、配水间内管网能耗，能量分布结果如表2所示。

表2 沈三联注水系统能量平衡汇总

从表2可以看出，能耗最大的两个环节是注水泵机组能耗和配水间内的节流损失。注水泵机组能耗高的主要原因是由于实际注水量小于注水泵的额定排量，造成注水泵工作在低效率区域，注水泵机组能耗就大，注水泵本身的额定效率也偏低。配水间内的节流损失大的主要原因是由于进入配水间的压力太高，注水井所需要的压力较小，这个较大的压差造成了配水间节流损失大。

（栏目主持 张秀丽）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.1.024