注水泵优化仿真技术研究

顾维静（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

注水泵优化仿真技术研究

顾维静（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

油田现有注水系统中，注水量与注水泵不易匹配，水量、电量和泵水单耗波动较大，增加了控制能耗的难度，同时注水泵泵效低于规范要求的节能评价值，影响注水泵排量匹配。通过建立管网仿真模型，水力仿真算法能够进行环状、枝状或者环-枝状混合管网的精确水力计算，压力仿真误差在-5%～6%，水量数据的误差在-2%～7%，有效地解决了大型管网水力计算收敛性较差的问题，为注水系统的管网改造和优化开泵计算提供了非常重要的数据。

注水泵；优化；仿真

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.003

1 概述

注水泵运行时存在注水泵启泵台数变化大，注水量与注水泵不易匹配；注水站注多类别水质，注水泵配置为运或运二备一，注水泵不易与注水量匹配；产能区块钻井及新井投产阶段，注水量变化较大，影响注水泵启泵台数；注水泵泵效低于规范要求的节能评价值，影响注水泵排量匹配[1]。以上现状加重注水系统运行能耗。

针对普通水系统环状管网现状，摸索注水站、配水间、注水井和注入井的匹配规律，通过开发普通水、深度水注水系统模拟仿真软件，建立注水系统管网水力仿真模型，通过注水系统动态数据及管网结构，确定注水站、配水间及注水井等参数的匹配关系。

2 水力仿真模拟研究

水力仿真模拟研究思路为建立管网水力仿真模型。根据流体力学理论，在复杂管网系统中，考虑到管道串联、并联不同的水力特性，根据管路的能量和质量平衡方程，沿管网内水体流动的方向，建立注水管网的水力计算模型。

2.1 管元模型

基于管段能量守恒定律，建立单条管段的仿真模型。如图1所示为一任意管元i（即单元），内径为d，与此单元相联系的节点为k与j。

图1 管元简图

管元i的能量方程，规定水由k流向j，则Hk＞Hj。ΔHi的计算公式为

式中：ΔHi——管元i的压力损失，MPa；

Hk——节点k的压力，MPa；

Hj——节点j的压力，MPa；

Ki——流量系数；

Li——管元长度，m；

Qi——管元流量，m3/s；

α——系数；

d——管线内径，m；

n——管元粗糙系数，一般n取0.013。

2.2 附属单元的数学模型

附属单元主要包括阀门、弯头和三通，把局部阻力损失换算为当量管长()L当的沿程阻力损失，则附属单元的局部阻力损失计算公式为

式中：L当——局部阻力换算的当量长度，m；

ΔP——管段压降，MPa；

Q——管段流量，m3/h；

K——常数。

2.3 管网数学模型

1）枝状管网。对于枝状管网中一个连通的管线，串联的管网，可写出其能量方程

式中：ΔP1-5——管段压降，MPa；

Qi——第i个管段的流量，m3/h。

式（3）正负号可按管线的流动方向为正方向来确定。对各节点可写出连续方程为

此处m为与节点相连的管元数，设从节点流出的流量为正。

2）环状管网。作为单个闭合环路，因环路的始末端重合，能量方程为

式中：ΔPi——第i条管段的压降，MPa。

2.4 注水泵模型

注水泵在整个注水系统中起着“源”的作用。国内注水泵基本上都是离心泵，其数学模型可用其特性曲线来表示。描述注水泵运行状况的主要参数有流量、扬程、实际消耗功率、效率。离心泵的特性曲线描述了这些参数之间的关系，流量与扬程之间的关系、流量与效率之间的关系（图2、图3）。

图2 扬程与流量性能曲线

2.5 注水站的数学模型

注水站在注水系统中起到“源”的作用，其特性可用单台或多台注水泵联合工作特性表示，即将注水站看作1台“虚拟泵”，应用最小二乘法可以拟合出该“虚拟泵”的运行特性曲线。

图3 效率与流量性能曲线

2.6 环-枝状管网水力计算模型研究

基于前人研究的环状、枝状水力仿真算法，并且结合节点模型算法的优点，开发环-枝状水力仿真模型算法[2]。同时为方便处理原始数据，通过图论法的相关理论可以将复杂的管网结构图转换成相应的数学模型，准确的描述管网的各个节点的连接情况。将管网连接结构与流量平衡形成初始化矩阵，同时需考虑液体通过阀门的阻力损失。在完成矩阵的初始化后，求出节点交换流量向量和节点压力向量，求出各管段流量。经过多次迭代，当目标残差值小于限制值时，输出计算结果。

3 水利仿真计算及能耗分析

3.1 水利仿真计算

通过录入模型边界条件，实现水力仿真计算。注水管网的属性数据包括：管段的起点、终点坐标和编号、管长、管径、管材以及粗糙度等管段参数；节点编号、坐标以及压力、载荷数据等节点参数。

通过深度水管网计算结果可知，配水间计算压力与实际压力数据的误差在-5%～6%，注水泵计算水量与实际水量数据的误差在-2%～7%，满足±15%的误差要求。

针对油田环-枝状注水管网，开发出通用型的水力仿真算法，建立了一整套与注水系统相匹配的仿真模型[3]。通过建立能耗分析指标体系，分析水力仿真计算结果，从局部到整体评价管网运行状态，为管网的优化运行提供依据。

3.2 计算结果能耗分析

油田注水系统耗电量很大，约占油田生产用电量的40%以上。按照注水工艺流程，注水系统的能量消耗大致可以分为四部分：电动机能损、注水泵能损、注水管线能损以及阀组节流能损，剩余的有效能量将被注入地层。

在系统能流中，第一部分能损是电动机能损，这部分能量可以用电动机的效率曲线来描述。油田使用电动机的效率随电动机输入功率而变化，最高效率约在96%左右，在注水系统输入的能量中，有4%的能量由电动机本身损耗了。第二部分能损是注水泵能损，这部分能量可用水泵效率曲线来描述。它随水泵输出流量而变化，目前注水泵平均运行效率约为77%，即系统输入能量中，有20%的能量被注水泵所消耗。第三部分和第四部分能损为管线摩阻损失和阀组节流损失，这部分损失与管网的设计和管理有关。有效能量是将水注入地层所需的能量，这部分能量由油层所要保持的压力、储层的性质、油层的动态等因素所决定。

4 结论

1）建立了适用于环-枝状混合型注水管网的水力仿真模型。相比于传统的水力仿真算法，该算法适用范围更广，同时通过现场数据验证，该模型具有较高的计算精度，能够有效地对油田一般水高低压、深度水管网进行水力仿真模拟。

2）水力仿真模块、注水泵启停优化模块以及能耗分析模块开发，改善了油田运行生产中产生的系统能耗较大、管网运行工况人工分析滞后、人工编制注水泵启停方案工作量大等问题，并为现场人员进行管网运行工况判断，开展节能降耗工作提供了一定帮助。

[1]张意.注水管网水力仿真软件的开发[J].长江大学学报（自科版），2016（12）：27-32.

[2]韩军伟，罗玲，黄坤，等.油田注水系统节能技术探讨[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2011（6）：75-77.

[3]李言章，关泉生.车2井区恒压注水技术研究与应用[J].新疆石油科技，2001（2）：19-21.

2017-06-20

（编辑 巩亚清）

顾维静，2010年毕业于黑龙江科技学院（土木工程专业），从事油田地面设计工作，E-mail：413143929@qq.com，地址：黑龙江省大庆油田第三采油厂规划设计研究所，163000。