注水井能效状况评价方法与分析

雷钧，周杰，濮新宏，于博，赵英，范俊杰，贺三，邓志强

1.中国石油长庆油田分公司技术监测中心 （陕西 西安 710021）

2.西南石油大学石油与天然气工程学院 （四川 成都 610500）

油田注水是采油生产过程中最重要的工作之一，能够有效地补充地层的能量，对提高原油采收率，确保油田高产、稳产起到了积极作用[1]。据统计，注水耗电量约占油田生产用电的33%～56%。随着油田进入高含水期开发阶段，注水量大幅度增加，注水能耗急剧上升，注水系统运行状况的日趋复杂，新投注水井及设备的维护、管网改造等现象普遍存在，仅依靠工作人员的经验来控制注水系统的运行已难以满足优化系统、降低经济成本的要求。为此，大量学者开展油田注水系统优化节能降耗方面的研究，以解决油田注水系统的高效优化和降耗问题，提高油田企业经济效益[2-9]。

注水系统的节能监测规范GB/T 31453—2017《油田生产系统节能监测规范》规定了各项评价指标的限定值，由于油田现场的需求，不少学者也开展了注水系统评价指标的研究。周勇等根据新疆油田注水系统特点，从系统、单元、设备3个层级，构建了包含3大类8项指标的评价指标体系，对新疆油田6套注水系统进行了评价[10]；阮岩等按注水站出口压力和泵额定排量分级，建立了管网损失率作为注水系统能耗评价指标，通过该评价指标反映注水系统管网能耗[11]，此外，他们还建立了以站效作为泵站能耗监测评价指标[12]。由于现有评价方法没有指标反映注水能耗高的注水井，根据能量守恒定律，得出单井输入功率与单井单位注水量电耗的关系，对注水井之间进行节能程度比较，找出能耗异常的注水井。

1 注水系统节能评价方法

单位注水量电耗是注水系统每注入1 m3水的耗电量，表明注水系统对输入电能的利用情况。目前关于单位注水量电耗的限定值与节能评价值还没有规定，因此需要找出单位注水量电耗与注水系统的有效输入流量和压力之间的关系，从理论上找出异常注水井。

1.1 理论分析

对于任意的注水系统，每一口注水单井，都可以划分为单台注水泵连接单口注水井的模型，只是每口井连接泵的输入功率与井口输入功率不同，如图1所示。

图1 单泵单井模型

在GB/T 33653—2017《油田生产系统能耗测试和计算方法》中[13]，规定了站内管线损失能量为回流损失能量为入功率为；泵入口水携带的能量为

其中q为注水站个数，m为注水系统的注水井总数量。

在单泵单井模型中，q和r都为1。根据能量守恒定律，单井单位注水量电耗与单井输入功率之间的关系如式(1)：

式中：y为注水井单位注水量电耗，kW·h/m3；NMini为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵电动机输入功率，kW；Nmpi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵机组的功率损失，kW；PPouti为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵出口压力，MPa；PSouti为注水系统中第i个单泵单井模型的注水站出站压力，MPa；Gpi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵流量，m3/h；Grsi为注水系统中第i个单泵单井模型的回流量，m3/h；NPVi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水管网损失功率，kW；Pwi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水压力，MPa；Gwi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水流量，m3/h；PPinz为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵入口折算压力，MPa。

注水系统的耗电量可直接获得，但大多数单井井口前没有安装测量单井单位注水量电耗的仪表，无法直接获取单井单位注水量电耗。当注水管线比较短，地形起伏差异比较小时，单井单位注水量电耗与单井的流量呈线性关系。因此，单井的单位注水量电耗采用流量配比的方式，将系统的单位注水量电耗分配到每一口井上，注水井单位注水量电耗由式（2）、（3）计算：

式中：MJW为注水系统单位注水量电耗，kW·h/m3；m为注水系统的注水井总数量；λi为注水系统中第i口注水井的注水量与注水井总流量的比例。根据GB/T 33653—2017《油田生产系统能耗测试和计算方法》，注水单井的输入功率由单井注水压力与单井注水流量计算，如式（4）所示。

式中：x为单井输入功率，kW；Pwi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水压力，MPa；Gwi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水流量，m3/h。

在注水系统单泵单井模型当中，单井输入压力Pwi为变量，其余与单井输入压力Pwi无关的常量可以看成常数，则单井输入功率与单井单位注水量电耗的关系如式（5）所示。

式中：k为单井输入流量的倒数，h/m3；c为与单井输入压力无关的常数。单井输入功率与单井单位注水量电耗线性关系如图2所示。图2中，斜率的物理意义为单井井口流量的倒数；截距的物理意义为单位注水量功率消耗，即单位注水量泵机组损失功率+单位注水量站内管线损失+单位注水量回流损失+单位注水量注水管网损失-泵入口水带来的功率。

图2 单井输入功率与单井单位注水量电耗线性关系

1.2 评价方法

对输入能量相同的注水井，直接比较注水井的实际单位注水量电耗值，单位注水量电耗值越小越节能。

图3 单耗节能率计算示意图

对输入能量不同的注水井，引入单耗节能率进行判断。单耗节能率由式（6）计算，单耗节能率越大，则更节能。单耗节能率计算示意图如图3所示。

式中:α为单耗节能率，%；y0为注水系统中第i口注水井理论上所需要的单位注水量电耗，kW·h/m3；yi为注水系统中第i口注水井实际的单位注水量电耗，kW·h/m3。

2 节能评价方法的应用

2.1 测试对象与测试方法

A注水系统测试时：1台注水泵机组运行，下辖注水阀组21座，注水井47口，停注12口，测试时实际注水35口，配注量718 m3/d。

B注水系统测试时：3台注水泵机组运行，注水泵机组中，1#、2#注水泵机组配置变频装置。注水泵电机装机容量660 kW，注水泵理论注水能力77 m3/h，下游注水阀组33座，注水井67口，停注2口，测试时实际注水65口，配注量1 077 m3/d。

注水系统的测试和计算严格按照GB/T 33653—2017《油田生产系统能耗测试和计算方法》进行，测试期间各测试点压力波动不大，各测试流量基本稳定，符合监测条件要求。

2.2 数据计算

A注水系统的单井压力在5.1～20.2 MPa，单井流量在0.24～1.26 m3/h。计算井口输入能量与单井单位注水量电耗并作图，其散点图如图4所示。

图4 A注水系统单井单位注水量电耗

采用线性拟合的方式获得两者的线性表达式，如式（7）所示：

B注水系统单井压力在10.6～19.2 MPa，单井流量在0.29～1.58 m3/h。计算出井口输入功率与单井单位注水量电耗并作图，如图5所示。

采用线性拟合的方式获得两者的线性表达式，如式（8）：

图5 B注水系统单井单位注水量电耗

从图4、图5可以看出：两个注水系统的注水井输入功率与单井单位注水量电耗呈现明显的线性关系，且线性拟合度均在95%以上，理论分析结果与现场数据结果吻合。

3 结果分析

3.1 A注水系统

A注水系统中有1口井的井口流量为零，19口注水井的实际单位注水量电耗值小于其拟合的单位注水量电耗值，15口井的实际单位注水量电耗值大于其拟合的单位注水量电耗值。

对于A注水系统，除停注和井口输入功率为零以外的注水井，按照公式（6）计算每一口井的单耗节能率α，结果见表1。其中，H 46-51井的单耗节能率α最大，即为最节能的注水井；H 47-61井的单耗节能率α最小，说明该注水井是最不节能的注水井。

表1 A注水系统注水井节能程度排名

通过A注水系统的现场数据可知，H47-61井的配注量为0.58 m3/h，井口压力5.1 MPa，H47-61的单井输入功率为0.82 kW，理论上所需的单井单位注水量电耗为2.2 kW·h/m3，而实际上的单井单位注水量电耗大于2.2 kW·h/m3，因此H 47-61井为不节能的注水井。A注水系统的注水井配水间的平均管压为17.7 MPa，H 47-61井的配水间管压为5.3 MPa，由于H 47-61井配水间管压过小，导致井口输入功率过低，可在该井口加装小型撬装增压泵提高注水压力，从而提高注水系统效率。

3.2 B注水系统

B注水系统中有2口井的井口流量为零，23口注水井的实际单位注水量电耗值小于其拟合的单位注水量电耗值，40口井的实际单位注水量电耗值大于其拟合的单位注水量电耗值。

对于B注水系统，除停注和井口能量为零以外的注水井，按照公式（6）计算每一口井的单耗节能率α，结果见表2。其中Z 43-7井的单耗节能率α最大，即为最节能的注水井；Z 44-4井的单耗节能率α最小，说明该注水井是最不节能的井口。

表2 B注水系统注水井节能程度排名

经现场数据分析，Z 44-4井的配注量为0.42 m3/h，井口压力10.6 MPa，不能满足生产注入要求，井口输入功率过低导致不节能。

通过B注水系统的现场数据可知，Z 44-4井的配注量为0.42 m3/h，井口压力10.6 MPa，Z 44-4的单井输入功率为1.17 kW，理论上需要的单井单位注水量电耗为2.57 kW·h/m3，而实际上的单井单位注水量电耗大于2.57 kW·h/m3，因此Z 44-4井为不节能的注水井。在B注水系统当中，Z 44-4井的井口压力最低，井口输入功率过低导致不节能，可在该井口加装小型撬装增压泵提高注水压力，从而提高注水系统效率。

4 结论

1）利用单井输入功率与单井单位注水量电耗的线性关系可对注水井之间进行节能评价。

2）在A注水系统中，H 46-51井的单耗节能率α最大，即为最节能的注水井；H 47-61井的单耗节能率α最小，即为最不节能的井口。

3）在B注水系统中，Z 43-7井的单耗节能率α最大，即为最节能的注水井；Z 44-4井的单耗节能率α最小，即为最不节能的井口。

4）利用单井输入功率与单井单位注水量电耗线性关系可以找出注水能耗高的注水井，分析其原因并采取相应措施提高注水效率，从而提高整个注水系统的效率。