双管掺水集油工艺能耗测试及灰色关联分析

何晓，王端亮，李涛，杨金庆，赵利庆

(1. 中国石油大港油田公司 第三采油厂，河北 沧州 061023；2. 中国石油管道局工程有限公司 维抢修分公司，河北 廊坊 065001；3. 中国石油华北油田公司 第三采油厂，河北 河间 062450；4. 中国石油华北油田公司 工程技术研究院，河北 任丘 062552；5. 中国石油华北油田公司 第一采油厂，河北 任丘 062552)

目前，大部分陆上油田开发已进入中后期，很多区块整体处于高含水期，集输系统面临着高能耗、高腐蚀的风险[1-2]。双管掺水工艺成为油田集输的主要方式，但能耗仍然偏高。为了解决影响掺水集油能耗的主要因素，通过现场测试某油田双管掺水集油工艺流程，利用能量平衡分析法建立了双管掺水集油能量平衡模型，整理和统计了不同集油工艺的生产数据，并计算出相应集油工艺的单位能耗；随后运用灰色关联分析总能耗与各生产参数之间的关系，并对影响能耗的因素进行了排序，结果可为今后节能降耗、调整改造提供理论依据。

1 模型建立

能量平衡分析法是建立在热力学第一定律基础上的热力学分析方法。由于热量利用是能量利用的主要形式，而绝大多数能耗设备都是使用燃料，或是利用电能等其他能源，因此能量平衡分析法在多数情况下是指热平衡分析法[3]。能量平衡分析法的评价准则为系统用能效率，分析准则为能损系数，通过计算得出系统或设备的用能效率和能损系数，用能效率用于评价系统或设备用能的优劣；能损系数用于辨识系统或设备的用能不合理环节，旨在定量评价、分析用能状况。因此，根据能量平衡的方法建立了双管掺水集油管线能耗计算模型，在集油能耗计算中，将油井的双管掺水集油系统视为一个能量平衡系统，其主要能量包括热能和动能两部分[4-5]，且进入系统的能量等于流出系统的能量。双管掺水集油系统能量平衡模型如图1所示。

图1 双管掺水集油系统能量平衡模型示意

根据图1中的能量平衡关系，可建立如下计算模型，如式(1)和式(2)所示：

Φi=qmicmiTi

(1)

Pi=piqVi

(2)

式中：Φi——流体的热流量，kW；cmi——输送介质质量定压热容，kJ/(kg·K)；qmi——输送介质的质量流量，kg/s；Ti——输送介质的温度，K；Pi——外界对流体所做的有功功率，kW；qVi——输送介质体积流量，m3/s；pi——流体压力，kPa；i——下标，取1，2，3，其中1代表掺水来液，2代表油井产液，3代表进站的混合回液。

因此，双管掺水集油能耗可做如下计算，如式(3)～式(5)所示：

Q=Qr+Qd

(3)

Qr=t(Φ1+Φ2-Φ3)

(4)

Qd=t(P1+P2-P3)

(5)

式中：Q——双管掺水集油总能耗，kJ；Qr——双管掺水集油热力能耗，kJ；Qd——双管掺水集油动力能耗，kJ；t——测试时间，s。

为了更好地衡量集油能耗的大小，通常对能耗进行标准煤换算。采用热电偶测温仪对6口油井的井口温度进行了测试，测量结果表明这几口油井的井口出油温度约为26 ℃，根据式(1)～式(5)得到计算结果见表1所列。

表1 6口油井能耗计算

由表1可知，热力能耗约占总能耗的90%，双管掺水集油能耗的影响因素有很多，包括掺水量、掺水温度、管径、管长、产液量及含水率等[6]，这些因素的共同作用决定了双管掺水集油能耗的大小。对于不同生产参数的油井，掺水量越大，掺水温度越高，油井的集油能耗越高；回液温度越高，集油能耗越大。当其他因素相当时，油井的产液量越大、含水率越高，所产生的集油能耗也越大。这些不同的影响因素之间并非线形关系，采用常规模型计算不仅费时、费力，而且也受现场实际工况的限制。因此，有必要以总能耗为目标，对影响因素进行灰色关联分析[7-8]。

2 灰色关联分析

2.1 确定数据序列及无量纲化

通过上述的模型建立与计算，以表1中的总能耗为参考序列X0，体积流量、含水率、掺水温度、掺水量、管径、管长为子因素，分别设为比较序列X1～X6。由于模型中各因素的物理意义不同，导致数据的量纲也不一定相同，不便于比较，或在比较时难以得到正确的结论。因此在进行灰色关联分析时，一般都要进行无量纲化的数据处理，常用的方法有均值法、初值法、插值法，在此采用均值法进行归一化处理[9]，如式(6)所示：

(6)

式中：Xm，Ym——参考序列和比较序列无量纲化后的数值；m——比较序列的个数；k——序列长度。

通过式(6)计算出的参考序列和比较序列量纲一的矩阵为

2.2 计算关联系数

关联系数用于反映比较序列与参考序列的相对差值[10]，关联系数的数值为0～1，关联系数可用式(7)计算：

(7)

式中： Δmin——比较序列与参考序列绝对差值的最小值；Δmax——比较序列与参考序列绝对差值的最大值；Δi——各比较序列的每一点与对应参考序列每一点之间的绝对差值；ε——分辨系数，若ε越小，则关联系数间的差异就越大，区分能力越强，一般工程上取0.5。

当ε=0.5时，各比较序列与参考序列之间的关联系数矩阵结果如下：

2.3 计算关联度并对影响因素进行排序

关联系数一定程度上反映了比较序列与参考序列的关联程度，但是数据较分散，不利于整体比对。因此，对关联系数矩阵的每一列求算术平均值后再简化，即可计算出比较序列与参考序列之间的关联度，关联度的计算如式(8)所示：

(8)

式中：L——灰度级数，本文中L=6。

一般工程上认为，计算后关联度大于0.6的均为主要关联项，因此对双管掺水集油工艺总能耗影响因素进行排序为： 液量>掺水量>管长>含水率>掺水温度>管径，结果见表2所列。

表2 双管掺水集油工艺总能耗影响因素关联度计算及排序

3 结束语

本文建立了双管掺水集油能耗测试模型并进行了计算，分析了能耗与各生产参数之间的关系，研究了高能耗产生的主要原因。利用测试数据对影响因素进行了灰色关联分析，得到了影响双管掺水集油工艺总能耗的因素从大到小的排序，计算结果可为降低集油能耗提供理论依据。