杏北油田污水系统仿真优化技术研究及应用

大庆油田有限责任公司第四采油厂

1 技术研究背景

杏北油田呈现出水驱、聚驱、三元复合驱等多种开发方式共存的局面，建成各类含油污水处理站33座，形成相关系统节点84处，如表1所示，并配套完善各类污水管道140条，总长293.6 km，形成交错分布、互有联通的污水管网，可以满足产能钻停、方案调整或维修改造期间的调水需求，如图1所示。

图1 杏北油田水驱、三采污水管网Fig.1 Sewage pipe network of water flooding and tertiary oil recovery in Xingbei Oilfield

表1 杏北油田污水系统相关节点汇总Tab.1 Summary of relevant nodes of sewage system in Xingbei Oilfield

随着三次采油及加密井网开发的推进，深度注水量逐年升高，水驱区块产水有限，不能满足深度用水需求，深度水源存在4.00×104～6.64×104m3/d的亏空；三采区块的增加，导致三采产水量升高，而普通井网的注水能力有限，三采污水存在3.95×104～4.89×104m3/d的剩余，如图2、图3所示。因此，整体呈现出“三采产水过剩，深度水源不足”的矛盾，同时全厂注采平衡主要靠人为调整，系统实际运行效果受调度者主观经验影响，难以保证调配方案的质量[1-5]。

图2 深度水源不足Fig.2 Lack of deep water source

图3 三采产水过剩Fig.3 Excess water roduction in ASP flooding

然而污水系统运行不是一成不变的，受各种因素影响需动态调整，靠人为调整很难保证及时性，容易造成污水处理站负荷率不均衡，污水处理效果不达标等情况。主要工况：

（1）季节性水量变化，优化注水泵启停。

（2）老化站库停产改造，需要施工衔接。

（3）三采产水含聚动态变化，平衡系统水量。

（4）产能新增产、注水量需求，建设站库、管道。

2 污水仿真技术研究

污水系统仿真优化技术以杏北油田实际的污水管网、机泵设备、生产数据为建模基础，以满足生产需求为量化的约束条件，使得污水系统整体调运过程中能耗最低。

2.1 污水管道水力计算模型修正

生产数据提取中只提供最高级别节点（脱水站级别）原水含聚浓度，但各下游节点、管道内含聚浓度与黏度均不可测，因此，需对管内污水黏度关系式进行修正。通过建立黏度随温度、含聚量变化的数学模型[6-7]，利用相关系数法对Kendal-Monroe模型、Arrhenius 黏度模型、Bingham 黏度模型、Cragoe 黏度模型四种常见的模型进行比较，如表2所示。

根据计算发现，对于油田污水，Kendal-Monroe 模型精度较高，因此选用该种模型建立公式，得到黏度随温度、含聚量变化关系模型：

式中：μn,t为t温度下含聚量为n的污水动力黏度，mPa·s；n为污水中聚合物质量分数，%；μj、μw分别为参考温度下聚合物、清水的黏度，mPa·s；u为黏温指数，℃-1；t和t0分别为测点温度和参考温度。

表2 不同模型计算结果Tab.2 Calculation results of various models

污水管道的压降公式为

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。

设管道实际的水力摩阻损失为hw，修正后水力摩阻系数为δ，管道长度为l，管内流速为v，管径为d，则

现使用最小二乘法对4种不同类型的管道进行水力修正，由此便可得到四种不同管道的修正关系式[8]。计算步骤如下:

（1）通过计算与实际测量结果得出n组λ与δ。

（2）根据管道类型的不同对λ与δ进行分类。

（3）在matlab中分别录入各组数据，采用多项式公式拟合，选取多项式的最高次项不超过3 次，此时得到的即为修正后的λ与ε的关系式，记为f()λ=δ。

（4）对修正结果进行误差分析，以相对误差 5%为标准，验证修正结果是否符合标准。

通过对大庆油田采油四厂污水系统管网进行的水力计算及修正计算，以现场实测数据和相应的水力计算理论结果为基础数据，拟合出不同类型管道的修正系数，得到的经验公式精度较高，也比较符合实际情况，如表3所示。

表3 误差统计Tab.3 Error statistics

2.2 建立污水管网仿真模型

杏北污水系统总体上由原水管道、普通滤后水管道、深度滤后水管道三类管网组成。根据水质不同，原水管道可分为一般含油原水管道、含聚原水管道2种。普通滤后水管道可分为一般含油普通滤后水管道、含聚滤后水管网管道2种。其总体供水流程如图4所示。

2.3 确定污水系统优化计算条件

基于已有的理论原理及模型，设定污水系统函数计算原则[9-10]：保证上游脱水、放水站产水全部回注，以及在满足下游注水站注水需求的基础上，最大限度地满足“水量平衡、分质处理、均衡负荷”，实现污水系统总运行能耗最低。

（1）含聚浓度类约束。水驱普通污水站处理液含聚质量浓度 150 mg/L；深度污水站处理液含聚质量浓度 150 mg/L；三元污水站外输水质含聚质量浓度 150 mg/L时进入深度站。

（2）站库负荷类约束。水驱普通污水站石英砂滤料站库负荷率 90%；当水驱污水站含聚质量浓度 150 mg/L 时，负荷率 80%；含聚质量浓度为150～250 mg/L 时负荷率 69%；三元站、深度站、聚驱站运行负荷率 80%。

（3）其他约束。产水总量加上清水补充量不超过注水站需求量，保证污水不外排；管道输水量应满足不同季节、不同介质、不同材质水力条件。以运行管道长度与管道内流量乘积作为评定系统能耗的标准，建立污水系统优化调度的目标函数。

基于以上计算原则、目标函数、各类约束条件，调运过程中能耗最低作为求解目标。

2.4 仿真优化软件开发

根据水力计算模型、管网仿真模型及计算约束条件，开发杏北油田污水系统仿真优化软件[11]，实现污水管网仿真运行、生产优化调度、辅助规划设计等功能，对油田生产起指导作用，总体结构框架见图5。

2.4.1 实现图形建模

按照已有图形的实际地理坐标以及管线的连接情况，建立既符合实际管网现状又适合程序计算的管网结构模型，可显示实际的节点、管道信息。用户可添加、删除、修改已有图形，实现动态调节，适应污水管网的动态变化，满足现场实际生产需要。此功能模块包括图形显示、节点名称、绘图工具、管网结构数据、管网结构数据完整性检测等功能。

图4 杏北油田污水系统流程Fig.4 Flow of sewage system in Xingbei Oilfield

图5 总体结构框架Fig.5 Overall structure framework

2.4.2 实现仿真计算

在建立管网模型、仿真算法的基础下，利用污水站实际的生产数据，调整不同的计算模型，得出污水管网中各管段的压力损失、各节点的压力及流量，并能直观查看现有数据的质量以及各污水站库的负荷率和含聚浓度，实现系统的模拟运行。

主要包括如下功能：①污水系统生产数据的提取和转化；②污水系统仿真模型的建立；③污水系统仿真模型的解算；④模拟仿真运行研究；⑤图形动态显示。仿真计算见图6。

2.4.3 检查调度决策

基于已建的仿真模型和实际生产数据，对现有的仿真计算结果进行检测，显示不满足脱水站全外排、污水站负荷率不超的站库。

2.4.4 实现调度优化

该功能是整个污水仿真优化的核心部分，基于脱水站外排、污水站外排、注水站需量、管道能力、污水站负荷、水驱含聚浓度、深度站含聚浓度这7种约束条件，在现有的管网情况下，应用优化理论和方法进行调度优化，优化后各水质污水站负荷率更加均衡，如图7所示。

2.4.5 模拟改造方案

可对污水管网改造方案进行仿真模拟，可查看变化节点后管道的流量、压降、黏度、压力等信息，导出调整改造方案，对污水管网的规划决策起指导作用，如图8所示。

图6 仿真计算Fig.6 Simulation calculation

图7 优化前后方案各项指标对比Fig.7 Comparison of various indexes before and after optimization schemes

图8 调整改造界面Fig.8 Adjustment and transformation of interface

3 技术应用

杏北油田污水仿真优化技术于2018 年11 月开发完成，2019 年开始在生产管理、调整改造中得以应用。

3.1 杏十注水站起泵调整

由于杏十注水站所辖区域注水管压为15.8 MPa，辅助制定普通网注水停泵调水预案，实现普通网顺利停运杏十联DN250注水泵1台，使区域管网压力降低到15.3 MPa，缓解了区域内系统供注矛盾。系统泵水单耗由5.92 kWh/m3下降到5.80 kWh/m3，日节约电量6 642 kWh，日节约运行成本0.4万元，预计年可节约运行成本132万元。

3.2 杏一区～三区深度污水系统优化调整

针对杏一～三区西部区域深度污水供需情况，通过系统模拟，提出了区域停运杏十九深度污水站的辅助决策建议，生产中采纳并实施，停运深度污水站1 座，减少岗位用工14 人，年降低运行成本277万元，降低改造投资1 570万元。

4 结论

通过该项目的研究，实现了油田污水系统调度决策的智能化，避免调度决策结果受人为影响程度较大。可满足注水泵实时调整的需求，提前制定启停方案；可满足站库停产改造需求，制定污水调运预案，便于施工顺利开展；针对三采区块含聚动态变化情况，及时进行合理调配；在产能建设中，可预先模拟运行，论证新建站库、管道、设备设施的必要性。污水系统仿真优化技术研究成果，可在油田多元开发中广泛应用。