油田注水系统能耗分析与优化

刘忠宇（大庆油田有限责任公司第七采油厂）

油田开采过程中为达到保持地层能量、实现油田稳产增产、提高采收率的目的，常采用注水保持压力的方式进行开发。注水开采主要由若干注水站、配水间、注水井等节点单元，以及管线单元组成注水系统。

1 现状

随着油田的发展、改造，油田管网中干线与支线的连接关系复杂、注水量需求波动大、注水泵启停方式与开发需求不匹配，造成注水系统能耗过高[1-3]。目前，油田注水系统耗电量已占油田总耗电量的40%以上，且随着注入量的增加而增大[4]。因此，开展油田注水系统能耗分析与评价的研究，对于找出系统运行薄弱环节，制定节能降耗改造方案具有十分重要的意义。针对某油田注水系统，对其进行了能耗分析，建立运行方案优化数学模型并求解，确定注水泵最优启停工况，并制定合理的改造方案。

2 注水系统能耗分析与评价

2.1 注水系统能量平衡模型

根据能量守衡定律，建立注水系统能量平衡模型：带入体系能量+外界供给能量=损耗能量+输出能量[5-6]。能量平衡模型见图1。其能量平衡方程为

图1 能量平衡模型

式中：E电动机为电动机输入功率，kWh；E带入为泵带入能量，kWh；E井输为井口输入电动机能量，kWh；ΔE电损为注水电动机损失的能量，kWh；ΔE泵损为注水泵损失能量，kWh；ΔE阀损为阀组损失能量，kWh；ΔE管损为管网损失能量，kWh；ΔE配损为配水间损失能量，kWh；ΔE井损为井口调节设备损失能量，kWh；E有效为注入注水井的有效能量，kWh。

2.2 注水系统能耗分析

该注水系统2座注水站共运行3台注水泵，59座配水间，484口注水井，P3联同时运行2台。注水泵参数及能耗指标计算结果见表1。注水泵总排量11 713 m3/d，总耗电量为83 172 kWh。3台注水泵中，平均负荷率为90.16%，低于平均负荷率的有2台，P3联1#泵和P4联1#泵，可以考虑关泵或换泵。平均机组效率65.84%，最高79.14%，最低56.21%。平均泵管压差1.1 MPa，最高2.7 MPa，最低0.2 MPa。泵管压差大的注水泵属于P3联注水站。平均单位压力注水单耗为0.43kWh/m3。平均利用率为59.69%，P4联注水站的能量利用率低于平均值4.72%。P3联注水站能益利用率高出平均值4.72%。综合考虑各种指标，P4联注水站效率较低。

表1 注水泵参数及能耗计算结果

注水系统能量及能损分布见图2，平均站内管线损失率为3.66%。平均机组损失率为36.66%，占总损失的91%。在总能量损失中，注水站能量损失占67%，管网能量损失占9%，注水井控制阀能量损失占24%，能量损失主要环节在泵机组和注水阀组。为提高注水泵负荷率，降低泵机组能量损失，可以考虑通过优化开泵方案及优化注水参数来解决。

图2 注水系统能量及能损分布

3 注水系统优化

3.1 运行参数优化目标函数建立

油田注水系统运行参数优化是指在注水站中各注水泵的开停状态已知的前提下，通过调整注水泵的运行参数（流量、压力），达到满足系统配注要求，降低能量损耗的目的[7-9]。以注水能耗最小为目标，建立运行参数优化目标模型：

式中：Hi为第i台注水泵的扬程，m；Qi为第i台注水泵的排量，m3/h；ηpi为第i台注水泵在排量为Qi时的效率，%；ηmi为驱动第i台注水泵的电动机的效率，%；Np为注水泵运行总数量，台；ρ为流体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；ti为第i台泵的运行时间，h；γ为单位换算系数，3.6×10-6。

3.2 注水泵启停方案优化

油田注水系统开泵方案优化是指通过调整注水泵的开停状态及其排量，寻找最佳的注水泵运行状况，以达到节能降耗的目的[10]。以注水能耗最小为目标建立了油田注水系统运行方案优化数学模型：

式中：m为注水站数量，座；npi为第i座注水站内注水泵数量，台；β为注水泵开停方案向量，β={βij|i=1，2，…，m；j=1，2，…，npi}，其中βij表示第i注水站内第j台注水泵的开停方案，1表示开启，0表示停止；μ为注水泵排量向量，μ={μij|i=1，2，…，m；j=1，2，…，npi}，其中μij表示第i注水站内第j台注水泵的排量，m3/h；Hij为第i座注水站内第j台注水泵的扬程，m；ηpij为第i座注水站内第j台注水泵的效率，%；ηeij为第i座注水站内第j台注水泵的电动机效率，%。ρ为流体密度，kg/m3；tij为第i座注水站第j台泵的运行时间，h；

结合该注水系统实际情况，需要考虑到节点流量平衡、水量平衡、注水井压力、注水站供水量、泵排量、注水泵开启方案的取值范围等约束条件，采用智能优化方法进行求解。

3.3 优化结果

结合能耗分析结果，列出优化后两种运行方案，用能情况对比见表2。经过方案一、方案二与现行方案的对比可知，按照方案二时，注水系统能耗电量与注水系统单耗均下降较多，节能降耗效果突出，所以确立优化方案二为最终优化方案，优化后注水泵开泵减少2台。日运行耗能由原来的8.32×104kWh降低至7.07×104kWh，注水单耗由原来7.1 kWh/m3降低至6.04 kWh/m3，节能幅度为15%，取得了良好的节能效果。

表2 用能情况对比

4 结论

1）根据能量守恒原理，建立了针对某大型油田注水系统的能量分析模型，并确立了相关能耗评价指标，为注水系统的挖潜增效提供基础理论方法。

2）以注水能耗最小为目标，根据实际运行工况，考虑对应约束条件，建立了注水系统运行参数优化数学模型及注水泵开停方案优化问题的数学模型，采用智能优化算法求解。

3）对一油田注水系统管网进行了能耗计算，根据计算结果进行能耗分析与评价，找出用能薄弱环节，该注水系统能量分布主要有：注水站能量损失，约占注水系统总能量的38%；阀组能量损失，约占注水系统总能量的14%；从注水站到配水间管线能量损失，约占注水系统总能量的5%；注入注水井的有效能量，占注水系统总能量的43%，可以发现能损最大的两个环节是在泵机组和井口控制阀，据此提出相应改造方案，经过全局优化方案后，日注水单耗降低1.06 kWh/m3，可节约耗电量1.25×104kWh，节能效果良好。