注水系统优化运行方案研究

JournalofOilandGasTechnology石油天然气学报,2018,40(6),100-104PublishedOnlineDecember2018inHans.://doi.org/10.12677/jogt.2018.406127文章引用:徐加军,贺东旭,张元法,于欣畅,丁涛,李守钦.注水系统优化运行方案研究[J].石油天然气学报,2018,40(6):100-104.DOI:10.12677/jogt.2018.406127StudyonOptimizedOperationSchemeofWaterInjectionSystemJiajunXu1,DongxuHe1,YuanfaZhang1,XinchangYu2,TaoDing3,ShouqinLi31ShengliOilProductionPlant,ShengliOilfieldCompany,SINOPEC,DongyingShandong2CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),DongyingShandong3DongxinOilProductionPlant,ShengliOilfieldCompany,SINOPEC,DongyingShandongReceived:Sep.30th,2018;accepted:Oct.28th,2018;published:Dec.15th,2018AbstractInconsiderationoftheactualsituationofpressurelossandenergyconsumptionofthewaterin-jectionsystemintheoilproductionplant,byusingthefiniteelementanalysisandhydraulicprin-ciple,accordingtothetopologicalstructurecharacteristicsoftheoilfieldwaterinjectionsystem,themathematicalmodeloftheinjectionpumpcombinationoptimizationandthesimulationmod-eloftheoilfieldwaterinjectionsystemwereestablished,andthegraphicmethodsofparallelop-erationofwaterinjectionpumpwereproposed.Basedonthetechnicalprincipleofsimulationandoptimizationforoilfieldwaterinjectionsystem,thewaterinjectionsystemmanagementandop-timizationplatformisestablished,theoptimalschemeofpumpstationoperationisfoundthroughoptimizationmodel,andthepurposeofenergysavingandconsumptionreductioninwaterinjec-tionsystemisachieved.KeywordsWaterInjectionSystem,MathematicalModel,SimulationModel,OptimizedManagementPlatform,OptimizedOperationPlan注水系统优化运行方案研究DOI:10.12677/jogt.2018.406127101石油天然气学报注水系统优化运行方案研究徐加军1，贺东旭1，张元法1，于欣畅2，丁涛3，李守钦31中石化胜利油田分公司胜利采油厂，山东东营2中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛3中石化胜利油田分公司东辛采油厂，山东东营作者简介：徐加军(1967-)，男，高级工程师，从事采油采气工艺技术应用工作。收稿日期：2018年9月30日；录用日期：2018年10月28日；发布日期：2018年12月15日摘要针对采油厂注水系统压力损失与能耗实际情况，应用有限元分析和水力学原理，根据油田注水系统管网拓扑结构特点，建立了注水泵开泵组合优化数学模型和油田注水系统仿真模型，提出了注水泵并联工作的图解法。根据油田注水系统仿真与优化的技术原理，建立注水系统管理优化平台，找出泵站运行的最佳方案，达到了注水系统节能降耗的目的。关键词注水系统，数学模型，仿真模型，管理优化平台，优化运行方案Copyright©2018byauthors,YangtzeUniversityandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).引言目前我国陆上油田基本上采用了注水开发方式提高油藏采收率。但同时注水耗能也成为了油田耗电大户，据统计油田注水耗电约占油田总耗电的40%左右。因此，有必要对整个注水系统的效率进行评估研究，找出潜力点，合理匹配泵型组合。油田注水系统的优化主要有2种型式：设计型优化和操作(运行)型优化。近些年来，国内外众多学者对注水系统进行了优化研究。文献[1][2][3][4][5]报道的注水系统的优化大多属于设计型优化，而操作型的优化较少，而且所涉及的注水系统的规模不大。实际的注水系统是由多个节点单元(注水站、配水间、注水井及管线交汇点等)、管道单元(注水干线、注水支线)和附属单元(阀门、弯头、三通等)组成的复杂大系统，对其进行仿真计算和优化求解有相当的难度[6][7][8]。同时，注水系统的规模越大，系统优化和节能的空间也越大。通过建立注水泵开泵组合优化数学模型和油田注水系统仿真模型，提出了注水泵并联工作的图解法；根据油田注水系统仿真与优化的技术原理，建立了注水系统管理优化平台；通过优化模型找出泵站运行的最佳方案。OpenAccess徐加军等DOI:10.12677/jogt.2018.406127102石油天然气学报2.某注水系统运行数据测试分析某注水系统现场运行泵共20台，其中离心泵机组17台，柱塞泵机组3台(增压泵站内)；测试离心泵泵效合格共17台，合格率100%；测试离心泵泵效节能7台，占比41.18%。压力损失情况见表1，现阶段平均注水压力14.01MPa，站内管线压力平均损失0.39MPa，注水管网平均压力损失2.32MPa，其中管线压力损失0.60MPa，注水阀组压力损失1.72MPa。Table1.Thepressureloss表1.压力损失情况注水系统名称注水泵排出压力/MPa注水站出口压力/MPa注水井阀前压力/MPa注水井井口压力/MPa站内管线压力损失MPa注水管线压力损失/MPa注水阀组压力损失/MPa宁海注14.0513.7513.6211.730.30.461.89胜一注14.412.912.8311.041.50.071.79胜四注13.6913.513.0411.310.190.461.73胜五注14.514.213.4112.610.30.790.8胜六注13.713.5512.5611.590.150.990.97胜七注14.914.513.8412.170.40.661.67胜八注13.1513.0012.229.270.150.782.95胜九注13.7013.5713.0111.080.130.561.93平均14.0113.6213.0611.350.390.601.72注水系统能耗情况见表2，整体有效能量输出为18,837.1kW，占系统整体能耗59%；机组损失7562.5kW，占系统整体能耗24%；站内损失540.2kW，占系统整体能耗2%；管线损失2296.8kW，占系统整体能耗7%；阀组损失2510.5kW，占系统整体能耗8%。Table2.Theenergyconsumptioninwaterinjectionsystem表2.注水系统能耗情况注水系统名称注水系统输入能量/kW泵机组损失能量/kW站内管线损失能量/kW注水系统回流损失/kW注水管线损失能量/kW注水阀组损失能量/kW注水系统输出能量/kW宁海注1628.5466.324.8010.7156.5970.2胜一注2477.7495.7206.5010.0246.01519.5胜四注2018.9492.721.20237.2168.31099.5胜五注6755.71710.493.10275.50.24396.8胜六注5057.31130.043.00582.1253.73048.5胜七注4227.6961.877.00442.9331.52414.5胜八注5375.01275.640.60243921.42894.5胜九注4485.91030.034.00495.4432.92493.6总计32,026.67562.5540.202296.82510.518,837.13.注水系统优化模型3.1.数学模型注水泵开泵组合优化数学模型为：注水系统优化运行方案研究DOI:10.12677/jogt.2018.406127103石油天然气学报()211pemiiiiiippQjαηη=−=∑(1)()211pe1miiiiiimiippQfQηηα==−=∑∑(2)式中：j为注水总电能，kW∙h；f为单位注水耗电量，(kW∙h)/m3；m为一个注水站的注水泵台数；Qi为第i台注水泵的排量，m3/d；p2i为第i台注水泵的出口压力，MPa；p1i为第i台注水泵的进口压力，MPa；ηpi为第i台注水泵的效率，%；ηei为第i台注水电机的效率，%；α为单位换算系数，α=0.2778。根据注水管网模拟结果，在确定了注水站的出口流量和出口压力后，确定注水系统离心注水泵的型号、开泵台数、泵的出口压力、工作流量、工作扬程与泵匹配的电动机型号及功率。3.2.仿真模型注水系统仿真数学模型的建立主要研究系统中各单元的能量方程和管网中各节点的流量平衡方程，采用相邻矩阵描述管网拓扑结构。拟采用直接迭代与牛顿迭代的混合迭代方法对仿真模型进行迭代求解。在实际研究过程中发现对于复杂管网的仿真模型求解时，由于牛顿迭代法需计算函数的导数值，使得到的特性矩阵的元素非常复杂且规律性较差，难以对大型注水系统实现仿真计算。考虑到注水系统的结构复杂，系统方程维数较高，为了保证计算的可靠性，研究中拟采用简单迭代法对仿真模型进行求解。4.注水系统管理优化平台4.1.技术原理基于有限元分析的思想和水力学的原理，根据油田注水系统管网拓扑结构的特点，建立油田注水系统仿真模型。把水力摩阻系数改变造成的误差转变成等效管长的思想，建立管网的管段校核模型。将泵的开停方案和泵的配注流量作为优化变量，以泵站总消耗最小为目标建立优化计算模型，并应用智能算法来进行求解。整个注水管网系统的节点和管段的参数值都可以由仿真模型得到，并且可以通过优化模型找出泵站运行的最佳方案，以达到注水系统节能降耗的目的。4.2.主要作用1)获得注水管网系统的运行参数。运用仿真计算模块可以获得油田注水系统中各个节点和管段的参数值(流量、压力)，由于注水过程的流量和压力经常会出现波动，其运行过程并非一成不变，从注水系统的流量和压力分布可以看出各个注水泵站的注水半径，这为油田注水系统的运行提供了可靠的数据支持。2)校正发生改变的管网模型。由于注水系统长期运行，管网系统中管段的摩阻系数发生改变，其运行参数与原来的参数会产生较大差距，利用校核模块可以找出发生改变的管段，且校核后的参数值与实际值接近，可以反映出实际管网