鄒永莉，鄧志強(qiáng)，李同翔，賀 三，劉 航

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500；2.中國(guó)石化重慶天然氣管道有限責(zé)任公司，重慶408000）

油田注水是油田開發(fā)過程中向地層補(bǔ)充能量、提高油田采收率的重要手段之一。由于油層的非均質(zhì)性，可能出現(xiàn)注水井注水壓力差別大，以一個(gè)注水壓力系統(tǒng)滿足油田多層系注水，勢(shì)必造成配水間單井閥門控制節(jié)流損失過大，導(dǎo)致注水系統(tǒng)單位注水量電耗增大。因此，有必要對(duì)注水井進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)，找出注水能耗高的注水井，從而提高注水系統(tǒng)運(yùn)行效率。目前，大量學(xué)者從注水泵站節(jié)能監(jiān)測(cè)、提高注水系統(tǒng)效率以及優(yōu)化注水系統(tǒng)方面開展了大量的研究，而對(duì)注水井的研究主要集中在節(jié)能降耗方面[1-7]。萬春利[8]認(rèn)為注水井注入能力影響著注水系統(tǒng)的能耗，通過建立油田注水系統(tǒng)地上、地下能耗、效率分析等計(jì)算模型，編制相應(yīng)評(píng)價(jià)軟件可指導(dǎo)油田生產(chǎn)。孫冰等[9]認(rèn)為井泵壓差是注水系統(tǒng)中最大的壓差，應(yīng)首先降低注水井井泵壓差才能挖掘注水系統(tǒng)的節(jié)能潛力。雷鈞等[10]認(rèn)為單井輸入功率與單井單位注水量電耗是線性關(guān)系，利用二者的線性關(guān)系可對(duì)注水井進(jìn)行節(jié)能評(píng)價(jià)。

在已有的評(píng)價(jià)方法中，傳統(tǒng)的系統(tǒng)效率法可對(duì)注水系統(tǒng)進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)，但系統(tǒng)效率法不能對(duì)注水井進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)，無法反映注水井能耗的高低，而油田現(xiàn)場(chǎng)迫切需要找出能耗高的注水井，從而采取相應(yīng)的措施降低能耗。為此，本文基于能量守恒定律，推導(dǎo)出單井輸入功率和單井單位注水量電耗的關(guān)系，結(jié)合油田現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，并提出評(píng)價(jià)方法對(duì)注水系統(tǒng)以及注水井進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)。

1 能耗評(píng)價(jià)體系

1.1 參數(shù)計(jì)算方法

注水系統(tǒng)的單位注水量電耗測(cè)試和計(jì)算嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33653—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法》規(guī)定執(zhí)行[11]。

1.2 能耗評(píng)價(jià)體系的確立

通常情況下，注水系統(tǒng)中每臺(tái)注水泵連接著數(shù)十口注水井，無法測(cè)算出每口井的單位注水量電耗，不能進(jìn)行能耗比較[12]。對(duì)于不同的注水井，可簡(jiǎn)化為單泵單井模型，使其能耗具有可比性（圖1）。

由注水系統(tǒng)的能量守恒定律，即電動(dòng)機(jī)輸入功率+泵入口水功率=注水泵機(jī)組損失+站內(nèi)管線損失+回流損失+注水管網(wǎng)損失+有效功率[13-18]，如式（1）所示：

式中：NMpin為注水泵機(jī)組輸入功率，kW；Nmpsys為注水系統(tǒng)泵機(jī)組損失功率，kW；Nlssys為注水系統(tǒng)站內(nèi)管線功率損失，kW；Nrsys為注水系統(tǒng)回流損失功率，kW；NPV為注水管網(wǎng)損失功率，kW；Ne為注水系統(tǒng)有效功率，kW。

圖1 單泵單井模型Fig.1 Model of single-pump corresponding to single-well

根據(jù)單泵單井模型情況，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33653—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法》中各項(xiàng)損失的計(jì)算方法，求得任一單井所連接的電動(dòng)機(jī)輸入功率，如式（2）所示：

式中：NMini為注水系統(tǒng)中第i個(gè)單泵單井模型的注水泵電動(dòng)機(jī)輸入功率，kW；Nmpi為注水系統(tǒng)中第i個(gè)單泵單井模型的注水泵機(jī)組的功率損失，kW；pPouti為注水系統(tǒng)中第i個(gè)單泵單井模型的注水泵出口壓力，MPa；pSouti為注水系統(tǒng)中第i個(gè)單泵單井模型的注水站出站壓力，MPa；Gpi為注水系統(tǒng)中第i個(gè)單泵單井模型的注水泵流量，m3/h；Grsi為注水系統(tǒng)中第i個(gè)單泵單井模型的回流量，m3/h；NPVi為注水系統(tǒng)中第i個(gè)單泵單井模型的注水管網(wǎng)損失功率，kW；pwi為注水系統(tǒng)中第i個(gè)單泵單井模型的注水壓力，MPa；Gwi為注水系統(tǒng)中第i個(gè)單泵單井模型的注水流量，m3/h；pPinz為注水系統(tǒng)中第i個(gè)單泵單井模型的注水泵入口折算壓力，MPa。

單位注水量電耗是油田注水生產(chǎn)用電量與注水量的比值，則單井單位注水量電耗與單井輸入功率之間的關(guān)系如式（3）所示：

式中：MJWi為單井單位注水量電耗，kW·h·m-3。

目前，大多數(shù)注水系統(tǒng)單井井口前沒有安裝測(cè)量單井單位注水量電耗的儀表，無法直接獲取單井單位注水量電耗。當(dāng)注水管線比較短，地形起伏差異比較小時(shí)，單井單位注水量電耗與單井的流量呈線性關(guān)系。故采用按流量配比的方式計(jì)算單井單位注水量電耗，如下式（4）—（5）所示：

式中：MJW為注水系統(tǒng)單位注水量電耗，kW·h·m-3；m為注水系統(tǒng)的注水井總數(shù)量；λi為注水系統(tǒng)中第i口注水井的注水量與注水井總流量的比例。

在注水系統(tǒng)單泵單井模型當(dāng)中，單井輸入壓力pwi為變量，其余與單井輸入壓力pwi無關(guān)的常量可以看成常數(shù)，如式（6）所示，則斜率k為單井輸入流量的倒數(shù)，如式（7）所示。將單井輸入功率pwiGwi可作為自變量，單井單位注水量電耗MJWi作為因變量，則二者符合線性關(guān)系，式（8）所示，線性關(guān)系見圖2。

圖2 單井輸入功率與單井單位注水量電耗關(guān)系Fig.2 Linear relationship between input power and power consumption per unit water injection rate of single well

式（6）—式（8）中：c為單井輸入功率與單井單位注水量電耗直線截距；PPin為注水泵入口壓力，MPa；GP為注水泵流量，m3/h；k為單井輸入功率與單井單位注水量電耗直線斜率。

斜率k的物理意義為單井井口流量的倒數(shù)；截距c的物理意義為單位注水量功率消耗，即單位注水量泵機(jī)組損失功率、單位注水量站內(nèi)管線損失、單位注水量回流損失、單位注水量注水管網(wǎng)損失之和與泵入口水帶來的功率的差值。

單井輸入功率與單井單位注水量電耗線性關(guān)系的斜率和截距綜合反映了注水系統(tǒng)以及注水井的能耗情況。因此，可利用直線斜率和直線截距對(duì)注水系統(tǒng)和注水井進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)。

2 能耗評(píng)價(jià)方法

2.1 直線截距法

直線截距法是利用單井輸入功率與單井單位注水量電耗直線關(guān)系的截距大小進(jìn)行比較。直線截距c的物理意義是注水系統(tǒng)的單位注水量功率消耗，表明了輸入單位水量所需要消耗的功率，可將截距c作為評(píng)價(jià)注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)的指標(biāo)，即直線截距評(píng)價(jià)法。通過獲取大量注水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，依照被監(jiān)測(cè)對(duì)象70%以上合格，20%優(yōu)良的原則，對(duì)注水系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)[19-20]。

2.2 單耗節(jié)能率法

單耗節(jié)能率法是利用單井單位注水量電耗理論值與實(shí)際值的差值與理論值之比，由式（9）計(jì)算。通過比較單耗節(jié)能率α的大小，單耗節(jié)能率α越大，則能耗更低。單耗節(jié)能率α計(jì)算示意圖見圖3。

圖3 α的計(jì)算方法Fig.3 Computational method of α

式中：α為單耗節(jié)能率；y為注水系統(tǒng)中第i口注水井理論上所需要的單位注水量電耗，kW·h·m-3；yi為注水系統(tǒng)中第i口注水井實(shí)際的單位注水量電耗，kW·h·m-3。

單耗節(jié)能率α為正數(shù)，表明該注水井處于能耗較低的狀態(tài)，單耗節(jié)能率α為負(fù)數(shù)，表明該注水井處于能耗較高的狀態(tài)。

3 能耗評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用

采用我國(guó)西北A 油田和東北B 油田的注水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見圖4、圖5。從圖4中可以看出，在A 油田注水系統(tǒng)中，注水壓力與注水流量較小，單井輸入功率主要在1 ～6 kW，單井單位注水量電耗波動(dòng)較小，主要在2 ～12 kW·h·m-3，單井輸入功率與單井單位注水量電耗符合線性關(guān)系，擬合度R2為0.947 4，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合。

圖4 A油田注水系統(tǒng)Fig.4 Water injection system of A oilfield

圖5 B油田注水系統(tǒng)Fig.5 Water injection system of B oilfield

從圖5中可以看出，在B 油田注水系統(tǒng)中，注水壓力與注水流量較大，單井輸入功率主要在0 ～20 kW之間，單井單位注水量電耗波動(dòng)較大，主要在0 ～35 kW·h·m-3之間，單井輸入功率與單井單位注水量電耗符合線性關(guān)系，擬合度R2為0.912 2，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合。

3.1 注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)

在油田A 與油田B 中各取5 個(gè)注水系統(tǒng)，共493口注水井，做出各注水系統(tǒng)的單井輸入功率與單井單位注水量電耗的線性關(guān)系（圖6）。

圖6 A油田與B油田注水系統(tǒng)Fig.6 Water injection system of A oilfield and B oilfield

對(duì)于往復(fù)泵，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》中規(guī)定，注水系統(tǒng)效率限定值為40%，節(jié)能評(píng)價(jià)值為45%，可對(duì)這十個(gè)注水系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)[21]。同樣，依照被監(jiān)測(cè)對(duì)象70%以上合格，20%優(yōu)良的原則，利用直線截距法對(duì)注水系統(tǒng)進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比見表1。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果可知，傳統(tǒng)的系統(tǒng)效率法與直線截距法的評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合。

3.2 注水井能耗評(píng)價(jià)

在選取的10個(gè)注水系統(tǒng)中，計(jì)算單耗節(jié)能率，得出各注水系統(tǒng)中能耗高的注水井，油田A 注水系統(tǒng)見表2，油田B注水系統(tǒng)見表3。

結(jié)合油田現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，J31-63 注水井能耗高的原因是由于油壓過高，泵的揚(yáng)程不夠，注水流量為0，可通過適當(dāng)增加泵的揚(yáng)程緩解；其余各注水井之所以能耗高，是因?yàn)樽⑺畨毫^低，達(dá)不到需要的配注量，結(jié)合油田實(shí)際情況，可采取洗井、放大水嘴等措施提高注水量。

表1 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比Table1 Comparison of evaluation results

表2 油田A注水系統(tǒng)Table2 Water injection system of A oilfield

表3 油田B注水系統(tǒng)Table3 Water injection system of B oilfield

根據(jù)注水井能耗評(píng)價(jià)結(jié)果，可找出能耗異常的注水井，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采取對(duì)應(yīng)措施，從而提高注水系統(tǒng)效率。目前，該評(píng)價(jià)方法僅用了兩個(gè)油田的部分注水系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，若要推廣并應(yīng)用該評(píng)價(jià)方法，還需要更多的數(shù)據(jù)對(duì)該評(píng)價(jià)方法進(jìn)行完善。

4 結(jié)論

1）通過理論分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，單井輸入功率與單井單位注水量電耗存在線性關(guān)系，直線斜率和截距綜合反映了注水系統(tǒng)以及注水井的能耗情況。

2）利用直線截距法對(duì)注水系統(tǒng)進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與傳統(tǒng)的系統(tǒng)效率法基本吻合，可直接利用該方法對(duì)注水系統(tǒng)進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)。

3）利用單耗節(jié)能率法對(duì)注水井進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)，可找出能耗異常的注水井，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析原因并采取相應(yīng)的措施，從而提高注水系統(tǒng)效率。