油田地面注水系统运行效率的研究.doc

长 江 大 学学生毕业设计（论文）油田地面注水系统运行效率的研究 　　 题 目： 　　 学生姓名： 　　 专业年级：石 油 工 程（2008级） 指导教师：王立柱 　　 评阅教师：王立柱 　　 完成日期：2012年1月30日摘 要本课题在调研目前地面注水工艺现状和能量消耗现状的基础上，运用系统工程理论、水力学原理、数字仿真和优化技术进行油田地面注水系统运行效率的研究首先应用有限元分析方法建立仿真数学模型，以注水站、干线、配水间的压力表、流量计测试数据为基础，模拟计算管网单元的压力、流量，进行总体的油田地面注水系统能耗分布的仿真模拟及分析；其次，以注水单耗最低为目标函数，建立注水系统运行参数优化的数学模型应用计算机技术开发出油田地面注水系统仿真优化软件，包括图形建模、系统仿真、优化开泵等三个主要模块根据GB3484-83关于有效能量的规定，将注水井口处的水所具有的能量计为有效能量，而克服地面管网的摩阻和地面的节流损失所消耗的能量是地面注水系统损耗的能量把注水系统分为站内和站外两部分，现场试验主要在留17、王一联、王四联、河一联、里一联5个注水站进行测试。

测试过程中以每个注水站组成的注水单元为一个系统，在注水系统正常运行情况下，通过测试、分析注水泵和注水管网电力、水力工况，分析注水站系统的能量损失因素及其所占比例，从而得出影响注水系统能量损失的主要原因，再根据现场实际提出提高注水系统效率方法途径通过测试结果分析，为今后提高注水系统效率改造提供了很好的理论依据，2007年通过对部分站进行改造，取得了很好的经济效益和社会效益目 录第一章 问题的提出第二章 解决问题的主要技术1、仿真优化技术1.1仿真优化软件技术原理简介1.2 仿真优化软件增加效率计算模块1.3 双管网注水系统分压点优化方法2、系统能量平衡模型和效率计算第三章 现场应用效果1、现场测试分析步骤2、现场测试情况3、测试结果分析4、提高注水系统效率现场改造及改造效果第四章 效益分析第一章 问题的提出我厂目前有注水站11座，注水能力2.9×104m3/d，注水泵106台，其中五柱塞泵46台，三柱塞泵45台，增压泵15台，电机总功率达到1.4×104Kw.h配水间73座，注水井273口，注水1.09 ×104m3/d，除高44每天注入180m3清水外，其余各站全部回注污水,基本满足了油田开发的需要。

随着油田开发不断深入，特别是油田开发到中后期，油井产液量越来越高，导致各注水站污水回注量不断增大，同时注水管线不断加长，特别是管线腐蚀、结垢，注水泵腐蚀、电机老化等因素，使注水系统效率越来越低管线腐蚀、结垢导致管线流动阻力增大、管网效率降低；注水泵腐蚀及电机老化，造成维护保养频繁，增加了注水机泵自身内耗，降低了泵效据统计注水系统每年耗电约占油田用电的30％左右为了提高地面注水效率，降低生产能耗，必须摸清影响地面注水系统效率的主要因素，并找出解决问题的思路第二章 解决问题的主要技术在解决本课题过程中主要应用了以下主要技术1、仿真优化技术1.1仿真优化软件技术原理简介 国内九十年代后期开始油田注水系统效率方面的研究，主要集中在提高设备运行效率对于复杂的地面注水管网(多站、复杂管网)的压力分布、水流分布无法用仪器、仪表进行监测，难以定量分析管网能耗损失、效率低的原因，无法提出注水系统中注水站的最优化运行方案和管网调整方案为此，华北油田分公司采油工艺研究院研究开发了注水系统仿真优化技术该技术是运用系统工程理论、水力学原理、数字仿真和优化技术进行油田地面注水系统运行效率的研究首先，建立注水管网数据模型，应用有限元分析方法建立仿真数学模型，把每一个管元、闸门、节点及单井看作一个管网单元，以注水站、干线、配水间的压力表、流量计测试数据为基础，模拟计算管网单元的压力、流量，进行总体的油田地面注水系统能耗分布的仿真模拟及分析；其次，以注水单耗最低为目标函数，建立注水系统运行参数优化的数学模型，用先进的数学方法求解给出优化的开泵方案，即确定合理的系统压力、注水量，实现注水能量资源的合理分配，降低注水能耗、提高注水系统效率，就是不改变目前的管网系统，重新分配各注水站的压力和流量，既满足每个单井的地质配注要求，又使管网能量损失最小，系统效率高。

应用计算机技术开发出油田地面注水系统仿真优化软件，包括图形建模、系统仿真、优化开泵等三个主要模块关键技术有：1.1.1 管网数据库及图形建模，油田注水系统仿真优化软件与ORACLE数据库接口程序的开发图形建模是依据注水系统的真实情况，在计算机上按一定比例绘制出整个系统各个节点（包括井、站、配水间、管子及其连接关系），它是整个程序的基础1.1.2 建立注水管网的数学模型及进行仿真计算，应用水力学原理、有限元分析方法，建立注水系统仿真模型，仿真模拟管网压力、流量分布，分析能量损耗系统仿真主要是提取实际生产数据（注水井和注水站）经过管网的适当简化，计算出管网各个节点处的压力分布、各个管子流量、水流方向、注水范围等，模拟实际管网的工况1.1.3 建立注水系统运行参数优化的数学模型及解算方法，给出优化方案优化开泵是在仿真的基础上，通过复杂的优化计算，找到一个最优的开泵方案，使得注水耗电量得到有效降低，而且满足整个系统注水要求管网改造优化设计是通过对现在的管网进行模拟仿真计算，对管网中出现的压降损失较大的部位作部分调整，完善注水管网，提高管网效率，合理确定新增管网的工艺流程布局油田注水系统仿真优化软件功能包括：图形建模、系统仿真、系统优化、管网优化、生产数据接口、注水井数据查询及辅助功能，如下图。

1.2 仿真优化软件增加效率计算模块2003年项目研究中完成了生产数据接口模块，使软件通过采油厂开发数据库和生产数据库，即Oracle数据库，能够顺利提取注水站、注水井的生产日报、生产月报等数据油田地面注水系统仿真优化技术软件主要是进行管网分析，而现场生产是动态的需要适时调整，生产系统是动态变化的，地面注水系统也是动态变化的，管理人员经常需要知道地面注水系统效率参数，而测试需要有一段时间、一定费用，因此对软件进行了修改与完善，增加效率计算模块，使其不需要测试，能够根据现场注水报表计算出注水管网运行效率、注水系统效率、系统单耗等注水系统参数油田注水工艺流程如下：注水井配水间流量计水罐水源来水注水泵流量计注水站图2 油田地面注水系统组成示意图要达到上述功能，必须简化注水系统效率计算方法，简化的目的：从现场角度出发（注水设备-地面注水管网-井口）初步得出注水系统效率1.2.1 理论计算方法：注水系统效率分为4部分——电动机的效率η1，皮带轮传动效率η2，注水泵的效率η3，以及注水管网的效率η4，其效率为η=η1×η2×η3×η4在现场测试中，η1、η2、η3三个参数的测定需要专门的仪器，给现场计算带来很大困难。

注水系统效率是个动态值，需要随时把握，现场根据这个效率来调整注水工程中某些不合理因素，显然必须找到一个简便计算方法1.2.2 现场计算方法：把η1、η2、η3作为一整体来考虑，即把电机、皮带和注水泵作为一个新的参数η1，即注水站效率，把注水管网作为一个计算参数η2，则注水系统效率可改写为η=η1×η2η1= W有效/W电机×100%={ （P2- P1）Q /W电机}×100%η2=（Σpiqi/（P2- P1）Q）×100%式中：i—注水井序号数；pi—单井注水压力，MPa；qi—单井注水量，m3/h；P1—注水站喂水压力，MPa；P2—注水站出站压力，MPa；Q—注水站出站流量，m3/h则整个注水系统效率的计算可简化为η=（Σpi×qi /W电机）×100%上述式中的参数W电机可由电表直接读出，单井注水压力pi、注水量qi也可直接录取或由注水工程报表得到，计算起来简单明了，这样采油厂可以用软件随时计算出注水站及全厂注水系统效率仿真优化软件中效率计算模块的思路和方案：利用注水系统效率测试仪测出注水站系统中各运行电机的输入功率，或者利用注水站机泵电量表记录的注水用电量得出各运行电机的输入功率，输入软件计算出注水系统输入功率W电机，软件同时把生产日报转化得出注水系统末端能量Σpi qi，并得出注水站系统效率，为管理者做出决策提供依据。

1.3 双管网注水系统分压点优化方法双管网注水系统分压点优化方法是在仿真优化技术推广应用过程中的一项技术完善与进步经过注水系统的仿真优化分析发现，通过调整分压点仍然有可能进一步降低计配间的节流损耗，实现提高注水系统效率的目的，因而对双管网注水系统分压点值的优化提出了新的方法，并且做了进一步的完善对于可实现两套管网的注水系统，优化压力分界点实质上是优化低压系统计配间的干线压力或低压系统的出站压力这一参数这样的优化问题是一个线性规划问题建立分压点优化的数学模型包括建立目标函数和确定约束条件两部分分压点优化问题，其目标函数是计配间节流损失最小，数学方程为：式中：Ws ———— 计配间节流损耗，kW；ph，pl———— 高、低压注水系统的出站压力，MPa；qh，ql ———— 高、低压注水系统的出站流量，m3/d；pHi ———— 高压注水系统的第i个计配间的干压，MPa；pLm ————低压注水系统的第m个计配间的干压，MPa；pHij ———— 高压注水系统的第i个计配间所辖第j口注水井的注水压力，MPa；pLmn ———— 低压注水系统的第m个计配间所辖第n口注水井的注水压力，MPa；qj ———— 高压注水系统的第j口注水井的注水量，m3/d；qn ———— 低压注水系统的第n口注水井的注水量，m3/d；α———— 单位换算系数，无因次。

主要约束条件：ph＞pHipl＞pLmpHi≥phij（max）pLm≥pLmn （max）分压点仿真优化具体方法是：以满足注水系统的地质配注量为前提条件，因此保持高压系统的干压不变从目前高压系统的出站压力开始仿真模拟计算，以一定的等差数列变化分压点值（一般选等差值为0.1MPa），并根据压力范围相应调整高低压管网及其注水井，对每一个分压点相应计算出计配间的节流损耗，计配间的节流损耗值随着分压点的变化而变化，计配间的节流损耗最低时的分压点则为最佳分压点，这使得系统效率最高2、系统能量平衡模型和效率计算根据GB3484-83关于有效能量的规定，将注水井口处的水所具有的能量计为有效能量，而克服地面管网的摩阻和地面的节流损失所消耗的能量是地面注水系统损耗的能量系统能量平衡模型和效率计算模型如下图图3 系统能量平衡模型和效率计算模型井口有效WjWe输入管压损管网损注水泵站内回流损节流损失站内电机损电机站外管网注水泵损注水站效率（考虑打回流）或机泵效率（不打回流时）管网效率系统能量平衡程式：W输入= W电机损 +W泵损+ W回流损 +W管线损+W节流损+ W有效把注水系统分为站内和站外两部分，站内由电机、注水泵、汇管等组成，站外由干线及支线管网、配水间、注水井等组成。

油田地面注水系统效率指注水站到注水井井口的效率，包括注水泵机组和注水管网的效率上式考虑了地面注水。