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：
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×η2
η1= 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：
()()
()n
Lmn Lm mn
j ij
Hij Hi l h e h s q p p q p p q q p p W Min -+-=?∑∑αα,,,
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，m 3/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，m 3/d ； qn ———— 低压注水系统的第n 口注水井的注水量，m 3/d ； α———— 单位换算系数，无因次。 主要约束条件： ph ＞pHi pl ＞pLm
pHi ≥phij （max ） pLm ≥pLmn （max ）
h
j j
q q h q ?+=∑
l
n n
q q l q ?+=∑
Q
q q q q n n
j j
l h ?++=+∑∑
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
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系统的所有能量损耗因素，把注水系统分为站内和站外两部分，可把上式归纳为
W输入= W机泵损+W管线损+W节流损+W有效
地面注水系统效率的计算公式为
η=η注水站效率·η管网效率
η注水站效率= W出站/ W输入×100%
W
出站=Q×(P
出站
-P
喂水泵
)/3.6
W
输入
——运行机泵的输入电功率，kW·h；Q ——注水站出站汇管流量，m3/h；
η管网效率=单井平均注水压力÷注水站出站汇管压力×100%
该技术是运用系统工程理论、水力学原理，应用有限元分析的数字仿真技术，进行油田注水地面工程系统效率的分析，应用计算机技术进行油田地面注水系统运行参数的优化，仿真模拟符合实际。
第三章现场应用效果
1、现场测试分析步骤
为了了解影响注水系统效率的主要因素，在地面注水系统效率测试和分析过程中，建立了一套完整的现场测试方法。根据华北注水系统的实际情况提出油田地面注水系统效率测试分析步骤如下：
1.1 现场测试——同步测试法，即注水站系统各测试点同时测报数据；
1.2 注水系统效率参数计算；
1.3 按大小排列系统能量损耗比例，找出存在问题；
1.4 应用仿真优化技术分析注水管网；
1.5 根据现场情况提出提高注水系统效率的方法和途径。
在总结过去现场测试的经验的基础上上，结合测试过程中遇到的问题，根据华北注水站系统实际改进完善了现场测试方案，规范了测试操作步骤，使测试数据报表更加规范，便于岗位人员实际操作，使现场测试方案对注水系统效率测试能起到指导作用。设计了系统效率综合测试仪中注水系统效率测试部分的数据录取及其处理程序，该仪器把过去单一功能变为多项功能，能够分别进行抽油井系统效率、螺杆泵系统效率、注水系统效率的测试，节省了系统效率现场测试的成本。
另一方面，通过应用测试技术和仿真优化技术，对推广区块建立、健全了注水系统效率数据库，注水系统设备、管网数据库，为今后注水系统效率测试分析提供了准确、快捷的手段。
2、现场测试情况
测试主要在留17、王一联、王四联、河一联、里一联5个注水站。测试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，计算出电机效率、泵运行效率、泵站效率以及管网效率。经过分析，找出影响注水系统效率的主要因素，为实施改造提供依据。
各各站注水泵电机效率、注水泵效率、注水管网效率、注水单耗和各站注水系统效率综合测试结果如下图表：
注水泵电机效率表1
注水泵效率表2
注水管网效率表3
注水系统效率表4
本次测试5个注水站系统，运行15台泵，连接注水井90口，额定功率为2625kW，瞬时注水量275m3/h，日注水量5892m3/d，输入功率1808kW，日耗电量4.34×104kW·h，折算年注水用电1583.8×104kW·h，平均出站压力20MPa，平均油压12MPa，平均井口压力11.5MPa，单井注水功率之和为941kW，系统损失功率867 kW，占输入功率的47.9%，相当于每天损失电量2.08×104kW·h，折算年损失759.5×104kW·h。地面注水系统效率参数为：注水电机平均运行效率89.7%，注水泵平均运行效率79.4%，注水管网平均效率61%，地面注水系统平均效率43.4%，注水单耗6.6 kW·h/m3。
注水站系统效率及能耗损失情况表5
3 测试结果分析
为了提高注水系统效率，首先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。经过测试及计算，各注水站能量损失情况如表。
注水站系统能耗损失表6
由上表可以看出，机泵能量损失、节流能量损失是注水系统总能量损失的两个主要因素。根据机泵能量损失、节流能量损失的情况，结合现场测试结果，分析认为提高注水系统效率的潜力主要有：
3.1柱塞泵提高泵效的潜力
由于注水设备陈旧，造成注水泵泵头漏失严重、泵效低，闸阀漏、管线穿孔现象多，频繁启停泵，造成无功能量损失大。近几年来更换了部分新的注水泵，但绝大多数注水站使用的仍为八十年代投产，有的已投运服役超过二十年以上，故障多，造成频繁启停泵。如河一联、里一联注水泵漏失现象严重，故障多、维修工作量大，启停泵频繁，造成能量损耗，运行费用高。同时根据河一联生产实际情况，注水站正常运行时开泵2-4台，但每天启停泵次数都在8次左右，一次启停泵操作需要近20min才能稳定，水量损失大、无功功耗大。
里一联砂岩注水运行的1#三柱塞泵，实际只有间12-7、间12-2两口注水井，泵实际排量仅4.67m3/h，比泵额定排量21.6 m3/h小得多，主要是由于泵严重漏失，泵效仅43.5%，造成能量浪费。根据现场实际情况建议换小型泵，配功率75kW的小电机，不仅节能，而且小型泵排量小，故障少，运行保养费用低。
王四联注水站，由于机泵与注水管网不匹配，尽管应用变频调速技术，但还是没有实现自动稳压注水。正常注水时，启运2台泵，排量较低、系统压力低，完不成配注水量；若启运3台泵，排量高出许多、系统压力偏高，自动跳闸停一台泵，因此需要人为控制一段时间开3台泵、一段时间开2台泵，没有达到利用变频调速技术实现自动稳压注水的目的，频繁启停泵，造成无功功耗大，增加能量损失，降低了系统效率。建议把1台五柱塞泵调换成三柱塞泵，启3台泵，能实现机泵与注水管网的合理匹配，利用好变频调速技术实现自动稳压注水，能够有效地提高注水系统效率。
3.2降低摩阻和节流损失提高管网效率的潜力
测试结果表明，各注水站系统所属的注水井其注水压力严重不平衡，是影响管网效率低的主要原因。个别井节流压差大于15MPa，河一联注水井注水压力严重不平衡造成管网效率仅为53.1%，单井节流损失相对较高；王一联有些高压注水井在25MPa的注水系统压力下，仍然注不进水，建议应用增压泵或其它技术降低节流损失，提高注水效率。另一方面，管网经过多年使用，管线因为结垢、腐蚀，过流面积减少、流动阻力加大，管线水流压力损失增大，配水间干压比出站压力小2MPa以上，如留17注水站出站压力为32MPa，配水间压力为26MPa，压力损失达6MPa，造成能量损失，需要采取措施清垢，降低管网摩阻。
3.3提高注水系统效率技术改造方案
——针对河一联注水泵效率低主要是由于漏失原因造成的问题，建议进行大修或在资金允许的情况下进行更换。
——王四联注水系统与里一联污水回注系统由于配注水量与注水泵排量不匹配，建议分别更换1台五柱塞泵为三柱塞泵，采取五柱塞泵和三柱塞泵合理使用，实现机泵与注水管网的合理匹配，利用变频调速技术实现自动稳压注水。
——里一联砂岩注水系统由于目前注水泵排量较大，实际配注任务较少，建议将目前注水泵换成排量小的注水泵，配功率75kW的小电机，不仅可以减少注水泵电机内耗，而且可以提高目前运行注水泵的效率。
——针对目前河一联、王四联注水站管网效率低和节流损失大的问题，建议对河一联个别高压注水井进行采取酸化增注措施或应用注水压力自动调节装置；王四联完不成配注任务的注水井如果在一座配水间有多口采用增压泵，单独的注水井则采取酸化增注措施提高其吸水能力。
——王四联及留17站由于管网经过多年使用，管线因为结垢、腐蚀，过流面积减少、流动阻力加大，管线水流压力损失增大建议采取物理或化学清垢措施，对管线进行清垢。
4 提高注水系统效率现场改造及改造效果
针对机泵能量损失、节流能量损失是注水系统总能量损失的两个主要因素，为了降低节流损失，提高注水系统效率和满足油田开发需要，分别在大王庄油田和留17注水站进行了改造，改造后各站系统压力降低，管网效率明显提高，综合系统效率也提高5%以上，改造后留17、王四联测试结果具体见附表3。留17、王四联各站改造情况和改造后效果如下：
大王庄油田留70-39断块的王十五计、王九计部分注水井在原来25MPa系统压力，一直注不进水，2004年8月王十五计增建增压泵3台，王九计增建2台，原来完不成配注任务的注水井经过增压后，能够满足生产需要，同时系统压力也有一定程度的降低。王十五计留70-147、-149、-150等5口注水井在原来25MPa压力下注不进水，增压后在31MPa情况下，基本能完成生产任务。王九计所属的留70-141、-158、-162等3口注水井也与王十五相似，增压后在30MPa情况下，基本能完成生产任务。改造后王四联系统压力降低至24MPa，所有注水井能够全部完成生产任务，在目前系统压力下节流损失减少，其注水站电机效率、注水泵效率及注水管网效率明显提高，特别是注水管网效率提高效果显著。注水系统效率由措施前的48.9%提高到58.6%，提高了9.7%，注水单耗由措施前的9.49kW·h/m3下降到9.01kW·h/m3，下降了0.48kW·h/m3，日节电576kW·h，截止12月底节电6.91×104kW·h，电费均按0.4715元/kW·h计算，节约电费3.26万元。折算年节电21.02×104kW·h，年节约电费9.91万元。王四联改造前后效果对比结果如下：
王四联改造前后效果对比表7
王四联注水系统效率改造前后对比表8
留17断块为低渗透区块，为了满足生产需要，该注水站一直在32MPa系统压力下运行，但由于留416断块离留17注水站较远，管线压力损失较高，部分注水井仍然不能完成生产任务。为了保证生产需要，2004年6月在留416注水站增建1台增压泵。注水泵在32MPa系统压力，该断块的留416-8、-16、-9、-17能够完成配注任务，同时留17注水站系统压力也有所降低。目前留17注水站在30MPa压力情况下，基本能满足生产需要。改造后该站注水泵电机效率、注水泵效率及注水管网效率得到明显提高，特别是注水管网效率提高效果显著。注水系统效率由措施前的45.6%提高到50.5%，提高了4.9%，注水单耗由措施前的12 kW·h/m3下降到11.17 kW·h/m3，下降了0.83kW·h/m3，日节电440kW·h，截止12月底节电5.28×104kW·h，电费均按0.4715元/ kW·h计算，节约电费2.49万元。折算年节电16.06×104kW·h，年节约电费7.57万元。留17注水站
改造前后效果对比如下：
留17注水站改造前后效果对比表9
留17注水系统改造前后系统效率对比表10
从以上对比表中可以看出，改造后王四联与留17注水站系统效率提高都在5%以上，注水单耗也明显降低，措施后测试计算得出，截止2004年12月，共节电12.37×104kW·h，节约电费5.83万元。折算年节电量约37.1×104 kW·h，年节约电费17.48万元。
第四章经济效益和社会效益分析
本课题实施后，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，2004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，主要表现在：
1 经济效益分析
通过对留17、王一联、王四联、河一联、里一联等5个注水站系统进行效率测试，
分析认为机泵能量损失、节流能量损失是注水站系统能量损失的两个主要因素。针对节流损失大的问题，在王十五计、王九计及留416分别安装了增压泵，增压泵运行后，在保证各单井能够完成配注任务的前提下，各站注水系统压力都降低了1MPa以上。同时各站的系统效率也明显提高，由于节流能量损失减少，注水管网效率提高较大，王四联提高了12%，留17提高了6%，综合系统效率也提高显著，王四联由改造前48.8%提高至改造后58.6%，留17则由62%提高至68%，注水单耗得到明显下降，王四联由9.49KW.h/m3下降为9.01 KW.h/m3，留17则由12 KW.h/m3下降为11.17 KW.h/m3。根据目前王四联及留17注水站实际注水量计算截止2004年12月，共节电12.37×104kW·h，节约电费5.83万元。折算年节电量约37.1×104 kW·h，年节约电费17.48万元。
由于受改造资金的限制，部分需要改造的注水工艺系统不能按原计划执行，如果能够按测试结果对注水系统工艺流程进行改造，预计改造完成后，留17注水站、大王庄、里一联、河一联等站每年节电和节省注水泵维修费用150万元，其经济效益显著。
2 社会效益分析
通过对地面注水系统效率进行测试和结果分析，可以根据测试结果对部分影响注水系统大的因素进行适当改造，改造完成后，可以提高地面注水系统效率，从而减少电资源的浪费；同时通过测试结果分析，为今后提高注水系统效率改造提供了很好的理论依据，减少了将来为提高注水系统效率改造的盲目性。不仅可以节省投资，而且可以解决生产实际问题，其效益显著。