基于模糊層次分析法的注水系統能耗評價

張意　張浩然（中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室）

?

基于模糊層次分析法的注水系統能耗評價

張意張浩然（中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室）

由于國內油田大部分處于開發后期，需要通過注水來維持地層壓力以提高原油采收率。而就注水系統能耗評價國內外尚未深入開展理論研究，亟需形成一套切實有效的相應評價體系，為優選注水方案提供參考依據，達到油田節能降耗的目的。從注水系統能耗分布規律出發，篩選出影響注水能耗的關鍵指標，并且根據行業標準和相關文獻，建立各評價參數的優良范圍。最后，利用模糊層次分析法構建注水系統節能評價模型，為現場注水方案整體能耗分析和高效快速的定量評價提供科學決策依據。

注水系統；能耗評價；模糊層次分析法

1　引言

1954年玉門油田首先采用注水驅油以來，國內各大油田陸續進行油田注水開發，保持油田長期穩定高產。目前，各大中型油田開采中形成了較為完善的油田地面注水系統。隨著油田進入開采后期，注水量隨之大幅度增加，注水費用在原油生產成本中所占比例日趨增高。

基于油田現場實際需要，科研人員針對注水系統降耗方面開展了大量研究。林永茂等人開發了包括注水系統控制，注水效率分析等功能模塊的軟件[1]，并對新疆油田某區塊進行分析，根據分析結果提出改造意見。別峰峰等人研究注水系統優化，在專家系統理論的基礎上開發出管網系統改造軟件[2]，用于評測模擬改造后的運行效果。劉斌等人根據注水系統各個結構單元的效率計算方法和數學建模相關知識，提出注水系統控制理論[3]，及相應開發軟件，與油田現場實際數據相符合，具有較高準確性。目前高校、科研機構主要集中于研究能耗計算、管網優化、系統優化運行等方面[4]。然而忽略了注水系統能耗評價方面的深入研究，只是停留在單因素的分析，無法給出合理、全面的注水系統能耗評價結果。因此，開發油田注水系統效率計算軟件，分析影響注水系統效率的因素，并提供相應的整體能耗評價結果，優化注水工藝，合理匹配注水設備，對提高注水系統效率，降低注水成本，提高油田開發經濟效益有現實意義。

2　注水系統能耗評價指標篩選及計算方法

油田注水系統主要由注水站、注水管網、配水間和注水井4部分組成（圖1）。注水站包括電動機、注水泵等動力裝置。配水間的主要功能在于利用閥組節流，滿足注入壓力。

圖1　注水系統流程

油田注水系統耗電量大，約占整個油田生產用電量的50%[5]。根據上述注水系統流程圖，可將注水系統的能量消耗分為3大部分：注水站的能損、注水管網的能損、配水間的能損。根據相關文獻中注水系統中能耗損失分布規律[6]（圖2），其中注水站的能量損失以電動機和注水泵機組的損失為主；注水管網能損以沿程摩阻為主；配水間的能量主要消耗于閥組節流，以滿足注入壓力。由于注水井的能耗相對于其他部分較小，且對實際能耗評價影響不大，故不考慮注水井的能耗情況。

圖2　注水系統能流模型

2.1注水系統能耗評價指標及計算公式

注水系統中，電動機輸入功率及效率、注水泵輸入（輸出）功率及效率、注水管網效率等指標計算公式參見SY/T 5264—2012《油田生產系統能耗測試和計算方法》[7]。

2.2能耗評價標準

根據國內相關文獻的數據，并且結合我國的油田現場實際情況和國內相關標準規范[8]，建立評價指標標準表，見表1。

表1　能耗評價參數

3　構建多因素評價模型

3.1確定能耗評價指標模糊隸屬函數及適應度矩陣

在確定能耗評價指標的模糊隸屬度時，首先確定評價指標的最好和最壞的參數，如圖從而對每一套注水系統i的每一個評價指標j的值Pij。可通過下面的公式計算適宜度初值[9]。

式中：xij——適宜度值；

Pij——指標實際參數值；

Paj——指標優良值；

Pbj——指標合格值。

但對不同注水系統進行綜合節能評價時，采用適應度值xij，其取值范圍為（0，1）。該式反映出當注水系統能耗越高時，相應指標的適宜度值就會越大。為使其符合指標接近理想值時，適宜度初值越大，并且增大同一系統中不同因素之間的差異，因此引入下式[10]：

同樣aij的取值范圍為（0，1）。當aij越接近于1時代表評價指標越優良，從而aij構成了注水系統能耗評價模糊適宜度矩陣A。該矩陣的行和列分別反映參與評價的注水系統的所有評價指標對注水節能模糊適宜度大小和不同注水系統是否已評價指標對注水節能模糊適宜度的對比情況。

3.2同一注水系統各評價指標的權重

由于同一套注水系統的不同參數對于注水能耗的影響效果不一樣，有的參數的變化（例如配水間閥組節流增大）會導致整套注水系統的能耗急劇增加；而有的參數由于在總能耗中所占的比例較小，即使波動較大也不會對節能評價結果產生影響。模糊適宜度矩陣A僅僅反映的是單一的評價參數對注水系統節能的適宜性，為單因素評價，無法反映不同評價參數之間的相對重要程度。要想對注水系統進行能耗綜合評價，同時還必須得確定不同評價參數對注水系統節能的響應系數，即權重。參考文獻中的模糊層次分析法[11]，通過建立模糊判斷矩陣以及一系列的計算方法得到不同評價參數的權重。

用模糊數量標度表建立表示兩兩參數之間重要程度對比的模糊優先判斷矩陣（F）。如下所示。

通過公式將優先關系矩陣轉換為模糊判斷矩陣R(rij)。

在轉換的過程中，選擇精度高，收斂速度快的冪法[12]計算排序向量（權重） Wij。

通過該方法計算指標權重，可以避免當模糊判斷矩陣R不是一致矩陣的情況[13]，簡化了計算步驟，并且具有同樣的求解精度，目前已經廣泛運用于各領域。

3.3綜合評價注水系統能耗

對不同注水系統的綜合評價是對各注水系統能耗整體情況的評價。模糊適宜度矩陣A和指標權重的乘積反映了同一注水系統評價參數之間對節能的適宜性的加權表現，即

式（4）的加權向量與其轉置矩陣的乘積則體現不同的注水系統各評價指標的對比情況，式（5）和（6）可得到各個注水系統能耗整體情況的綜合評價和排序，其綜合評價結果用Ri來表示，即

4　實例分析

利用所建立的評價模型和現場3套注水系統的實際參數，對3套注水系統的能耗情況進行綜合評判。3套注水系統為單泵站注水管網系統如圖3，通過水力模擬仿真計算，得出每套管網系統的節點流量、壓力參數值。再根據注水系統能耗評價指標計算公式計算相應的參數值，如表2所示。

圖3　注水系統

建立對于注水系統i的每一評價參數j的值相應的節能適宜度，并得到注水系統是否節能的模糊評價矩陣A。

表2　注水系統參數

用模糊數量標度表得到同一注水系統各個參數對節能情況的模糊一致判斷矩陣F。

通過冪法求得同一注水系統各個參數對于節能的響應權重向量Wij：

W=[0.160 9 0.156 2 0.086 1 0.138 9 0.094 4 0.116 4 0.247 1]T

則同一注水系統各評價參數之間對系統節能適宜度的加權表現矩陣及其轉置矩陣：

由式（4）、（5）得到各個注水系統能耗評價的綜合結果：

由評價模型結果可以看出，注水系統1(R1)的整體能耗情況最佳，而注水系統2(R2)和3(R3)能耗情況相對較差，不符合節能標準。由表2可知，雖然注水系統1的注水單耗較高，管網效率較低，但整體的能耗效率要優于另外2個注水系統。

由于注水系統2和注水系統3的配水間的節流損失較大，且注水泵和注水量不相匹配，從而造成配水間的效率和注水泵的運行效率偏低[14]。另外分析水力仿真計算數據可知，注水系統中注水管網的壓差損失均小于1 MPa。而配水間和注水站的壓損最高卻可達到8 MPa，這兩項損失占據整個注水系統能量損失的60%，從而在評價模型中該參數的權重較大，使得注水系統2和注水系統3的最終評分較低。相比之下注水管線的能耗所占的比重相對較小，不會對注水系統整體能耗效率產生較大影響，因此在注水管網改造過程中，注水站和配水間才是研究的重點。基于上述能耗成因分析，可提出如下改造措施[15]：不同型號的注水泵組合優化運行，使泵在高效區運轉；為避免大量的節流損失，可根據油田注水井油壓實際情況，采取整體降壓，局部增壓的方式滿足注水要求。

5　結論

1）調研國內文獻，篩選出注水系統能耗評價關鍵因素，并且結合油田現場實際情況和相關標準給出了評價參數的有利范圍。

2）通過實例分析，可知該方法合理、有效。而且運用模糊層次分析法從整體上評價注水系統的能耗情況，避免了由于個別參數的適宜度(Aij)較差而影響系統的評價結果，能夠為優選注水方案提供科學依據。

3）一般油田評價能耗只是著眼于某一時間段內的消耗電量情況，具有片面性和不準確性。從而無法有效指導油田現場的能耗改造。本文的評價模型將注水系統中的注水站、注水管網和配水間聯系在一起，既有整體，又有局部，從多方面來考察系統能耗情況，對油田管網改造具有一定的指導意義。

4）文中建立的評價方法，可適用于所有油氣管網注水系統能耗效率的系統評價。

[1]林永茂.油田注水系統的模擬、控制、優化及效率分析[D].成都:西南石油學院，2003.

[2]劉萬輝.油田注水系統管網改造專家系統研究[D].大慶:大慶石油學院，2003.

[3]別鋒鋒.油田注水系統規劃優化研究[D].大慶:大慶石油學院，2004.

[4]劉斌.油田注水系統數學建模與控制理論研究[D].青島:中國石油大學(華東)，2007.

[5]梁光川，鄭云萍等.油田地面注水系統效率分析[J].西南石油學院學報，2001，23(2):62-65.

[6]宋玉杰，韓道權.油田注水系統能耗分布規律[J].大慶石油學院學報，2004，2(28):57-58.

[7]石油工業節能節水專業標準化技術委員會.油田生產系統能耗測試和計算方法：SY/T 5264—2012[S].北京：石油工業出版社，2012：15-20.

[8]曾亞勤，魏立軍.油田注水地面系統的測試與計算標準應用[J].低滲透油氣田，2010，15(6):100-103.

[9]周艷美，李偉華.改進模糊層次分析法及其對任務方案的評價[J].計算機工程與應用，2008，44(5):212-214.

[10]Rivas O.Ranking reservoirs for CO2flooding processes[C]// SPE 23641，1992:8-11.

[11]張吉軍.模糊層次分析法(FAHP)[J].模糊系統與數學，2000，14(2):80-88.

[12]張吉軍.模糊一致判斷矩陣3種排序方法的比較研究[J].系統工程與電子技術，2003，25(13):1370-1372.

[13]張吉軍，熊鈺.模糊層次分析法中的評價指標權重算法[J].系統工程，2001，增刊:231-233.

[14]張鵬.油田注水系統能耗損失原因分析及對策[J].石油石化節能，2013(6):55-57.

[15]魏立軍，王林平.提高注水系統效率潛力分析-以長慶油田佳一注注水系統為例[J].石油天然氣學報，2014，36(10): 179-181.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.03.017

2015-12-14

（編輯 賈洪來）

張意，中國石油大學（北京）（油氣儲運工程專業）在讀碩士，從事油氣集輸地面工程研究工作，E-mail: 81897277@qq.com，地址：中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室，102249。