注水泵優化仿真技術研究

顧維靜（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

注水泵優化仿真技術研究

顧維靜（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

油田現有注水系統中，注水量與注水泵不易匹配，水量、電量和泵水單耗波動較大，增加了控制能耗的難度，同時注水泵泵效低于規范要求的節能評價值，影響注水泵排量匹配。通過建立管網仿真模型，水力仿真算法能夠進行環狀、枝狀或者環-枝狀混合管網的精確水力計算，壓力仿真誤差在-5%～6%，水量數據的誤差在-2%～7%，有效地解決了大型管網水力計算收斂性較差的問題，為注水系統的管網改造和優化開泵計算提供了非常重要的數據。

注水泵；優化；仿真

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.003

1 概述

注水泵運行時存在注水泵啟泵臺數變化大，注水量與注水泵不易匹配；注水站注多類別水質，注水泵配置為運或運二備一，注水泵不易與注水量匹配；產能區塊鉆井及新井投產階段，注水量變化較大，影響注水泵啟泵臺數；注水泵泵效低于規范要求的節能評價值，影響注水泵排量匹配[1]。以上現狀加重注水系統運行能耗。

針對普通水系統環狀管網現狀，摸索注水站、配水間、注水井和注入井的匹配規律，通過開發普通水、深度水注水系統模擬仿真軟件，建立注水系統管網水力仿真模型，通過注水系統動態數據及管網結構，確定注水站、配水間及注水井等參數的匹配關系。

2 水力仿真模擬研究

水力仿真模擬研究思路為建立管網水力仿真模型。根據流體力學理論，在復雜管網系統中，考慮到管道串聯、并聯不同的水力特性，根據管路的能量和質量平衡方程，沿管網內水體流動的方向，建立注水管網的水力計算模型。

2.1 管元模型

基于管段能量守恒定律，建立單條管段的仿真模型。如圖1所示為一任意管元i（即單元），內徑為d，與此單元相聯系的節點為k與j。

圖1 管元簡圖

管元i的能量方程，規定水由k流向j，則Hk＞Hj。ΔHi的計算公式為

式中：ΔHi——管元i的壓力損失，MPa；

Hk——節點k的壓力，MPa；

Hj——節點j的壓力，MPa；

Ki——流量系數；

Li——管元長度，m；

Qi——管元流量，m3/s；

α——系數；

d——管線內徑，m；

n——管元粗糙系數，一般n取0.013。

2.2 附屬單元的數學模型

附屬單元主要包括閥門、彎頭和三通，把局部阻力損失換算為當量管長()L當的沿程阻力損失，則附屬單元的局部阻力損失計算公式為

式中：L當——局部阻力換算的當量長度，m；

ΔP——管段壓降，MPa；

Q——管段流量，m3/h；

K——常數。

2.3 管網數學模型

1）枝狀管網。對于枝狀管網中一個連通的管線，串聯的管網，可寫出其能量方程

式中：ΔP1-5——管段壓降，MPa；

Qi——第i個管段的流量，m3/h。

式（3）正負號可按管線的流動方向為正方向來確定。對各節點可寫出連續方程為

此處m為與節點相連的管元數，設從節點流出的流量為正。

2）環狀管網。作為單個閉合環路，因環路的始末端重合，能量方程為

式中：ΔPi——第i條管段的壓降，MPa。

2.4 注水泵模型

注水泵在整個注水系統中起著“源”的作用。國內注水泵基本上都是離心泵，其數學模型可用其特性曲線來表示。描述注水泵運行狀況的主要參數有流量、揚程、實際消耗功率、效率。離心泵的特性曲線描述了這些參數之間的關系，流量與揚程之間的關系、流量與效率之間的關系（圖2、圖3）。

圖2 揚程與流量性能曲線

2.5 注水站的數學模型

注水站在注水系統中起到“源”的作用，其特性可用單臺或多臺注水泵聯合工作特性表示，即將注水站看作1臺“虛擬泵”，應用最小二乘法可以擬合出該“虛擬泵”的運行特性曲線。

圖3 效率與流量性能曲線

2.6 環-枝狀管網水力計算模型研究

基于前人研究的環狀、枝狀水力仿真算法，并且結合節點模型算法的優點，開發環-枝狀水力仿真模型算法[2]。同時為方便處理原始數據，通過圖論法的相關理論可以將復雜的管網結構圖轉換成相應的數學模型，準確的描述管網的各個節點的連接情況。將管網連接結構與流量平衡形成初始化矩陣，同時需考慮液體通過閥門的阻力損失。在完成矩陣的初始化后，求出節點交換流量向量和節點壓力向量，求出各管段流量。經過多次迭代，當目標殘差值小于限制值時，輸出計算結果。

3 水利仿真計算及能耗分析

3.1 水利仿真計算

通過錄入模型邊界條件，實現水力仿真計算。注水管網的屬性數據包括：管段的起點、終點坐標和編號、管長、管徑、管材以及粗糙度等管段參數；節點編號、坐標以及壓力、載荷數據等節點參數。

通過深度水管網計算結果可知，配水間計算壓力與實際壓力數據的誤差在-5%～6%，注水泵計算水量與實際水量數據的誤差在-2%～7%，滿足±15%的誤差要求。

針對油田環-枝狀注水管網，開發出通用型的水力仿真算法，建立了一整套與注水系統相匹配的仿真模型[3]。通過建立能耗分析指標體系，分析水力仿真計算結果，從局部到整體評價管網運行狀態，為管網的優化運行提供依據。

3.2 計算結果能耗分析

油田注水系統耗電量很大，約占油田生產用電量的40%以上。按照注水工藝流程，注水系統的能量消耗大致可以分為四部分：電動機能損、注水泵能損、注水管線能損以及閥組節流能損，剩余的有效能量將被注入地層。

在系統能流中，第一部分能損是電動機能損，這部分能量可以用電動機的效率曲線來描述。油田使用電動機的效率隨電動機輸入功率而變化，最高效率約在96%左右，在注水系統輸入的能量中，有4%的能量由電動機本身損耗了。第二部分能損是注水泵能損，這部分能量可用水泵效率曲線來描述。它隨水泵輸出流量而變化，目前注水泵平均運行效率約為77%，即系統輸入能量中，有20%的能量被注水泵所消耗。第三部分和第四部分能損為管線摩阻損失和閥組節流損失，這部分損失與管網的設計和管理有關。有效能量是將水注入地層所需的能量，這部分能量由油層所要保持的壓力、儲層的性質、油層的動態等因素所決定。

4 結論

1）建立了適用于環-枝狀混合型注水管網的水力仿真模型。相比于傳統的水力仿真算法，該算法適用范圍更廣，同時通過現場數據驗證，該模型具有較高的計算精度，能夠有效地對油田一般水高低壓、深度水管網進行水力仿真模擬。

2）水力仿真模塊、注水泵啟停優化模塊以及能耗分析模塊開發，改善了油田運行生產中產生的系統能耗較大、管網運行工況人工分析滯后、人工編制注水泵啟停方案工作量大等問題，并為現場人員進行管網運行工況判斷，開展節能降耗工作提供了一定幫助。

[1]張意.注水管網水力仿真軟件的開發[J].長江大學學報（自科版），2016（12）：27-32.

[2]韓軍偉，羅玲，黃坤，等.油田注水系統節能技術探討[J].重慶科技學院學報（自然科學版），2011（6）：75-77.

[3]李言章，關泉生.車2井區恒壓注水技術研究與應用[J].新疆石油科技，2001（2）：19-21.

2017-06-20

（編輯 鞏亞清）

顧維靜，2010年畢業于黑龍江科技學院（土木工程專業），從事油田地面設計工作，E-mail：413143929@qq.com，地址：黑龍江省大慶油田第三采油廠規劃設計研究所，163000。