注水井能效狀況評價方法與分析

雷鈞，周杰，濮新宏，于博，趙英，范俊杰，賀三，鄧志強

1.中國石油長慶油田分公司技術監測中心 （陜西 西安 710021）

2.西南石油大學石油與天然氣工程學院 （四川 成都 610500）

油田注水是采油生產過程中最重要的工作之一，能夠有效地補充地層的能量，對提高原油采收率，確保油田高產、穩產起到了積極作用[1]。據統計，注水耗電量約占油田生產用電的33%～56%。隨著油田進入高含水期開發階段，注水量大幅度增加，注水能耗急劇上升，注水系統運行狀況的日趨復雜，新投注水井及設備的維護、管網改造等現象普遍存在，僅依靠工作人員的經驗來控制注水系統的運行已難以滿足優化系統、降低經濟成本的要求。為此，大量學者開展油田注水系統優化節能降耗方面的研究，以解決油田注水系統的高效優化和降耗問題，提高油田企業經濟效益[2-9]。

注水系統的節能監測規范GB/T 31453—2017《油田生產系統節能監測規范》規定了各項評價指標的限定值，由于油田現場的需求，不少學者也開展了注水系統評價指標的研究。周勇等根據新疆油田注水系統特點，從系統、單元、設備3個層級，構建了包含3大類8項指標的評價指標體系，對新疆油田6套注水系統進行了評價[10]；阮巖等按注水站出口壓力和泵額定排量分級，建立了管網損失率作為注水系統能耗評價指標，通過該評價指標反映注水系統管網能耗[11]，此外，他們還建立了以站效作為泵站能耗監測評價指標[12]。由于現有評價方法沒有指標反映注水能耗高的注水井，根據能量守恒定律，得出單井輸入功率與單井單位注水量電耗的關系，對注水井之間進行節能程度比較，找出能耗異常的注水井。

1 注水系統節能評價方法

單位注水量電耗是注水系統每注入1 m3水的耗電量，表明注水系統對輸入電能的利用情況。目前關于單位注水量電耗的限定值與節能評價值還沒有規定，因此需要找出單位注水量電耗與注水系統的有效輸入流量和壓力之間的關系，從理論上找出異常注水井。

1.1 理論分析

對于任意的注水系統，每一口注水單井，都可以劃分為單臺注水泵連接單口注水井的模型，只是每口井連接泵的輸入功率與井口輸入功率不同，如圖1所示。

圖1 單泵單井模型

在GB/T 33653—2017《油田生產系統能耗測試和計算方法》中[13]，規定了站內管線損失能量為回流損失能量為入功率為；泵入口水攜帶的能量為

其中q為注水站個數，m為注水系統的注水井總數量。

在單泵單井模型中，q和r都為1。根據能量守恒定律，單井單位注水量電耗與單井輸入功率之間的關系如式(1)：

式中：y為注水井單位注水量電耗，kW·h/m3；NMini為注水系統中第i個單泵單井模型的注水泵電動機輸入功率，kW；Nmpi為注水系統中第i個單泵單井模型的注水泵機組的功率損失，kW；PPouti為注水系統中第i個單泵單井模型的注水泵出口壓力，MPa；PSouti為注水系統中第i個單泵單井模型的注水站出站壓力，MPa；Gpi為注水系統中第i個單泵單井模型的注水泵流量，m3/h；Grsi為注水系統中第i個單泵單井模型的回流量，m3/h；NPVi為注水系統中第i個單泵單井模型的注水管網損失功率，kW；Pwi為注水系統中第i個單泵單井模型的注水壓力，MPa；Gwi為注水系統中第i個單泵單井模型的注水流量，m3/h；PPinz為注水系統中第i個單泵單井模型的注水泵入口折算壓力，MPa。

注水系統的耗電量可直接獲得，但大多數單井井口前沒有安裝測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。當注水管線比較短，地形起伏差異比較小時，單井單位注水量電耗與單井的流量呈線性關系。因此，單井的單位注水量電耗采用流量配比的方式，將系統的單位注水量電耗分配到每一口井上，注水井單位注水量電耗由式（2）、（3）計算：

式中：MJW為注水系統單位注水量電耗，kW·h/m3；m為注水系統的注水井總數量；λi為注水系統中第i口注水井的注水量與注水井總流量的比例。根據GB/T 33653—2017《油田生產系統能耗測試和計算方法》，注水單井的輸入功率由單井注水壓力與單井注水流量計算，如式（4）所示。

式中：x為單井輸入功率，kW；Pwi為注水系統中第i個單泵單井模型的注水壓力，MPa；Gwi為注水系統中第i個單泵單井模型的注水流量，m3/h。

在注水系統單泵單井模型當中，單井輸入壓力Pwi為變量，其余與單井輸入壓力Pwi無關的常量可以看成常數，則單井輸入功率與單井單位注水量電耗的關系如式（5）所示。

式中：k為單井輸入流量的倒數，h/m3；c為與單井輸入壓力無關的常數。單井輸入功率與單井單位注水量電耗線性關系如圖2所示。圖2中，斜率的物理意義為單井井口流量的倒數；截距的物理意義為單位注水量功率消耗，即單位注水量泵機組損失功率+單位注水量站內管線損失+單位注水量回流損失+單位注水量注水管網損失-泵入口水帶來的功率。

圖2 單井輸入功率與單井單位注水量電耗線性關系

1.2 評價方法

對輸入能量相同的注水井，直接比較注水井的實際單位注水量電耗值，單位注水量電耗值越小越節能。

圖3 單耗節能率計算示意圖

對輸入能量不同的注水井，引入單耗節能率進行判斷。單耗節能率由式（6）計算，單耗節能率越大，則更節能。單耗節能率計算示意圖如圖3所示。

式中:α為單耗節能率，%；y0為注水系統中第i口注水井理論上所需要的單位注水量電耗，kW·h/m3；yi為注水系統中第i口注水井實際的單位注水量電耗，kW·h/m3。

2 節能評價方法的應用

2.1 測試對象與測試方法

A注水系統測試時：1臺注水泵機組運行，下轄注水閥組21座，注水井47口，停注12口，測試時實際注水35口，配注量718 m3/d。

B注水系統測試時：3臺注水泵機組運行，注水泵機組中，1#、2#注水泵機組配置變頻裝置。注水泵電機裝機容量660 kW，注水泵理論注水能力77 m3/h，下游注水閥組33座，注水井67口，停注2口，測試時實際注水65口，配注量1 077 m3/d。

注水系統的測試和計算嚴格按照GB/T 33653—2017《油田生產系統能耗測試和計算方法》進行，測試期間各測試點壓力波動不大，各測試流量基本穩定，符合監測條件要求。

2.2 數據計算

A注水系統的單井壓力在5.1～20.2 MPa，單井流量在0.24～1.26 m3/h。計算井口輸入能量與單井單位注水量電耗并作圖，其散點圖如圖4所示。

圖4 A注水系統單井單位注水量電耗

采用線性擬合的方式獲得兩者的線性表達式，如式（7）所示：

B注水系統單井壓力在10.6～19.2 MPa，單井流量在0.29～1.58 m3/h。計算出井口輸入功率與單井單位注水量電耗并作圖，如圖5所示。

采用線性擬合的方式獲得兩者的線性表達式，如式（8）：

圖5 B注水系統單井單位注水量電耗

從圖4、圖5可以看出：兩個注水系統的注水井輸入功率與單井單位注水量電耗呈現明顯的線性關系，且線性擬合度均在95%以上，理論分析結果與現場數據結果吻合。

3 結果分析

3.1 A注水系統

A注水系統中有1口井的井口流量為零，19口注水井的實際單位注水量電耗值小于其擬合的單位注水量電耗值，15口井的實際單位注水量電耗值大于其擬合的單位注水量電耗值。

對于A注水系統，除停注和井口輸入功率為零以外的注水井，按照公式（6）計算每一口井的單耗節能率α，結果見表1。其中，H 46-51井的單耗節能率α最大，即為最節能的注水井；H 47-61井的單耗節能率α最小，說明該注水井是最不節能的注水井。

表1 A注水系統注水井節能程度排名

通過A注水系統的現場數據可知，H47-61井的配注量為0.58 m3/h，井口壓力5.1 MPa，H47-61的單井輸入功率為0.82 kW，理論上所需的單井單位注水量電耗為2.2 kW·h/m3，而實際上的單井單位注水量電耗大于2.2 kW·h/m3，因此H 47-61井為不節能的注水井。A注水系統的注水井配水間的平均管壓為17.7 MPa，H 47-61井的配水間管壓為5.3 MPa，由于H 47-61井配水間管壓過小，導致井口輸入功率過低，可在該井口加裝小型撬裝增壓泵提高注水壓力，從而提高注水系統效率。

3.2 B注水系統

B注水系統中有2口井的井口流量為零，23口注水井的實際單位注水量電耗值小于其擬合的單位注水量電耗值，40口井的實際單位注水量電耗值大于其擬合的單位注水量電耗值。

對于B注水系統，除停注和井口能量為零以外的注水井，按照公式（6）計算每一口井的單耗節能率α，結果見表2。其中Z 43-7井的單耗節能率α最大，即為最節能的注水井；Z 44-4井的單耗節能率α最小，說明該注水井是最不節能的井口。

表2 B注水系統注水井節能程度排名

經現場數據分析，Z 44-4井的配注量為0.42 m3/h，井口壓力10.6 MPa，不能滿足生產注入要求，井口輸入功率過低導致不節能。

通過B注水系統的現場數據可知，Z 44-4井的配注量為0.42 m3/h，井口壓力10.6 MPa，Z 44-4的單井輸入功率為1.17 kW，理論上需要的單井單位注水量電耗為2.57 kW·h/m3，而實際上的單井單位注水量電耗大于2.57 kW·h/m3，因此Z 44-4井為不節能的注水井。在B注水系統當中，Z 44-4井的井口壓力最低，井口輸入功率過低導致不節能，可在該井口加裝小型撬裝增壓泵提高注水壓力，從而提高注水系統效率。

4 結論

1）利用單井輸入功率與單井單位注水量電耗的線性關系可對注水井之間進行節能評價。

2）在A注水系統中，H 46-51井的單耗節能率α最大，即為最節能的注水井；H 47-61井的單耗節能率α最小，即為最不節能的井口。

3）在B注水系統中，Z 43-7井的單耗節能率α最大，即為最節能的注水井；Z 44-4井的單耗節能率α最小，即為最不節能的井口。

4）利用單井輸入功率與單井單位注水量電耗線性關系可以找出注水能耗高的注水井，分析其原因并采取相應措施提高注水效率，從而提高整個注水系統的效率。