基于单井单位注水量电耗的注水系统评价方法

陈立达杨济源 王翀 贺三 邓志强

（1.辽河油田分公司安全环保技术监督中心；2.西南石油大学石油与天然气工程学院）

注水是油田开发中普遍采用的一种行之有效的保持地层压力、提高采油速度和采收率的重要措施[1]，而国内大油田的注水系统普遍效率低，与国外先进水平差距很大，能源浪费非常严重。据统计，注水耗电量约占我国油田生产用电的33%～56%[2]，因此，提高注水系统效率、实现节能降耗迫在眉睫。为此，大量学者开展油田注水系统降低能耗方面的研究，以解决油田注水系统的降耗问题，提高油田企业经济效益[3-6]。梁晶等对油田注水系统常用能耗指标进行分析、对比，选取适用的能耗评价指标，并对影响指标的因素进行定性、定量的分析，得出影响因素与指标之间的关系[7]。王吉福等通过计算某油田注水系统能耗，分析注水高能耗原因，提出了注水泵变频改造、更换小排量注水泵、优化注水管网等对策[8]。宋玉杰等建立了注水系统的能耗模型，分析了油田地面注水系统的能量分布情况，采用树状管网简化技术，计算和测试了喇嘛甸油田高压管网的流量和压力，得出了油田注水能耗分布规律和节能降耗对策[9]。

目前对同一注水系统进行节能评价时，不同条件下的指标数值往往不能直接对比出好坏[10]；因此，需找出一个节能评价指标，对同一注水系统进行连续监测，实现降低能耗。基于能量守恒定律，对注水系统内的单井输入功率与单井单位注水量电耗进行分析，从而了解注水系统的运行情况。

1 注水系统节能评价方法

1.1 理论分析

对于任意的注水系统，以注水井与注水泵为单元，将每口注水井划分为单台注水泵连接单口注水井的模型，即单泵单井模型，如图1所示。

图1 单泵单井模型

根据能量守恒定律，在单泵单井模型中，单井单位注水量电耗与单井输入功率之间的关系如式（1）所示：

式中：y为注水井单位注水量电耗，kWh/m3；Nmini为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵电动机输入功率，kW；Nmpi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵机组的功率损失，kW；Ppouti为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵出口压力，MPa；Psouti为注水系统中第i个单泵单井模型的注水站出站压力，MPa；Qpi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵流量，m3/h；Qrsi为注水系统中第i个单泵单井模型的回流量，m3/h； NPVi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水管网损失功率，kW；Pwi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水压力，MPa；Qwi为注水系统中第i个单泵单井模型的注水流量，m3/h；Ppinz为注水系统中第i个单泵单井模型的注水泵入口折算压力，MPa。

目前，注水系统的耗电量可直接获得，但大多数单井井口前没有安装测量单井单位注水量电耗的仪表，无法直接获取单井单位注水量电耗。因此，单井单位注水量电耗采用流量配比的方式将系统单位注水量电耗分配到每一口井上，注水井单位注水量电耗由式（2）、式（3）计算：

式中：MJW为注水系统单位注水量电耗，kWh/m3；m为注水系统的注水井总数量；λi为注水系统中第i口注水井的注水量与注水井总流量的比例。注水单井的输入功率由式（4）计算：

式中：x为单井输入功率，kW。

在注水系统单泵单井模型中，单井输入压力Pwi为变量，其余与单井输入压力Pwi无关的常量可以看成常数，则单井输入功率与单井单位注水量电耗的关系如式（5）所示，单井输入功率与单井单位注水量电耗线性关系如图2所示。

图2 单井输入功率与单井单位注水量电耗线性关系

式中：k为单井输入流量的倒数，1/（m3·h-1）；n为与单井输入压力无关的常数。

斜率表示单井井口流量的倒数；截距表示单位注水量功率消耗，即单位注水量泵机组损失功率、单位注水量站内管线损失、单位注水量回流损失与单位注水量注水管网损失之和减去泵入口水带来的功率。

1.2 评价方法

节能是一个相对的概念，从理论上而言，在同一系统或者相同基准条件下系统才能互相比较：对于同一系统进行比较，系统的运行参数、监测地点要求一致；对于不同系统之间进行比较，系统的结构参数、运行参数应该相似。

因此，该指标对于同一系统的不同运行状态的评价会比不同系统的评价更具适用性。

1.2.1 注水系统节能评价指标

由单井的注入能量与单位注水量电耗的公式可知，直线截距的物理意义是注水系统的单位注水量能量消耗，表明了注入单位水量所需要消耗的功率。对于拟合的曲线，截距越大，注入单位水量所需要消耗的功率也越大；反之，截距越小，注入单位水量所需要消耗的功率也越小。因此，可将截距作为注水系统间节能程度评价的指标。

1.2.2 注水系统节能评价分级

一般情况下，一个合适的评价指标需要使用大量现场数据并结合一定的数理统计方法来获得，但由于目前的数据量有限，无法采用统计方法。因此，引用覆盖率的概念，依照被监测对象70%以上合格、20%优良的原则，计算得到限定值。

2 节能评价方法的应用

2.1 测试对象与测试方法

注水系统的测试和计算严格按照GB/T33653《油田生产系统能耗测试和计算方法》进行[11]，测试期间各测试点压力波动不大，各测试流量基本稳定，符合监测条件要求。

测试注水系统有注水井119口，系统压力19MPa，日注水量3800m3，覆盖11个开发单元。不同开发单元间储层物性差异较大，造成水井注水压力（5～23MPa）需求差别较大，注水单耗为9.2kWh/m3。

2.2 数据计算

1）测试期间有4台注水泵运行，实际注水井88口，注水站回流流量0m3/h，出口流量139.625 m3/h，出口压力20.4MPa，效率为54.43%；注水系统输入能量1490.375kW，输出能量572.44kW，损失能量917.935kW。各项损失占的比例如图3所示，单井输入功率与单井单位注水量电耗之间的关系如图4所示。

图3 2016年6月30日注水系统能量损失分布

图4 2016年6月30日单井单位注水量电耗

从图4可以看出，注水井能量与注水井单位注水量电耗呈现明显的线性关系。因此，采用线性拟合的方式获得两者的线性表达式如下：

2）测试期间有3台注水泵运行，实际注水井95口，注水站回流流量0m3/h，出口流量154.67m3/h，出口压力19.2MPa，效率为54.32%；注水系统输入能量1554.42kW，输出能量602.50kW，损失能量951.92kW。各项损失占的比例如图5所示，单井输入功率与单井单位注水量电耗之间的关系如图6所示。

图5 2016年12月31日注水系统能量损失分布

图6 2016年12月31日单井单位注水量电耗

从图6可以看出，注水井能量与注水井单位注水量电耗呈现明显的线性关系。因此，采用线性拟合的方式获得两者的线性表达式如下：

3）测试期间有3台注水泵运行，实际注水井96口，注水站回流流量0m3/h，出口流量115.5m3/h，出口压力18.1MPa，效率为49.71%；注水系统输入能量1204.75kW，输出能量512.45kW，损失能量692.3kW。各项损失占的比例如图7所示，单井输入功率与单井单位注水量电耗之间的关系如图8所示。

图7 2017年6月30日注水系统能量损失分布

图8 2017年6月30日单井单位注水量电耗

从图8可以看出，注水井能量与注水井单位注水量电耗呈现明显的线性关系。因此，采用线性拟合的方式获得两者的线性表达式如下：

4）测试期间有3台注水泵运行，实际注水井94口，注水站回流流量0m3/h，出口流量145.46m3/h，出口压力18.1MPa，效率为54.47%；注水系统输入能量1378.75kW，输出能量561.32kW，损失能量817.43kW。各项损失占的比例如图9所示，单井输入功率与单井单位注水量电耗之间的关系如图10所示。

图9 2017年12月31日注水系统能量损失分布

图10 2017年12月31日单井单位注水量电耗

从图10可以看出，单井输入功率与单井单位注水量电耗呈现明显的线性关系。因此，采用线性拟合的方式获得两者的线性表达式如下：

3 结果分析

注水系统在不同日期的各部分能量损失如表1所示。

表1 测试注水系统各部分能量损失

由表1可知，在注水系统中泵机组损失能量是最大的，其次是注水管网损失能量，站内管线损失能量较小。2016年6月30日，测试注水系统有4台注水泵运行，故站内管线损失能量较大；而2017年6月30日，测试注水系统效率最高，此时的注水管网损失能量最小。

综上所述，注水井输入功率与单井单位注水量电耗呈现明显的线性关系，线性拟合度达0.8以上，现场数据结果与理论分析结果相符。测试注水系统不同日期单井输入功率与单井单位注水量电耗关系式见表2。

表2 测试注水系统不同日期关系式

由表2可知，2017年12月31日直线截距最大；此时注入单位水量所需要消耗的功率也最大，2016年6月30日直线截距最小，此时注入单位水量所需要消耗的功率也最小。

图11 单井输入功率与单井单位注水量电耗直线汇总

由图11可知，被测注水系统的单井输入功率与单井单位注水量电耗直线的截距为0～1kWh/m3。依照被监测对象70%以上合格、20%优良的原则，则截距的合格限定值为0.7kWh/m3，截距的节能限定值为0.2kWh/m3，低于节能限定值为节能状态，低于合格限定值为合格状态。2016年6月30日，被测注水系统为节能状态，其余日期被测的为合格状态。

4 结论

1）注水井输入功率与单井单位注水量电耗呈现明显的线性关系，线性拟合度达0.8以上，现场数据结果与理论分析结果相符。

2）被测注水系统的单井输入功率与单井单位注水量电耗直线的截距的合格限定值为0.7kWh/m3，截距的节能限定值为0.2kWh/m3。