注水系统效率研究与应用.ppt

提高油田注水系统效率 实现节能降耗 目录 国内外注水系统状况油田注水地面工程系统影响油田注水系统效率和能耗的因素油田注水系统优化运行模型研究提高油田注水系统效率 实现节能降耗提高油田注水系统效率 降低注水能耗的发展方向 国内外注水系统状况 一般认为注水能延长油田寿命 对油田开发具有重要意义 1924年 第一个 五点井网注水 方案在宾夕法尼亚的布拉德福德 Bradford 油田实施 直到20世纪50年代初 注水才得到广泛应用 我国陆上油田采用常规的注水方式开发 平均采收率只有33 左右 大约有2 3的储量仍留在地下 而对那些低渗透油田 断块油田 稠油油田等来说采收率还要更低些 因而提高原油采收率是一项不容忽视的工作 而如何有效提高注水效果迫在眉睫 国内外注水系统状况 经过40多年的实践 我国已经形成一套较完整的技术体系和配套技术 油田的规模随着勘探开发日益扩大 与此同时 油田含水率也持续攀升 大部分油田含水率高达70 90 据统计 截至至2003年底 全国各油田平均综合含水率已达84 1 其中含水率超过80 已进入高含水后期的油田 可采储量占全国的68 7 我国油田绝大部分采用注水开发 对于低渗透油田尤其重要 陆上油田中 注入水系统是生产系统的重要组成部分 它担负着稳油控水 增产高产 保持地层能量的重要任务 同时 注水本身也是能耗大户 据统计 注水耗电一般占整个油田总耗电量的33 56 同国外相比 我国油田注水不仅工艺落后 而且注水系统平均效率也比较低 因此 降低注水用电增长速度 研究节能降耗措施 提高油田经济效益刻不容缓 国内外注水系统状况 注水方式是指注水井在油藏中所处的部位以及注水井和生产井之间的排列关系 也指注水井在油田的布局和油水井的相对位置 目前国内外油田采用的注水方式主要有 边缘注水切割 行列 注水面积注水 国内外注水系统状况 边缘注水 把注水井布置在油水过渡带附近缘外注水 注水井布置在外油水边界缘上注水 注水井布置在油水过渡带上缘内注水 注水井布置在内油水边界 国内外注水系统状况 切割注水 行列式注水 利用注水井排将油藏切割成面积较小 能成为独立的开发区域的注水方式 国内外注水系统状况 切割注水 行列式注水 利用注水井排将油藏切割成面积较小 能成为独立的开发区域的注水方式 A 轴线注水 注水井沿构造轴线布置B 环状切割注水 注水井按照环状分布 水井布在0 4R处 C 中央注水 沿R 200 300m周围上布4 6口注水井 中央布1 2口油井 国内外注水系统状况 面积注水 把注水井按照一定的几何形状均匀地布置在整个开发区域上 1 正方形井网系统 A 直线系统 B 反五点井网 C 反九点井网 D 反七点井网 国内外注水系统状况 面积注水 把注水井按照一定的几何形状均匀地布置在整个开发区域上 2 三角形井网系统 A 直线系统 B 反七点井网 C 反九点菱形井网 国内外注水系统状况 选择注水方式主要以油田开发经验 油田地质特征 油藏构造特征和油层物性为依据 油藏类型 油水过渡带大小 地层原油粘度 地层水粘度 储集层类型 储层物性 地层非均质性 油水过渡带 断层的展布等 国内外注水系统状况 目录 国内外注水系统状况油田注水地面工程系统影响油田注水系统效率和能耗的因素油田注水系统优化运行模型研究提高油田注水系统效率 实现节能降耗提高油田注水系统效率 降低注水能耗的发展方向 油田注水地面工程系统 油田注水地面工程系统是一个将高压注水泵提供的能量由地面工程网络输送 分配到各注水井以满足地层驱替能量需要的能量分配体系 一般由注水站 注水管网 配水间 注水井等基本单元组成 其中注水站中的主要设备是注水泵和驱动注水泵的电机 注水管网主要由管线 阀门 三通 弯头等组成 油田注水地面工程系统 在油田注水系统中 水是由专门的水源供给 在各个供水水源 水经过过滤 沉淀等工序处理 使其满足注水井对水质的要求 然后由供水泵将水输送到注水站的水罐中 水罐中的水经过注水站中注水泵的加压 注入到注水管网中 然后到达各个配水间 在配水间通过阀门控制使来水的流量分别达到各个注水井的配注流量之后 由配水间控制流向各个注水井 经由各个注水管柱 最后由配水嘴喷出 注入到地层中 油田注水地面工程系统 注水井 目前在我国的油田中 主要有以下五种典型的注水流程 单管多井配水流程 油田注水地面工程系统 单管单井配水流程 油田注水地面工程系统 水源来水 双管多井配水 油田注水地面工程系统 增压注水 油田注水地面工程系统 分压注水 油田注水地面工程系统 由于一般油田区域分布广泛 注水管网复杂庞大 注水井的数目也比较多 因此 一个油田的注水系统往往不只有一个注水站或一个配水间 而是有多个注水站 多个配水间 在一个注水站内也不一定只有一台注水泵 加上备用泵通常有一到两台注水泵 甚至有三台之多 对于配水间 根据所处的地理位置和配注方案的要求 配水间又可分为单井配水间 三井配水间 五井配水间和七井配水间等多井配水间 油田注水地面工程系统 注水泵 离心泵 柱塞泵注水泵在整个注水系统中起着 源 的作用 注水泵的数学模型可用其特性曲线来表示 描述注水泵运行状况的主要参数有 流量 扬程 实际消耗功率 效率 泵的特性曲线描述了这些参数之间的关系 它们是 流量与扬程之间的关系 流量与效率之间的关系 流量与实际消耗功率之间的关系 油田注水地面工程系统 注水泵的理论特性曲线一般由生产厂家给出 但是在实际工作中 由于多种因素的影响 致使注水泵的实际工作特性曲线与理论特性曲线之间存在较大差别 通常情况下 注水泵的的实际工作特性曲线很难精确给出 实际应用时可以 用定性分析的办法 了解各种损失对理论特性的影响 从而确定实际性能曲线的形状 由现场实测数据用最小二乘法进行曲线拟合 求出拟合系数 油田注水地面工程系统 1 H Q 扬程 流量 性能曲线 离心泵扬程 m 离心泵体积流量 拟合系数 常数 H 1852 206 0 002203Q2 油田注水地面工程系统 2 Q 效率 流量 性能曲线 73 301 0 000958 Q 250 2 离心泵的效率 离心泵体积流量 离心泵达到最高效率点时的流量 常数 拟合系数 常数 油田注水地面工程系统 3 N Q 功率 流量 性能曲线 离心泵的轴功率 kW 离心泵扬程 m 离心泵体积流量 离心泵效率 单位转换系数 油田注水地面工程系统 往复泵的扬程是依靠往复运动的活塞 将机械能以静压形式直接传给液体 因此 往复泵的扬程与流量无关 这是它与离心泵不同的地方 实际扬程仅取决于管路系统的需要和泵的能力 即它应该包括水的静扬程高度HST 吸 压水管中的水头损失之和 包括出口的流速水头 h 因此 H HST h 米 往复泵的特性曲线图 其扬程与流量无关 理论上应是平行于纵坐标轴H的直线 但实际上因液体难免没有泄露 且随泵的扬程增加 泄露也严重 所以 实际的特性曲线如图中虚线所示 油田注水地面工程系统 三柱塞注水泵性能指标 油田注水地面工程系统 五柱塞注水泵性能指标 油田注水地面工程系统 往复泵与离心泵比较 油田注水地面工程系统 枝状管网 环状管网 管道恒定流 无论是单管或与管网相联的管元都由质量守恒和能量守恒定律导出的代数方程来定量描述 3 1油田注水系统效率计算方法3 1 1电动机运行效率3 1 2注水泵运行效率3 1 3注水管网运行效率3 1 4注水系统效率3 2影响油田注水系统效率的因素3 2 1电动机3 2 2注水泵3 2 3注水管网 影响油田注水系统效率和能耗的因素 影响油田注水系统效率和能耗的因素 由于油田注水系统是多个以注水站为中心的多节点不规则的网状系统 因此 计算分析系统效率时必须对全系统进行全面的调查测试 不能以部分数据代表全系统 数据应是系统单元的全集 油田注水地面系统效率测试和单耗计算可按照中华人民共和国石油天然气行业标准SY T5265 1996 油田注水地面系统效率测试和单耗计算方法 执行 影响油田注水系统效率和能耗的因素 一般说来 注水系统效率由注水泵效率 电机效率和注水管网效率三项乘积而得 为了更好地分析各注水单元的运行效率 可将注水管网效率进一步细化为注水干管效率 配水效率 注水单井管线效率的乘积 从而得到如下的注水系统效率计算公式 式中 系统注水总效率 注水电机运行效率 注水泵运行效率 注水干管运行效率 配水效率 注水单井管线效率 影响油田注水系统效率和能耗的因素 注水系统能量流动模型 3 1油田注水系统效率计算方法按照中华人民共和国石油天然气行业标准 油田注水地面系统测试和单耗计算方法 SY T5265 1996 油田注水系统效率由三个方面决定 1 电动机运行效率2 注水泵运行效率3 注水管网运行效率 影响油田注水系统效率和能耗的因素 3 1 1电动机运行效率电动机运行效率 测量法 式中 电动机效率 电动机输入功率 KW 电动机线电流 A 电动机线电压 kV 电动机功率因数 电动机空载功率 kW 电动机定子直流电阻 k 损耗系数 一般取0 01 影响油田注水系统效率和能耗的因素 电动机平均运行效率 式中 电动机平均功率 第i台电动机输入功率 kW 第i台电动机效率 三 影响油田注水系统效率和能耗的因素 3 1 2注水泵运行效率注水泵与电动机直接连接时 轴功率按下式计算 式中 注水泵轴效率 kW 注水泵效率计算 a 流量法 式中 注水泵效率 kW 注入泵流量 m3 h 泵进口压力 MPa 泵出口压力 MPa 影响油田注水系统效率和能耗的因素 b 热力学法 式中 泵进口水温 泵出口水温 等熵温升值 注水泵平均运行效率 式中 注水泵平均功率 第i台注水泵输入功率 kW 第i台注水泵效率 影响油田注水系统效率和能耗的因素 3 1 3注水管网运行效率注水管网运行效率计算 式中 管网运行效率 第i口注水井井口压力 MPa 第i口注水井注水量 m3 h 第i台注水泵出口压力 MPa 第i台注水泵流量 m3 h 注水泵流量用热力学方法测量时 按下式计算 影响油田注水系统效率和能耗的因素 3 1 4注水系统效率注水系统效率按下式计算 式中 注水系统效率 油田 区块 注水系统平均效率按下式计算 式中 油田 区块 注水系统平均效率 第i个注水注水系统效率 第i个注水注水系统的注水泵电动机输入功率 kW 影响油田注水系统效率和能耗的因素 3 1 5注水系统单耗计算 影响油田注水系统效率和能耗的因素 式中 注水系统单耗 kWh m3 注水系统电动机耗电量 kWh 注水系统注水量 m3 注水站单耗 注水泵机组单耗计算同理 3 2影响油田注水系统效率的因素 某油田注水系统能耗百分图 注水系统能流模型图 影响油田注水系统效率和能耗的因素 影响油田注水系统效率和能耗的因素 3 2 1电动机功率因数是影响电机运行效率的主要因素 对于异步电机电源 相当于一个电阻和一个电感串联负荷 因此功率因数总是小于1 下图是电机YK1800 2 990电机功率因数 电机效率随负荷系数的变化图 影响油田注水系统效率和能耗的因素 显然 空载时 功率因数很低 一般为0 2左右 当负载增加时 功率因数很快上升 当接近额定负载时 功率因数达到最大值 另外 电动机的效率随负荷的减少而降低 特别是负荷率低于50 以后电动机效率下降得更快 因此 电动机的负载是影响功率因数和电机效率的关键因素 油田注水系统电机与注水泵不配套 造成 大马拉小车 现象 使功率因数降低 电机效率降低 能耗加大 另外 降低电机绕阻和降低空载电流也能有效减小电机无功功率 提高电机运行效率 影响油田注水系统效率和能耗的因素 3 2 2注水泵 油田注水系统包括 注水泵系统离心泵和柱塞泵系统 离心泵损失与叶轮级数 泵管压差 截流损耗有关 柱塞泵损失是由泄漏损失 充填损失 机械摩擦和粘性摩擦引起 影响油田注水系统效率和能耗的因素 3 2 3注水管网注水管网由管线 阀门 弯头 三通等组件组成 注水管网的总损失 管线的沿程摩阻泵水间节流损失单井管线损失阀门 弯头 三通等的局部损失 目录 国内外注水系统状况油田注水地面工程系统影响油田注水系统效率和能耗的因素油田注水系统优化运行模型研究提高油田注水系统效率 实现节能降耗提高油田注水系统效率 降低注水能耗的发展方向 油田注水系统优化运行模型研究 4 1建立目标函数4 2约束条件4 2 1节点流量平衡约束4 2 2供 注水量平衡约束4 2 3注水压力约束4 2 4供水量约束4 2 5注水泵排量约束4 3解算方法 四 油田注水系统优化运行模型研究 从不同的建模机理出发 可以建立不同类型的注水管网系统数学模型 其种类主要有节点型方程模型 环路型方程模型和管道型方程模型等几种 对于一般的油田注水管网系统 从方程的阶次 上机前的准备工作量和迭代计算收敛的速度等多方面综合比较分析发现 节点型方程模型最为有效 四 油田注水系统优化运行模型研究 4 1建立目标函数在建立油田注水系统模型之前 必须确定模型解决的最终目的是什么 进而确定模型的目标函数 建立油田注水系统模型是为了在现有技术和设备条件下提高注水系统效率 降低注水单耗 达到降低油田注水用电量 提高经济效益的目的 提高系统效率 降低注水单耗具体落实在油田注水系统的开泵方案和开泵机组的排量上 四 油田注水系统优化运行模型研究 目标函数可表示为 式中 注水站数量 单位转换系数 第i座注水站内注水泵数量 i 1 2 m 注水泵开停方案向量 其表达式为 其中表示第i座注水站内第j台注水泵的开停方案 1为开启 0为停止 注水泵排量向量 其表达式为 其中表示第i座注水站内第j台注水泵的排量 第i座注水站内第j台注水泵的出口压力 入口压力 第i座注水站内第j台注水泵的效率 电机效率 四 油田注水系统优化运行模型研究 4 2约束条件4 2 1节点流量平衡约束对于注水管网中的任一节点 在任一时刻和时间区间内流向该节点的流量必然等于从该节点流出的流量 它们之间保持平衡 如图所示 流进和流出节点的流量有三种类型 与该节点相邻管元的流量 该节点的用水量 该节点为水源时的供水量 节点i的流量平衡图 四 油田注水系统优化运行模型研究 节点流量平衡方程为 式中 节点i的输入流量 节点i的输出流量 管网中与节点i相连的节点标号集合 节点i输往节点j的流量 管网中的节点总数 四 油田注水系统优化运行模型研究 4 2 2供 注水量平衡约束注水泵的总供水量与各注水井的总注入量之间应保持平衡 即满足 式中 Sp为注水井节点集合 四 油田注水系统优化运行模型研究 4 2 3注水压力约束为了保证来水能够顺利注入地层 注水井的来水压力应该不低于注水井所要求的最低压力 即满足 式中 pi为管网系统中第i节点的注水压力 p 为注水压力约束许用值 四 油田注水系统优化运行模型研究 4 2 4供水量约束为了保证系统能够正常运行 各注水站排量应该在其供水能力范围内 即满足 式中 i 1 2 m j 1 2 npi 第i座注水站供水量约束的上限 第i座注水站供水量约束的下限 4 2 5注水泵排量约束对于已经开启的注水泵 其排量必须满足最小和最大排量限制 即 四 油田注水系统优化运行模型研究 式中 i 1 2 m j 1 2 npi 第i座注水站内第j台注水泵的最大排量 第i座注水站内第j台注水泵的最小排量 四 油田注水系统优化运行模型研究 4 3解算方法在注水系统运行方案优化数学模型中 注水泵开停方案变量属于0 1变量 注水泵排量属于连续变量 目标函数和约束条件包含有设计变量的非线性函数关系 因此该优化问题属于非线性混合变量优化设计问题 对于中等规模的注水系统 设计变量的数目一般达几十个甚至上百个 等式和不等式约束条件的数目多达几百个甚至上千个 因此对其进行直接求解是十分困难的 四 油田注水系统优化运行模型研究 4 3解算方法从前面的分析中可知 所形成的管网系统总体方程的维数达几千维 对于这样大型的非线性方程组 在求解时要占用大量的计算机内存 大大降低运算速度 有时甚至造成方程组无法求解 所以 在解算注水管网系统总体方程之前 首先对管网进行简化 也就是对管网系统的总体方程进行降维或降阶处理 同时保留揭示原系统本质特征的主要信息 解非线性方程组常用的方法有 简单迭代法 牛顿法和拟牛顿法 四 油田注水系统优化运行模型研究 混合遗传算法针对该问题 提出了分层次优化的求解策略 也提出了采用全局优化度和初值鲁棒性能较高的混合遗传算法 混合遗传算法的求解策略是将问题划分为两层 第一层通过遗传算法确定注水泵的最佳开停方案 第二层在注水泵开停方案给定的基础上确定其最优运行参数 以尽快获得求解 四 油田注水系统优化运行模型研究 大系统理论也有学者提出大系统理论 将整个注水系统分解为一系列子系统 然后应用大系统理论中的关联平衡法进行迭代求解 为提高系统模型计算速度 采取模型简化技术 降低系统特性矩阵的维数 并改进了常规的迭代计算方法 避免 0 元素的存储 和计算 将计算工作量从二次方级降到一次方级 四 油田注水系统优化运行模型研究 运用系统工程理论 拓扑学方法 数字仿真和优化技术进行提高油田注水地面工程系统效率技术研究的基本原理 通过建立数学模型 简化节点联接 设定约束条件 以注水单耗最低为目标函数 建立柱塞泵注水系统运行参数优化的数学模型 应用改进的约束变尺度法求解 给出优化的开泵方案 实现注水能量资源的合理分配 达到提高油田注水地面工程系统效率的目的 目录 国内外注水系统状况油田注水地面工程系统影响油田注水系统效率和能耗的因素油田注水系统优化运行模型研究提高油田注水系统效率 实现节能降耗提高油田注水系统效率 降低注水能耗的发展方向 提高油田注水系统效率 实现节能降耗 1电动机选择2注水泵选择3管网规划与设计4注水系统运行参数调节4 1变频调速4 2液力耦合器调速4 3节流节能5其他5 1机动间歇注水技术5 2同步电动机在注水系统中的应用 节能降耗和管网改造基本上从电动机 注水泵 管网三方面采取相应措施 1电动机选择注水站内由于设备 管线腐蚀穿孔等原因 经常泄漏污水 尽量选用高效节能型电机 结合油田实际情况 合理选型 例如 污水温度高 蒸发快 使空气中含有大量盐份 空气中腐蚀性强 易侵入电机内使线圈受潮增大电阻 加大了无功损失 使电机效率降低 因此 设计时应尽量选用全封闭式上水冷电机 要与注水泵合理匹配 避免造成电机损耗大 无功功率损失等问题 提高油田注水系统效率 实现节能降耗 2注水泵选择如果是高压 低渗透 小断块油田 其注水量小 少数油田区块若选用离心泵 泵效达不到高效区的标准要求 则优先选用柱塞泵 其在水力性能 泵效 漏失量等方面都较离心泵优越 泵效可达80 90 而且运行灵活 调节水量方便 比使用离心泵节能效果明显 大港油田就属于这种情况 合理选用大排量 高转速比离心注水泵 各油田在早期由于注水量较小 大多使用小排量注水泵 提高油田注水系统效率 实现节能降耗 改造泵的水力部件 改善泵的水力性能 即 调泵的级数 车削泵的叶轮 打磨泵的流道 选用耐腐蚀材料 采用环氧树脂工程塑料来提高表面光洁度 更换与叶轮不匹配的导翼 这六种改造措施在一定范围内可有效地提高泵效 胜利油田早期对6D1002150型注水泵通过改进叶轮 导叶的水力模型 打磨流道等措施 使泵效由62 5 提高到72 0 以上 提高注水泵的运行效率 可采用大小泵合理搭配 尽量减少回流 使泵的排量与实际注水量匹配相当 稳定在高效区运行 达到节能的目的 提高油田注水系统效率 实现节能降耗 3管网规划与设计做好规划设计 注水站尽量布置在注水管辖区的中心位置 注水半径应为5km之内 将注水泵到注水井口的压力损失控制在1MPa之内 对于边远区块油田 可采用小站注水流程 减少因高压管线过长 使管网沿程阻力损失增大 提高油田注水系统效率 实现节能降耗 3管网规划与设计分区分压 局部增压 注水系统管辖区内不同注水井的吸水能力不同 造成注水压力差别较大 为迎合部分高压井而被迫提高整个管网的注水压力则节流损失将大大增加 这时应把高压井和低压井区别对待 采取高压井与低压井分设管网 分别使用或共用低压泵供水 对高压井增设增压泵等 提高油田注水系统效率 实现节能降耗 提高油田注水系统效率 实现节能降耗 3管网规划与设计降低管网磨损 合理选择注水管管径 超过管网经济流速1 0 1 8m s 则使管网磨损加大 能耗增加 降低管道内壁粗糙度 管网磨损与其粗糙系数的平方成正比 由于油田注入水水质腐蚀性较强 注水管的制造应采用耐腐蚀材料并采用防腐工艺 改善注入水水质 在注入污水之前 采取一系列工艺措施对污水进行处理 或在注水管中加入缓蚀剂 防垢剂等 尽量减少局部阻力损失 提高油田注水系统效率 实现节能降耗 3管网规划与设计相邻泵站注水主管线并联成网 使站与站之间形成流量互补 相互平衡注水系统 从而减少开泵台数 加强注水系统的运行管理 在保证注 采体积平衡的前提下 利用非均衡注水的特点 有计划地将用电尖峰负荷转移到用电低谷使用 4注水系统运行参数调节油田注水系统各个注水井的吸水能力和配注量不同 同时还要保证注水井测试 洗井等用水 因此 在实际生产中注水量波动较大 为适应注水量的波动 实现恒压注水 需要频繁调整注水泵的运行方式 4 1变频调速采用变频调速器把频率为50Hz的市电变频率可调的三相交流电作为三相异步电动机的变频电源 实现电动机的无级调速 从而调节注水泵排量 省去了传统机械变速装置 同时 变频器使电动机转速调节范围增大 在不同的场合均可得到良好的控制性能 提高油田注水系统效率 实现节能降耗 大港油田庄达注水站在6KV电压800KW电动机上采用变频调速技术取得稳压注水和良好的节能效果 实现恒压注水 节能降耗 在生产中 由于注水系统的不稳定 使得泵站压力经常发生变化当压力超过或低于规定值时 若无变频调速 只能靠人为地启停泵来调节压力 很难达到工艺要求 提高自动化管理水平 变频调速装置具有完善的保护功能及故障检测显示功能 当系统出现故障时其故障系统将自动显示故障部位并报警 同时将系统自动关闭 保证系统安全运行 变频器供电 自动稳定出力 完全改变电动机原有的满载 空载周期性变化的工作方式 使工作处于恒定负载状态 提高油田注水系统效率 实现节能降耗 4 2液体耦合器调速 P1液力耦合器输入功率 即电机轴功率 P2输出功率 即机泵轴功率 PH电机额定功率Ps液力耦合器运转中损失功率液力偶合器输入转速为n1 输出转速为n2 转速比i n2 n1 P1 i2PHP2 i3PHPs P1 P2液力耦合器调速运行曲线 提高油田注水系统效率 实现节能降耗 如今 国内正在研制注水泵用调速液力偶合器 作为传动部件 它不仅可以传送输入与输出端相同的转矩 还可以改变输出端的转矩 达到节能的目的 液力偶合器传动时 液力元件内部依靠液体传递能量 无机械联接 因而传动性能柔和 具有很好的防震和隔震作用 有利于延长由电动机到注水泵全部设备的使用寿命 具有无级调速的特性 对电动机和注水泵起过载保护作用 可使注水泵起步平稳 加速均匀 迅速 易于实现操作简单化和自动化但其传动损失较机械传动大 需配备供油和冷却系统 结构较复杂 制造成本较高 提高油田注水系统效率 实现节能降耗 4 3节流节能注水系统的注入流量在生产中是变化的 当需注水流量较小时 在保证注水压力满足要求的情况下 能减少注入流量就是节能 根据离心泵特性曲线可知 在节流