油田注水管网问题诊断及节能潜力预测

宋 奇，庄建全，罗江涛，郑春星

1.中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院 （江苏 扬州 225009）

2.中国石化江苏油田分公司采油二厂 （江苏 淮安 211600）

注水可以有效地补充地层能量，对提高原油采收率，确保油田高产、稳产起到了积极作用，是降低原油开采成本的重要途径。但是，目前我国各油田的注水系统普遍存在效率低、能耗高、能源浪费大的问题。据统计，油田注水耗电量一般占油田总用电量的33%～56%[1]，并且随注水量的增加还将持续上升。

地面注水管网能耗高的主要原因：一是注水管网结构不合理。区块注水能力需要增加时，鉴于新建注水站投入大，一般采用优先改造老站的方法，这就造成老站与当初设计相比，其注水半径变大，干支线增多，致使老站注水负荷增加，管线沿程压力损失变大，系统能耗升高、注水效率下降。二是注水管线普遍存在腐蚀结垢等问题，这一方面增加了管线表面的摩擦系数，另一方面结垢造成管径缩小，最终导致管线节流损失大，造成能量的浪费[2-3]。

多年来，地面注水系统的优化运行主要是靠注水管理人员的经验来实施，难以保证注水系统在优化的状态下工作，致使注水效率较低，注水能耗偏高。因此，油田急需一套方便、快捷、可靠的地面注水管网优化、设计和管理的软件。基于此，拟构建一个注水管网优化评价分析的软件平台，更好地帮助油田注水管理人员对现有注水生产系统进行测试、分析诊断，发现存在的问题，优化注水参数及注水管网，优选作业措施，确保注水生产系统效率最高，降低管网改造和系统运行成本，以达到为油田节能降耗、提质增效的目标。

1 注水管网仿真数学模型的建立

注水管网系统是一个复杂而庞大的水力学系统。从基本组成单元分析，油田注水系统由管线单元（注水干线和注水支线）、节点单元（注水站、配水间、注水井以及管线交点单元）和附属单元（三通、阀门和弯头单元）构成。

1.1 注水管网系统的简化

油田注水系统是大型、非线性、复杂的流体网络系统，首先要对管网进行简化，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[4-5]。

江苏油田注水管网多为枝状管网，管网流程以单管多井工艺居多，故枝状管网的简化策略为：将注水井等分支节点的流量直接上溯叠加到其所属配水间，将该配水间所属注水井井口压力与配水间到注水井的压头损失之和的最大值叠加到该配水间。

式中：Qpei为配水间流量，m3/d；Qjing为注水井井口流量，m3/d；Ppei为配水间压力，MPa；Pjing为注水井井口压力，MPa；hw为配水间到注水井的压力损失，MPa。

如图1所示的注水管网中，共有30个节点，其中有1个注水站节点、6个配水间节点、23个注水井节点。经过简化后，管网系统中的节点数由最初的30个降为最终的7个（图2），即管网系统总体方程的维数由30维降为7维，特性矩阵K由30×30阶矩阵降为7×7阶矩阵。

图1 简化前注水管网

图2 简化后注水管网

1.2 注水管网仿真数学模型的建立

对于一般的油田注水管网系统，对方程的阶次、上机前的准备工作和迭代计算收敛的速度等方面综合比较发现，节点型方程模型最为有效，也就是在管网中任一节点上需要满足连续方程（即节点的流量平衡）。连接此节点的所有单元从节点流出流量之和等于流入该节点的流量（若是消耗则为负值）。对任一节点m有：

式中：i为管线单元编号；k，j为管线单元两端节点编号；Ui为该节点为水源所在节点时的供水量；Qi为该节点为注水井时的配注量；hk，hj为管线单元两端节点压力；Ii为与节点i相邻的节点标号的集合；vi=f(hk-hj,li，di，si)，li，di，si分别为管线单元长度、内径、沿程摩阻系数。

对于一个有n个节点的注水管网，有n个这样的节点方程组成的非线性方程组。但这n个方程中的任一节点方程都可以由其余n-1个方程得出，所以它只有n-1个独立方程。基于这n-1个方程，若注水系统中注水站的供水量、各节点的配注水量已知，可由该方程组求出各节点的压力和各管道的流量。

1.3 油田注水系统效率计算方法

油田注水系统效率等参数依照石油天然气行业标准SY/T 5264—2006《油田生产系统能耗测试和计算方法》中所规定的油田注水地面系统的测试与计算方法进行计算。

1.4 注水井及注水管线问题诊断分析依据

1.4.1 注水井诊断

注水井诊断以配注合格率为主要目标，配注合格率就是单井实际注水量与配注量的比值，它直接反映了该井的配注完成情况，可以准确而有效地判断出该井的实际注水情况。

式中：η合格为配注合格率；Q实注为注水井实际注水量，m3/d；Q配注为注水井配注量，m3/d。

1.4.2 管线诊断

管线诊断以管线内径缩小率为主要判别标准，管线内径缩小率就是管线内径的变化值与新管线内径的比值。

式中：η为管线内径缩小率，%；d为新管线的内径，m；d当量为软件模拟出的管线当量内径，m。

2 注水管网仿真诊断优化评价软件的编制

通过Delphi 7.0编程语言，编制了地面注水管网仿真诊断优化评价软件。该软件平台以油田真实生产数据为初始条件，模拟得到管网各节点及管元的压力、流量参数，计算系统效率及能量损耗。依据仿真结果及生产数据，对注水系统进行工况诊断，分析影响油田注水系统效率的因素，找出不合理因素。在满足油田现有生产实际的前提条件下，对注水管网改造方案进行节能潜力预测，指导油田注水系统设计规划。软件的主界面及功能模块如图3所示。

图3 注水管网仿真诊断优化评价软件界面

3 注水管网评价实例

选取某油田注水系统实例，应用注水管网仿真诊断优化评价软件对其进行仿真计算及工况诊断分析。首先应用软件建立了该注水站注水管网模型，如图4所示，现场收集了2018年4月的生产数据进行模拟计算，具体结果见表1。由表1和表2数据可知，应用软件仿真计算结果与实际测试结果相比，多数节点的计算结果与实际测试结果误差在允许范围内，误差最大值为5.70%。

图4 某注水站注水管网结构图

表1 配水间仿真计算结果

表3为注水管线的诊断结果，根据输入的工况数据计算得到管线的实际压降，拟合得到管线的当量内径，按管线的内径和流量计算管线的理论压降，最后根据判别标准给出评价结果。在油田实际应用中，一般认为当量内径缩小率在15%以内为合理值，由表3中数据可知，注水站到配水间2的注水干线、配水间2到井6-9和井6-39注水支线的管线当量直径与管线内径相比明显大于15%，说明注水管线出现一定的堵塞、结垢现象，亟待改造。

表2 要因确认表

注水井诊断结果见表4，该系统内有欠注井2口，超注井1口，其余井均在正常范围内。

优选改造方案：注水站到配水间2的注水干线、配水间2到井6-9和井6-39注水支线的管线不合格，且井6-9和井6-39没有达到配注量，建议对相应注水管线进行物理或化学清洗，以此降低注水管线压损，提高井6-9和井6-39的注水量。根据管网仿真诊断优化评价平台对清洗后的注水管线进行系统仿真分析，井6-9和井6-39的注水量分别为49 m3/d和31 m3/d，基本达到配注量，该注水站的注水系统效率从43.7%提高到46.5%，提高了2.8%。

4 结论

1）依据注水管网仿真数学模型编制的注水管网仿真诊断优化评价软件，以油田生产数据为初始条件，可实现对现有工况的准确性分析，计算注水管网的各部分运行参数，帮助注水人员及时掌握注水动态。

表3 注水管线诊断结果

表4 注水井诊断结果

2）通过优化计算，可实现对现有注水管网的问题诊断分析评价，据此找出现有注水管网存在的问题，提出相应的优化改造措施，提高改造后节能潜力，对油田生产实际具有一定的指导意义。