注水站分压改造确立合理分压点的方法
【专利摘要】一种注水站分压改造确立合理分压点的方法，设定注水站可在任意压力点进行分压注水，将注水压力3MPa到13.5MPa范围内以0.5MPa为一个间隔设定21个假设分压点；计算各假设分压点分压注水方案注水站输出最小有用功；计算各假设分压注水方案的注水站内机组效率；计算假设分压点分压注水方案注水站的能耗；比对优选最低能耗方案，通过各假设分压点分压注水方案注水站的能耗对比，即可得出若干最低能耗分压注水方案；投资比对优选最优方案，对若干最低能耗分压注水方案的注水站站内注水泵机组的调整改造工程方案和站外管网调整工程方案进行设计，对各方案的投资额度进行对比，即可选择出投资最低能耗最低的注水站分压注水方案。
【专利说明】注水站分压改造确立合理分压点的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种注水站分压改造确立合理分压点的方法，找出注水站分压改造最 低能耗分压点选择的科学途径和理论模板，为高压离心泵注水站分压节能技术改造提供一 条快捷有效合理的途径。
【背景技术】
[0002] 目前油田污水回注模式基本为：采出液在污水站进行油气水分离后污水通过低压 调水系统进入注水站，由高压离心泵站对其进行升压后输至外网各配水间再到单井进行回 注。而在整个过程中，由于各单井地层渗透率差异大，对来水压力需求不一，高低相差大的 甚至能达到lOMPa以上，但注水泵站出口压力为一个恒定的最高需求值，这就导致在整个 系统运行过程中会存在阀控截留，能量损失这一不可避免的环节。在部分注水压力差异大 的系统，能耗损失非常严重，整个系统效率也远低于正常值。目前的高压离心泵站分压改造 技术的核心部分分压点的选择均是通过试算确立，并没有扎实的理论依据和充分的论证。 而在整个分压改造实施的过程中，分压点的确立恰恰是重中之重，它将直接影响到分压改 造节能降耗的效果和整个工程投入的高低。本发明的目的即是通过对各假设分压点分压注 水方案注水站输出最小有用功、注水站内机组效率、注水站能耗的计算方法进行的理论探 讨，找出注水站分压改造最低能耗分压点选择的科学途径和理论模板，为高压离心泵注水 站分压节能技术改造提供一条快捷有效合理的途径。在类似这样的系统中对注水站进行分 压改造就具备了必要性和可行性。本发明即以胜利油田胜利采油厂胜九注水区域为例，阐 述在如何在该区域选择合理分压点进行分压改造才能使得系统能耗最低并且投入最少，效 益最高。也为今后高压离心注水泵站分压注水节能技术改造提供了理论依据。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种注水站分压改造确立合理分压点的方法，克服上述已有 技术存在的缺陷。
[0004] 本发明的技术方案是通过以下方式实现的：
[0005] A、设定注水站可在任意压力点进行分压注水，将注水压力3MPa到13. 5MPa范围内 以0. 5MPa为一个间隔设定21个假设分压点；
[0006] B、计算各假设分压点分压注水方案注水站输出最小有用功；计算注水站在每一个 假设分压点下进行分压注水时高压系统的注水量和低压系统的注水量，通过高低压注水系 统的注水压力和注水量推算出每一个假设分压点分压注水方案注水站需要输出的最小有 用功；
[0007] C、计算各假设分压注水方案的注水站内机组效率，对每一个假设分压注水方案匹 配一套注水泵机组，按照不同排量离心泵泵效曲线求得每套方案的注水泵泵效，取恒定电 机效率，即可计算出每一个假设分压注水方案的注水站内机组效率；
[0008] D、计算假设分压点分压注水方案注水站的能耗，通过每一个假设分压点分压注水 方案注水站需要输出的最小有用功和注水站内机组效率即可计算出每一个假设分压点分 压注水方案注水站的能耗；
[0009] E、比对优选最低能耗方案，通过各假设分压点分压注水方案注水站的能耗对比， 即可得出若干最低能耗分压注水方案；
[0010] F、投资比对优选最优方案，对若干最低能耗分压注水方案的注水站站内注水泵机 组的调整改造工程方案和站外管网调整工程方案进行设计，对各方案的投资额度进行对 t匕，即可选择出投资最低能耗最低的注水站分压注水方案。
[0011] 最小有用功的计算步骤：
[0012] 计算注水站泵压
[0013] 每口注水井的方案改造后预测注水井需求注水站泵压的计算方法如下：
[0014] Pf = Δ P+Py = Pb-Pg+Py
[0015] 其中：Pf -方案改造后预测注水井需求注水站泵压，单位MPa ;
[0016] ΔΡ---目前注水站到配水间的实际管损，单位MPa ;
[0017] Pb目前注水站泵压，单位MPa ;
[0018] Pg目前配水间干压，单位MPa ;
[0019] Py目前注水井配水间油压，单位MPa。
[0020] 计算注水量
[0021] 各假设分压点分压改造方案高低压系统水量计算公式如下：
[0022] Qg (X) = Qj (X ?χ+0· 5) +Qj (χ+0· 5 ?x+1)......+Qj (13 ?13. 5)
[0023] Qd (X) = Q j (0 ?3) +Q j (3 ?3. 5) +Q j (3. 5 ?4)......+Q j (χ-〇· 5 ?x)
[0024] 其中：Qg(x)-假设改造方案高压系统注水量，单位m3 ;
[0025] Qd (X)-假设改造方案低压系统注水量，单位m3 ;
[0026] Qj (X?χ+0· 5)---分布于对应假设分压点X至x+0. 5MPa区间的单井水量，单位 m3；
[0027] X----假设改造方案高低压系统分压点，单位MPa。
[0028] 计算最小有用功
[0029] 各假设分压点注水方案高低压部分输出的最小有用功。
[0030] ffg = Qg (x) X 13. 5
[0031] ffd = Qd (x) X x
[0032] ffy = ffg+ffd
[0033] 其中：Wg表示系统对高压部分水量提升到13. 5MPa所做的功，单位J
[0034] Wd表示系统对低压部分水量提升到X所做的功，单位J
[0035] Wy表示注水站输出的最小有用功，单位J
[0036] 机组效率计算步骤：
[0037] 拟合出两条任意排量情况下的泵效曲线图（图5图6)
[0038] 根据目前国内目前生产各型号离心泵排量-泵效对应关系，拟合出两条任意排量 情况下泵效曲线图（DF160上下泵排量-泵效对应关系变化大）。
[0039] DF160 以下：y = 18. 411η(χ)+24· 03，
[0040] DF160 以上：y = 0· 217χ+74· 91
[0041] 其中：y表示理论泵效
[0042] X表示泵排量（X为0?500范围内的任意排量）
[0043] 泵型优选和泵效计算
[0044] 根据两条拟合曲线，假设某分压点泵排量需求为Am3(A>500)，两台泵排量分别为 Zm3和Ym3,则可以得到以下关系：Z+Y = A(Z、Y彡500)，两台泵泵效则为：# = {[(18.411 η(Ζ)+24· 03] ΧΖ+(0· 217Y+74. 91) XY}/A,或者 # = {[(18. 411η(Ζ)+24· 03] ΧΖ+[(18· 411 η(Υ) +24. 03] ΧΥ} /Α,
[0045] 其中：#表示不同泵型组合后的理论排量
[0046] Ζ、Υ分别表示两台泵的排量
[0047] 经推导可得出，当ΖΧΥ最小时，泵效最大，即泵效#与2仏-幻成反比，因此在泵 组合时应选择排量最大和最小的两种泵进行匹配，在现有的技术条件下，其中一台泵排量 为500m 3/h泵，另一台则为需求排量的剩余部分。
[0048] 分压点最低能耗计算
[0049] 各假设分压点注水站的总能耗即电机的输入功的计算方法：
[0050] N = ffy/ # (x)
[0051] 其中：N为注水站总能耗，单位J
[0052] Wy为之前计算所得注水站输出最小有用功，单位J。
[0053] # (X)为假设分压点X的机组效率。
[0054] 通过计算得出各假设分压点注水站总能耗：
[0055] 将各假设分压点总能耗乘以注水站标准标耗得到其耗电量，
[0056] q = NXO. 2697kff · h/m3MPa〇
[0057] 其中：q为耗电量，单位kW· h
[0058] N为注水站总能耗，单位J
[0059] 0· 2697kW · h/m3MPa为计算所得标准标耗
[0060] 当假设分压点为10. 0MPa、llMPa时，耗电量相对较低，分别为76789kW*h/天、 77036kW · h/天。
[0061] 本发明的优点是：通过对各假设分压点分压注水方案注水站输出最小有用功、注 水站内机组效率、注水站能耗的计算方法进行的理论探讨，找出注水站分压改造最低能耗 分压点选择的科学途径和理论模板，为高压离心泵注水站分压节能技术改造提供一条快捷 有效合理的途径
【专利附图】
【附图说明】
[0062] 图1-注水流程示意图
[0063] 图2-注水实际需求泵压范围正态分布图
[0064] 图3_水量-假设分压点关系图
[0065] 图4-各假设分压点泵站输出做功统计图
[0066] 图5-注水排量每小时160立方以下泵效曲线图
[0067] 图6-注水排量每小时160立方以上泵效曲线图
[0068] 图7-各假设分压点注水站总能耗曲线图
[0069] 图8-各假设分压点水量-日耗电-分压点关系图
[0070] 图1中A-注水总站B-注水分站C-配水间1、2、3_注水井号。
【具体实施方式】
[0071] 为进一步公开本发明的技术方案，下面结合说明书附图通过实施例作详细说 明：
[0072] 本发明的技术方案是通过以下方式实现的：
[0073] A、设定注水站可在任意压力点进行分压注水，将注水压力3MPa到13. 5MPa范围内 以0. 5MPa为一个间隔设定21个假设分压点；
[0074] B、计算各假设分压点分压注水方案注水站输出最小有用功；计算注水站在每一个 假设分压点下进行分压注水时高压系统的注水量和低压系统的注水量，通过高低压注水系 统的注水压力和注水量推算出每一个假设分压点分压注水方案注水站需要输出的最小有 用功；
[0075] C、计算各假设分压注水方案的注水站内机组效率，对每一个假设分压注水方案匹 配一套注水泵机组，按照不同排量离心泵泵效曲线求得每套方案的注水泵泵效，取恒定电 机效率，即可计算出每一个假设分压注水方案的注水站内机组效率；
[0076] D、计算假设分压点分压注水方案注水站的能耗，通过每一个假设分压点分压注水 方案注水站需要输出的最小有用功和注水站内机组效率即可计算出每一个假设分压点分 压注水方案注水站的能耗；
[0077] E、比对优选最低能耗方案，通过各假设分压点分压注水方案注水站的能耗对比， 即可得出若干最低能耗分压注水方案；
[0078] F、投资比对优选最优方案，对若干最低能耗分压注水方案的注水站站内注水泵机 组的调整改造工程方案和站外管网调整工程方案进行设计，对各方案的投资额度进行对 t匕，即可选择出投资最低能耗最低的注水站分压注水方案。
[0079] 具体实施例：
[0080] 一、注水站分压节能技术改造合理分压点确立方法
[0081] (一）计算各假设分压点分压注水方案注水站输出最小有用功
[0082] 1、各注水井需求注水泵压的计算
[0083] 胜九注水站将坨二联合站处理的污水通过高压离心泵升压至13. 5MPa后输至各 配水井，由配水井分配至各单井（如图1)。其中各（支）干线、单井管线均存在管网损失， 配水间存在阀控损失。为方便研究问题，从源头开始，对方案改造后预测各注水井需求注水 站泵压进行计算。由于分压注水方案实施前后各（支）干线直径、长度、流量、流速、材质均 按照油田注水管网设计标准进行设计，因此可以认为注水站分压改造前后各注水井管损一 致。那么，每口注水井的方案改造后预测注水井需求注水站泵压的计算方法如下：
[0084] Pf = Δ P+Py = Pb-Pg+Py
[0085] 其中：Pf -方案改造后预测注水井需求注水站泵压，单位MPa ;
[0086] ΔΡ---目前注水站到配水间的实际管损，单位MPa ;
[0087] Pb目前注水站泵压，单位MPa ;
[0088] Pg目前配水间干压，单位MPa ;
[0089] Py目前注水井配水间油压，单位MPa。
[0090] 经过计算得出每口注水井方案改造后预测注水泵压，按照注水泵压每0.5MPa为 一个间隔区间，可以得到注水井在需求注水泵压压力区间的井数正态分布图。从图2中可 以看到，胜九注各个注水泵压压力区间基本都有注水井井存在，分布相对较为分散。
[0091] 2、各假设分压点分压注水方案高低压注水量的计算
[0092] 注水泵压在3MPa到13. 5MPa范围内以0. 5MPa为一个间隔设定21个假设分压点， 按照上述注水泵压压力区间的井数正态分布，对各假设分压点的高低压部分水量分别进行 统计，注水井的注水实际需求泵压小于（等于）假定分压点的井水量计入低压系统，注水井 的注水实际需求泵压大于假定分压点的水量计入高压系统，各假设分压点分压改造方案高 低压系统水量计算公式如下：
[0093] Qg (X) = Qj (X ?χ+0· 5) +Qj (χ+0· 5 ?x+1)......+Qj (13 ?13. 5)
[0094] Qd (X) = Q j (0 ?3) +Q j (3 ?3. 5) +Q j (3. 5 ?4)......+Q j (χ-〇· 5 ?x)
[0095] 其中：Qg(x)-假设改造方案高压系统注水量，单位m3 ;
[0096] Qd (X)-假设改造方案低压系统注水量，单位m3 ;
[0097] Qj(x?x+0. 5)---分布于对应假设分压点X至x+0. 5MPa区间的单井水量和，单位 m3；
[0098] X----假设改造方案高低压系统分压点，单位MPa。
[0099] 通过计算，得到各假设分压点分压改造方案高低压系统水量分布（如图3)。为下 一步注水站输出最小有用功的计算奠定基础。
[0100] 3、各假设分压点分压注水方案注水站输出最小有用功的计算
[0101] 掌握在各假设分压点注水方案分压的状况下，高低压部分的水量和提升压力需 求，根据标耗的计算方法：1方水提升IMPa所做的功，可以得到各假设分压点注水方案高低 压部分输出的最小有用功（如图4)。
[0102] ffg = Qg (x) X 13. 5
[0103] ffd = Qd (x) X x
[0104] ffy = ffg+ffd
[0105] 其中：Wg表示系统对高压部分水量提升到13. 5MPa所做的功，单位J
[0106] Wd表示系统对低压部分水量提升到X所做的功，单位J
[0107] Wy表示注水站输出的最小有用功，单位J
[0108] (二）各假设分压注水方案的注水站内机组效率的计算
[0109] 在第一大部分的研究中，我们从外网各单井注水的实际需求出发，顺着单井一配 水间一注水站的方向，排除阀控节点的损失，计算得到了分压改造后各假设分压点注水站 需要做的最小有用功。但这个功还只是理论需求，泵站运行时存在电机效率、泵效和泵干压 差三个因素影响，而泵干压差在分压改造前后变化小，对系统整体研究的影响基本可以忽 略；电机效率经考察目前国内的水平基本都在96%左右，这两个因素不作为本文研究的对 象，下步我们对站内的泵效作深入研究。
[0110]目前，在16MPa注水系统里，我国多级离心泵发展水平基本情况为：在运行相对平 稳的条件下，排量可以最高达到500m3/h，泵型越大，理论泵效越高，最高可以达到83%。而 我们之前对分压改造后高低压水量的计算表明，部分假设分压点水量可能大于500m 3/h，这 时，我们就需要通过两个合理排量的泵的组合来满足注水需求，因此如何确定合理的泵型 组合，以求栗效最商、能耗最低是下步研究的关键所在。我们分二步研究：
[0111] 1、各假设分压注水方案注水站泵型的匹配
[0112] 各假设分压点值确定后，根据相应高低压部分水量计算泵瞬时排量需求值（见表 1)。当排量小于等于500m 3/h时，使用单个多级离心泵即可；当排量大于500m3/h时，需用两 台泵进行匹配组合满足排量需求。
[0113] 表1各假设分压点泵瞬时排量需求值
[0114]
【权利要求】
1. 一种注水站分压改造确立合理分压点的方法，本发明的技术方案包括以下内容： A、 设定注水站可在任意压力点进行分压注水，将注水压力3MPa到13. 5MPa范围内以 0. 5MPa为一个间隔设定21个假设分压点； B、 计算各假设分压点分压注水方案注水站输出最小有用功；计算注水站在每一个假 设分压点下进行分压注水时高压系统的注水量和低压系统的注水量，通过高低压注水系统 的注水压力和注水量推算出每一个假设分压点分压注水方案注水站需要输出的最小有用 功； C、 计算各假设分压注水方案的注水站内机组效率，对每一个假设分压注水方案匹配一 套注水泵机组，按照不同排量离心泵泵效曲线求得每套方案的注水泵泵效，取恒定电机效 率，即可计算出每一个假设分压注水方案的注水站内机组效率； D、 计算假设分压点分压注水方案注水站的能耗，通过每一个假设分压点分压注水方案 注水站需要输出的最小有用功和注水站内机组效率即可计算出每一个假设分压点分压注 水方案注水站的能耗； E、 比对优选最低能耗方案，通过各假设分压点分压注水方案注水站的能耗对比，即可 得出若干最低能耗分压注水方案； F、 投资比对优选最优方案，对若干最低能耗分压注水方案的注水站站内注水泵机组的 调整改造工程方案和站外管网调整工程方案进行设计，对各方案的投资额度进行对比，即 可选择出投资最低能耗最低的注水站分压注水方案。
2. 根据权利要求1所述的一种注水站分压改造确立合理分压点的方法，其特征在于： 每一个假设分压点分压注水方案注水站需要输出的最小有用功是通过计算出的注水站泵 压和注水量算出的； 每口注水井的方案改造后预测注水井需求注水站泵压的计算方法为： Pf= Δ P+Py =Pb-Pg+Py 其中：Pf---方案改造后预测注水井需求注水站泵压，单位MPa ; ΛΡ-目前注水站到配水间的实际管损，单位MPa ; Pb目前注水站泵压，单位MPa ; Pg目前配水间干压，单位MPa ; Py目前注水井配水间油压，单位MPa ; 各假设分压点分压改造方案高低压系统水量计算方法为： Qg (X) = Qj (X ?χ+〇· 5) + Qj (χ+0· 5 ?x+1)......+Qj (13 ?13. 5) Qd (X) = Qj (0 ?3) + Qj (3 ?3. 5) + Qj (3. 5 ?4)......+Qj (χ-〇· 5 ?x) 其中：Qg (x)---假设改造方案高压系统注水量，单位m3; Qd (X)-假设改造方案低压系统注水量，单位m3; Qj(x?x+0. 5) 分布于对应假设分压点X至x+0. 5MPa区间的单井水量和，单位m3; X――假设改造方案高低压系统分压点，单位MPa ; 各假设分压点注水方案高低压部分输出的最小有用功计算方法为： ffg= Qg (x) X 13. 5 ffd= Qd (x) Xx Wy= Wg+ Wd 其中：Wg表示系统对高压部分水量提升到13. 5MPa所做的功，单位J Wd表示系统对低压部分水量提升到X所做的功，单位J Wy表示注水站输出的最小有用功，单位J。
3. 根据权利要求1所述的一种注水站分压改造确立合理分压点的方法，其特征在于： 每一个假设分压注水方案的注水站内机组效率是通过拟合出两条任意排量情况下的泵效 曲线图算出的； 根据目前国内目前生产各型号离心泵排量-泵效对应关系，拟合出两条任意排量情况 下泵效曲线图（DF160上下泵排量-泵效对应关系变化大）； DF160 以下：y = 18. 411η (X) + 24.03， DF160 以上：y = 0· 217χ + 74. 91 其中：y表示理论泵效 X表示泵排量（X为0?500范围内的任意排量） 根据两条拟合曲线，假设某分压点泵排量需求为Am3 (A>500)，两台泵排量分别为Zm3 和Ym3,则可以得到以下关系：Z+Y=A(Z、Y彡500)，两台泵泵效则为：# ={[(18·411η(Ζ)+2 4. 03] ΧΖ+(0· 217Υ+74. 91) ΧΥ}/Α,或者 # ={[(18. 411η(Ζ)+24· 03] ΧΖ+[(18· 411η(Υ)+24 .03] ΧΥ}/Α， 其中：#表示不同泵型组合后的理论排量 Ζ、Υ分别表示两台泵的排量。
4. 根据权利要求1所述的一种注水站分压改造确立合理分压点的方法，其特征在于： 每一个假设分压点分压注水方案注水站的能耗是通过以下方法算出的； 算出各假设分压点注水站的总能耗即电机的输入功： N=ffy/ φ (x) 其中：N为注水站总能耗，单位J Wy为之前计算所得注水站输出最小有用功，单位J 步（X)为假设分压点X的机组效率 通过计算得出各假设分压点注水站总能耗 将各假设分压点总能耗乘以注水站标准标耗得到其耗电量： q=NX0. 2697 kff · h / m3MPa ； 其中：q为耗电量，单位kW*h N为注水站总能耗，单位J 0. 2697kW · h/ m3MPa为计算所得标准标耗 当假设分压点为10. OMPa、1 IMPa时，耗电量相对较低，分别为76789 kW · h/天、 77036kW · h/天。
【文档编号】E21B43/20GK104060973SQ201410173554
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】高国强, 王欣辉, 黄佳博, 谢文献, 李永强, 刘涛, 贺东旭, 张长春 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司胜利采油厂