張意　張浩然（中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室）

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基于模糊層次分析法的注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)

張意張浩然（中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室）

由于國(guó)內(nèi)油田大部分處于開發(fā)后期，需要通過(guò)注水來(lái)維持地層壓力以提高原油采收率。而就注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)國(guó)內(nèi)外尚未深入開展理論研究，亟需形成一套切實(shí)有效的相應(yīng)評(píng)價(jià)體系，為優(yōu)選注水方案提供參考依據(jù)，達(dá)到油田節(jié)能降耗的目的。從注水系統(tǒng)能耗分布規(guī)律出發(fā)，篩選出影響注水能耗的關(guān)鍵指標(biāo)，并且根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻(xiàn)，建立各評(píng)價(jià)參數(shù)的優(yōu)良范圍。最后，利用模糊層次分析法構(gòu)建注水系統(tǒng)節(jié)能評(píng)價(jià)模型，為現(xiàn)場(chǎng)注水方案整體能耗分析和高效快速的定量評(píng)價(jià)提供科學(xué)決策依據(jù)。

注水系統(tǒng)；能耗評(píng)價(jià)；模糊層次分析法

1　引言

1954年玉門油田首先采用注水驅(qū)油以來(lái)，國(guó)內(nèi)各大油田陸續(xù)進(jìn)行油田注水開發(fā)，保持油田長(zhǎng)期穩(wěn)定高產(chǎn)。目前，各大中型油田開采中形成了較為完善的油田地面注水系統(tǒng)。隨著油田進(jìn)入開采后期，注水量隨之大幅度增加，注水費(fèi)用在原油生產(chǎn)成本中所占比例日趨增高。

基于油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，科研人員針對(duì)注水系統(tǒng)降耗方面開展了大量研究。林永茂等人開發(fā)了包括注水系統(tǒng)控制，注水效率分析等功能模塊的軟件[1]，并對(duì)新疆油田某區(qū)塊進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果提出改造意見(jiàn)。別峰峰等人研究注水系統(tǒng)優(yōu)化，在專家系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上開發(fā)出管網(wǎng)系統(tǒng)改造軟件[2]，用于評(píng)測(cè)模擬改造后的運(yùn)行效果。劉斌等人根據(jù)注水系統(tǒng)各個(gè)結(jié)構(gòu)單元的效率計(jì)算方法和數(shù)學(xué)建模相關(guān)知識(shí)，提出注水系統(tǒng)控制理論[3]，及相應(yīng)開發(fā)軟件，與油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)相符合，具有較高準(zhǔn)確性。目前高校、科研機(jī)構(gòu)主要集中于研究能耗計(jì)算、管網(wǎng)優(yōu)化、系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行等方面[4]。然而忽略了注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)方面的深入研究，只是停留在單因素的分析，無(wú)法給出合理、全面的注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)結(jié)果。因此，開發(fā)油田注水系統(tǒng)效率計(jì)算軟件，分析影響注水系統(tǒng)效率的因素，并提供相應(yīng)的整體能耗評(píng)價(jià)結(jié)果，優(yōu)化注水工藝，合理匹配注水設(shè)備，對(duì)提高注水系統(tǒng)效率，降低注水成本，提高油田開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益有現(xiàn)實(shí)意義。

2　注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選及計(jì)算方法

油田注水系統(tǒng)主要由注水站、注水管網(wǎng)、配水間和注水井4部分組成（圖1）。注水站包括電動(dòng)機(jī)、注水泵等動(dòng)力裝置。配水間的主要功能在于利用閥組節(jié)流，滿足注入壓力。

圖1　注水系統(tǒng)流程

油田注水系統(tǒng)耗電量大，約占整個(gè)油田生產(chǎn)用電量的50%[5]。根據(jù)上述注水系統(tǒng)流程圖，可將注水系統(tǒng)的能量消耗分為3大部分：注水站的能損、注水管網(wǎng)的能損、配水間的能損。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中注水系統(tǒng)中能耗損失分布規(guī)律[6]（圖2），其中注水站的能量損失以電動(dòng)機(jī)和注水泵機(jī)組的損失為主；注水管網(wǎng)能損以沿程摩阻為主；配水間的能量主要消耗于閥組節(jié)流，以滿足注入壓力。由于注水井的能耗相對(duì)于其他部分較小，且對(duì)實(shí)際能耗評(píng)價(jià)影響不大，故不考慮注水井的能耗情況。

圖2　注水系統(tǒng)能流模型

2.1注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算公式

注水系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)輸入功率及效率、注水泵輸入（輸出）功率及效率、注水管網(wǎng)效率等指標(biāo)計(jì)算公式參見(jiàn)SY/T 5264—2012《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法》[7]。

2.2能耗評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)，并且結(jié)合我國(guó)的油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[8]，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)表，見(jiàn)表1。

表1　能耗評(píng)價(jià)參數(shù)

3　構(gòu)建多因素評(píng)價(jià)模型

3.1確定能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊隸屬函數(shù)及適應(yīng)度矩陣

在確定能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊隸屬度時(shí)，首先確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的最好和最壞的參數(shù)，如圖從而對(duì)每一套注水系統(tǒng)i的每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)j的值Pij?？赏ㄟ^(guò)下面的公式計(jì)算適宜度初值[9]。

式中：xij——適宜度值；

Pij——指標(biāo)實(shí)際參數(shù)值；

Paj——指標(biāo)優(yōu)良值；

Pbj——指標(biāo)合格值。

但對(duì)不同注水系統(tǒng)進(jìn)行綜合節(jié)能評(píng)價(jià)時(shí)，采用適應(yīng)度值xij，其取值范圍為（0，1）。該式反映出當(dāng)注水系統(tǒng)能耗越高時(shí)，相應(yīng)指標(biāo)的適宜度值就會(huì)越大。為使其符合指標(biāo)接近理想值時(shí)，適宜度初值越大，并且增大同一系統(tǒng)中不同因素之間的差異，因此引入下式[10]：

同樣aij的取值范圍為（0，1）。當(dāng)aij越接近于1時(shí)代表評(píng)價(jià)指標(biāo)越優(yōu)良，從而aij構(gòu)成了注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)模糊適宜度矩陣A。該矩陣的行和列分別反映參與評(píng)價(jià)的注水系統(tǒng)的所有評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)注水節(jié)能模糊適宜度大小和不同注水系統(tǒng)是否已評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)注水節(jié)能模糊適宜度的對(duì)比情況。

3.2同一注水系統(tǒng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

由于同一套注水系統(tǒng)的不同參數(shù)對(duì)于注水能耗的影響效果不一樣，有的參數(shù)的變化（例如配水間閥組節(jié)流增大）會(huì)導(dǎo)致整套注水系統(tǒng)的能耗急劇增加；而有的參數(shù)由于在總能耗中所占的比例較小，即使波動(dòng)較大也不會(huì)對(duì)節(jié)能評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生影響。模糊適宜度矩陣A僅僅反映的是單一的評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)注水系統(tǒng)節(jié)能的適宜性，為單因素評(píng)價(jià)，無(wú)法反映不同評(píng)價(jià)參數(shù)之間的相對(duì)重要程度。要想對(duì)注水系統(tǒng)進(jìn)行能耗綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)還必須得確定不同評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)注水系統(tǒng)節(jié)能的響應(yīng)系數(shù)，即權(quán)重。參考文獻(xiàn)中的模糊層次分析法[11]，通過(guò)建立模糊判斷矩陣以及一系列的計(jì)算方法得到不同評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重。

用模糊數(shù)量標(biāo)度表建立表示兩兩參數(shù)之間重要程度對(duì)比的模糊優(yōu)先判斷矩陣（F）。如下所示。

通過(guò)公式將優(yōu)先關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)換為模糊判斷矩陣R(rij)。

在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，選擇精度高，收斂速度快的冪法[12]計(jì)算排序向量（權(quán)重） Wij。

通過(guò)該方法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，可以避免當(dāng)模糊判斷矩陣R不是一致矩陣的情況[13]，簡(jiǎn)化了計(jì)算步驟，并且具有同樣的求解精度，目前已經(jīng)廣泛運(yùn)用于各領(lǐng)域。

3.3綜合評(píng)價(jià)注水系統(tǒng)能耗

對(duì)不同注水系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)是對(duì)各注水系統(tǒng)能耗整體情況的評(píng)價(jià)。模糊適宜度矩陣A和指標(biāo)權(quán)重的乘積反映了同一注水系統(tǒng)評(píng)價(jià)參數(shù)之間對(duì)節(jié)能的適宜性的加權(quán)表現(xiàn)，即

式（4）的加權(quán)向量與其轉(zhuǎn)置矩陣的乘積則體現(xiàn)不同的注水系統(tǒng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的對(duì)比情況，式（5）和（6）可得到各個(gè)注水系統(tǒng)能耗整體情況的綜合評(píng)價(jià)和排序，其綜合評(píng)價(jià)結(jié)果用Ri來(lái)表示，即

4　實(shí)例分析

利用所建立的評(píng)價(jià)模型和現(xiàn)場(chǎng)3套注水系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)，對(duì)3套注水系統(tǒng)的能耗情況進(jìn)行綜合評(píng)判。3套注水系統(tǒng)為單泵站注水管網(wǎng)系統(tǒng)如圖3，通過(guò)水力模擬仿真計(jì)算，得出每套管網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)流量、壓力參數(shù)值。再根據(jù)注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)值，如表2所示。

圖3　注水系統(tǒng)

建立對(duì)于注水系統(tǒng)i的每一評(píng)價(jià)參數(shù)j的值相應(yīng)的節(jié)能適宜度，并得到注水系統(tǒng)是否節(jié)能的模糊評(píng)價(jià)矩陣A。

表2　注水系統(tǒng)參數(shù)

用模糊數(shù)量標(biāo)度表得到同一注水系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)對(duì)節(jié)能情況的模糊一致判斷矩陣F。

通過(guò)冪法求得同一注水系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)對(duì)于節(jié)能的響應(yīng)權(quán)重向量Wij：

W=[0.160 9 0.156 2 0.086 1 0.138 9 0.094 4 0.116 4 0.247 1]T

則同一注水系統(tǒng)各評(píng)價(jià)參數(shù)之間對(duì)系統(tǒng)節(jié)能適宜度的加權(quán)表現(xiàn)矩陣及其轉(zhuǎn)置矩陣：

由式（4）、（5）得到各個(gè)注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)的綜合結(jié)果：

由評(píng)價(jià)模型結(jié)果可以看出，注水系統(tǒng)1(R1)的整體能耗情況最佳，而注水系統(tǒng)2(R2)和3(R3)能耗情況相對(duì)較差，不符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。由表2可知，雖然注水系統(tǒng)1的注水單耗較高，管網(wǎng)效率較低，但整體的能耗效率要優(yōu)于另外2個(gè)注水系統(tǒng)。

由于注水系統(tǒng)2和注水系統(tǒng)3的配水間的節(jié)流損失較大，且注水泵和注水量不相匹配，從而造成配水間的效率和注水泵的運(yùn)行效率偏低[14]。另外分析水力仿真計(jì)算數(shù)據(jù)可知，注水系統(tǒng)中注水管網(wǎng)的壓差損失均小于1 MPa。而配水間和注水站的壓損最高卻可達(dá)到8 MPa，這兩項(xiàng)損失占據(jù)整個(gè)注水系統(tǒng)能量損失的60%，從而在評(píng)價(jià)模型中該參數(shù)的權(quán)重較大，使得注水系統(tǒng)2和注水系統(tǒng)3的最終評(píng)分較低。相比之下注水管線的能耗所占的比重相對(duì)較小，不會(huì)對(duì)注水系統(tǒng)整體能耗效率產(chǎn)生較大影響，因此在注水管網(wǎng)改造過(guò)程中，注水站和配水間才是研究的重點(diǎn)。基于上述能耗成因分析，可提出如下改造措施[15]：不同型號(hào)的注水泵組合優(yōu)化運(yùn)行，使泵在高效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)；為避免大量的節(jié)流損失，可根據(jù)油田注水井油壓實(shí)際情況，采取整體降壓，局部增壓的方式滿足注水要求。

5　結(jié)論

1）調(diào)研國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)，篩選出注水系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)關(guān)鍵因素，并且結(jié)合油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了評(píng)價(jià)參數(shù)的有利范圍。

2）通過(guò)實(shí)例分析，可知該方法合理、有效。而且運(yùn)用模糊層次分析法從整體上評(píng)價(jià)注水系統(tǒng)的能耗情況，避免了由于個(gè)別參數(shù)的適宜度(Aij)較差而影響系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果，能夠?yàn)閮?yōu)選注水方案提供科學(xué)依據(jù)。

3）一般油田評(píng)價(jià)能耗只是著眼于某一時(shí)間段內(nèi)的消耗電量情況，具有片面性和不準(zhǔn)確性。從而無(wú)法有效指導(dǎo)油田現(xiàn)場(chǎng)的能耗改造。本文的評(píng)價(jià)模型將注水系統(tǒng)中的注水站、注水管網(wǎng)和配水間聯(lián)系在一起，既有整體，又有局部，從多方面來(lái)考察系統(tǒng)能耗情況，對(duì)油田管網(wǎng)改造具有一定的指導(dǎo)意義。

4）文中建立的評(píng)價(jià)方法，可適用于所有油氣管網(wǎng)注水系統(tǒng)能耗效率的系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.03.017

2015-12-14

（編輯 賈洪來(lái)）

張意，中國(guó)石油大學(xué)（北京）（油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)）在讀碩士，從事油氣集輸?shù)孛婀こ萄芯抗ぷ?，E-mail: 81897277@qq.com，地址：中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，102249。