西南石油大学学报（自然科学版）  2016, Vol. 38 Issue (5): 129-134
引用本文
阮岩, 程为彬, 罗海龙, 等 .不同油藏区块注水系统能耗指标体系的构建[J]. 西南石油大学学报（自然科学版）, 2016, 38(5): 129-134.
RUAN Yan, CHENG Weibin, LUO Hailong, et al . Establishment of Energy Consumption Index on Water Injection System in Different Reservoir Type Block[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science &Technology Edition), 2016, 38(5): 129-134.
不同油藏区块注水系统能耗指标体系的构建    [PDF全文]
阮岩 , 程为彬, 罗海龙, 张达亿    
西安石油大学电子工程学院, 陕西 西安 710065
收稿日期: 2016-07-03 ; 网络出版日期: 2016-10-14
基金项目: 中国石油科技创新基金（2015D-5006-0307）；陕西省科技攻关计划（2016GY-059）。
通信作者: 阮岩,Email:1439315078@qq.com
摘要: 针对目前油田注水系统缺少地下系统能耗评价指标，且地上系统能耗指标不完善的问题，从不同油藏类型、区块注水效果角度提出了注水地下系统的能耗评价指标。研究了主要的储层参数——渗透率、孔隙度、饱和压力、地层水矿化度等与地面注水系统重要参数标准单耗的关系，综合了地面注水和油藏注水与采收效果评价体系，以注水能耗替代注水量，实现油田开采效益最大化；新增了站效、管网能量利用率为注水地上系统的能耗标杆指标。从而建立了完整的地上地下注水系统的评价指标体系，综合评价了整个注水系统的能耗现状。为衡量注水系统能耗状态提供了具体完整的标杆指标。
关键词: 油田注水     油藏类型     区块     能耗指标     体系构建    
Establishment of Energy Consumption Index on Water Injection System in Different Reservoir Type Block
RUAN Yan , CHENG Weibin, LUO Hailong, ZHANG Dayi    
School of Electronic Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an, Shaanxi 710065, China
Abstract: In order to solve problems including lack of underground system energy consumption index on oil field water injection system and deficient over ground system energy consumption index, this article puts forward the energy consumption index of underground water injection system according to water injection effectiveness in different reservoir types and blocks. Major Reservoir parameters including permeability, porosity, saturation pressure, formation water salinity were analyzed to find relationships with essential standard unit energy consumption parameters on ground water injection system as well as the pressure and quantity of flow on wellhead. The research synthesizes the effectiveness assessment systems of ground water injection and reservoir water inject and recovery; oil field exploration profit is maximized with water injection energy consumption substituting water injection quantity. By adding station effectiveness and pipe network energy efficiency as energy consumption index on ground water injection system, a completed ground and underground water injection assessment index were established. Such index assists to evaluate the energy consumption of the whole water injection system and provides guidance for evaluating energy consumption condition of water injection system.
Key words: water injection     reservoir type     block     energy consumption index     system construction    
引言

油田注水系统庞大，水源经注水泵站、输水管网，达到井口，再配注进入油藏地层，过程中能量损失环节较多[1]，如泵站、阀门、管线、井口等，其中井口及以下主要依赖地质工艺要求来设定具体注入参数，井口以上是常规的地面注水系统[2]，那么如何评价整个注水系统的能耗状况，建立衡量注水系统的能耗标杆指标呢？目前注水地面系统各项指标评价依据行业标准《油田生产系统节能监测规范》[3]等，如注水泵机组效率、注水管线损失率、地上注水系统能量利用率等指标，这些指标是否合理完善呢？地下注水系统目前国内外还没有任何评价指标，整个注水系统也没有评价指标。那么能否根据不同油藏类型、区块建立注水系统能耗标杆指标呢？以本次中石化2015年注水大调查所测56个注水系统数据为依据，做一些相关的研究。

1 注水地下系统能耗指标的建立 1.1 以不同油藏类型来划分

注水大调查所测56个注水系统数据，它们分地面数据和地下数据两部分，地下这些储层参数与不同的油藏类型之间是没有内在联系的[4]，这在油田开发领域已有结论。那么这些主要的储层参数[5]，如渗透率、孔隙度、饱和压力、地层水矿化度等与地面注水系统重要参数标准单耗是否有关系呢？我们以标准单耗为横坐标，以平均空气渗透率、平均孔喉半径、饱和压力、地层水总矿化度共4个参数分别为纵坐标，进行数据分析，如图 1、图 2、图 3、图 4所示，从标准单耗分别与4个参数的分布情况来看：

图1 标准单耗与平均空气渗透率关系图 Fig. 1 Correlation between unit energy consumption and average air permeability
图2 标准单耗与平均孔喉半径关系图 Fig. 2 Correlation between unit energy consumption and average throat radius
图3 标准单耗与饱和压力关系图 Fig. 3 Correlation between unit energy consumption and saturation pressure
图4 标准单耗与地层水总矿化度关系图 Fig. 4 Correlation between unit energy consumption and formation water salinity

图 1表明，断块类型的油藏平均空气渗透率偏低，数据集中在4000 mD以下，注水标准单耗较高，数据集中在0.6~0.8(kW·h)/(m3·MPa)；低渗透与岩性类型的油藏平均空气渗透率非常小，数据集中在坐标零附近，其标准单耗数据集中在0.4~0.6(kW·h)/(m3·MPa)；整装类型的油藏平均空气渗透率除了个别数据较高外，大部分数据也集中在4000 mD以下,其注水标准单耗适中,数据集中在 0.6(kW·h)/(m3·MPa)左右。

图 2表明，断块类型的油藏平均孔喉半径大部分数据偏低，数据集中在20μm以下，其标准单耗大部分数据偏高；低渗透油藏的平均孔喉半径除了个别数据偏高外，大部分数据偏低，数据集中在10μm以下，其标准单耗也偏低；整装类型的油藏平均孔喉半径大部分数据集中在20μm以下，标准单耗适中；岩性类型的油藏平均孔喉半径数据集中在20μm以下，标准单耗适中。

由图 3可以看出，断块类型的油藏饱和压力数据集中在20MPa以下，其标准单耗大部分数据偏高；低渗透油藏的饱和压力数据集中在10MPa以下，其标准单耗也偏低；整装类型的油藏饱和压力大部分数据集中在12MPa以下，标准单耗适中；岩性类型的油藏饱和压力和标准单耗数据较分散，没有明显特征。

图 4表明，断块类型的油藏地层水总矿化度数据集中在100000mg/L以下，其标准单耗数据较分散；低渗透、整装类型油藏的地层水总矿化度除了个别数据偏高外，大部分数据集中在100000mg/L以下，低渗透油藏其标准单耗偏低，数据集中在0.4~0.6(kW·h)/(m3·MPa)，整装油藏标准单耗数据集中在0.6(kW·h)/(m3·MPa)左右；岩性类型的油藏地层水总矿化度与标准单耗数据较分散，无法确定出明显的变化趋势及其规律。

那么无论什么样油藏类型，对注水系统来说，对接的就是注水井井口的压力与流量。而井口压力与原始地层压力、井底流动压力有关[6]，也与地层的渗透率等有关[7]。流量是根据注采平衡原理[8]，在采油井日产油量确定后，便可确定注水井的日注水量[9]。那么能否用井口的压力与流量找到与地面注水系统标准单耗的关系呢？我们以标准单耗为横坐标，以井口压力、总注水量2个参数分别为纵坐标，进行数据分析，如图 5、图 6所示。

图5 标准单耗与总注水量关系图 Fig. 5 Correlation between unit energy consumption and total water injection quantity
图6 标准单耗与单井井口压力关系图 Fig. 6 Correlation between unit energy consumption and signal wellhead pressure

图 5表明，断块类型的油藏总注水量数据集中在800 m3/h以下，注水标准单耗较高，大部分数据集中在0.6~0.8(kW·h)/(m3·MPa)；低渗透类型的油藏总注水量除了个别数据较高外，大部分数据集中在坐标零附近，其标准单耗数据集中在0.4~0.6(kW·h)/(m3·MPa)；整装类型的油藏总注水量数据集中在1000 m3/h 以下,其注水标准单耗适中；岩性类型的油藏总注水量数据非常小，在坐标零附近，注水标准单耗大部分数据集中在0.4~0.6(kW·h)/(m3·MPa)。

图 6表明，断块类型的油藏单井井口压力数据集中在10MPa左右，注水标准单耗较高，数据集中在0.6~0.8(kW·h)/(m3·MPa)；低渗透、岩性、整装类型的油藏单井井口压力数据较分散，没有明显特征，标准单耗数据都集中在0.4~0.6(kW·h)/(m3·MPa)。

根据目前的测试数据，从以上这个几个方面分析，我们发现不同的油藏类型的地下主要储层参数、注水井井口的压力、流量与注水系统标准单耗之间有一定的特征，但变化规律不明显，且有些一个注水系统可能会有多个油藏类型，给研究带来一定困难。

建议可以以能量利用率作为地下注水系统的能耗指标。根据井口的压力、流量，计算出输入井口的能量，同理，计算出地下所获得的能量值，但目前，地下水的压力、流量值还没有做过测试，需要和做地下开发方面工作的合作，获得此数据，以此可得出地下注水系统的能量利用率，根据大量的数据分析，才能考虑建立能耗标杆指标。这里还需要考虑井的年限长短、井深等因素。地下情况复杂，可能还有多方因素需要考虑。

1.2 以不同油田区块来划分

油田区块的油气采收率主要与油藏的渗透率和黏度有关[10-11]，目前的油田区块注水评价体系主要有[12]：（1）稳产状况及趋势评价，（2）分层动用状况评价，（3）有效注水状况评价，（4）井网适应性评价，（5）水驱采收率评价等。

其中有效注水评价包括：（1）耗水量（累积注入比[累积注水量/累积采油量]），（2）累积水油比[累积采水量/累积采油量]，（3）存水率[累积存水量/累积注水量]，（4）相同注入倍数下采收率，（5）水油置换系数等。

耗水量从采出角度评价注入水的利用状况，存水率从注入角度评价注入水的有效利用，二者统一，互为补充，互为验证。而相同注入倍数下采收率和水油置换系数着重从油气采收量角度考虑[12]。

此前，尚没有一个评价油田区块注水系统的能耗标杆指标。提出以油田区块注水系统的能耗为标杆指标，目的是从整体油田区块角度实现油田开采效益最大化，要用尽可能少的注水能耗获得最大的油气采收量[13]。

这里综合地面注水和油藏注水与采收效果评价体系，以注水能耗替代注水量，从油藏区块注水效果角度提出几个能耗评价指标：

（1） 累积注入能耗比

$C = {{{W_1}} \over {{Q_0}}} = {{{Q_1}} \over {{Q_0}}} \times {W \over {{Q_1}}} = q \times DH$ (1)

式中：C 累积注入能耗比，×10−4（kW·h）/t；

W1 累积注入水的能耗，kW·h；

Q0 累积采油量，×104 t；

Q1 累积注入水量，×104 m3；

W 累积耗电量，kW·h；

q 累积注入比，×10−4 m3/t；

DH 总注水单耗，（kW·h）/m3。

式（1）把注水单耗与油藏注水评价指标直接联系起来了。

（2） 累积水油能耗比

${C_1} = {{{W_2}} \over {{Q_0}}} = {{{Q_p}} \over {{Q_0}}} \times {{{W_2}} \over {{Q_p}}} = {q_1} \times D{H_1}$ (2)

式中：${C_1}$—累积水油能耗比，×10−4（kW·h）/t；

W2 累积采出水能耗，kW·h；

Qp 累积采水量，×104 m3；

q1 累积水油比，×10−4 m3/t。

目前尚未对累积采出水的能耗进行计算，应小于注水能耗？需要建立、定义新的参数，同时纳入系统统计数据，有一定工作量。

（3） 存水能耗

$D{H_2} = {{{W_4}} \over {{Q_1}}} = {{{W_1} - {W_2}} \over {{Q_1}}} = DH - D{H_1}$ (3)

式中： DH2 存水能耗，（kW·h）/m3；

W4 累积存水能耗，kW·h；

DH1 采水单耗，（kW·h）/m3。 （4） 存水能效

$E = {{{Q_2}} \over {{W_1}}} = {{{Q_1} - {Q_P}} \over {{W_1}}}$ (4)

式中：E 存水能效，×104 m3/（kW·h）；

Q2 累积存水量，×104 m3。

（5） 同注入能耗下的油藏采出程度

采用统计法，建立采出程度与注水能耗的关系。

2 注水地面系统能耗指标的完善

从注水单耗的测试数据来源分析，主要影响其变化的因素为注水泵的效率、注水管网的损失率、系统效率等地面参数[14]，且地面系统可观、可测、可控[15]。

目前注水地面系统指标评价不够完善，管网部分没有具体的能耗评价指标[16]，系统效率是按泵的类型来划分的，略显粗略和不妥。

2.1 管网能耗指标

对于管网的能耗指标，根据胜利油田此次大调查测量数据分析，可以计算出管网部分的能量利用率[16]，发现管网部分的能量损耗与泵的类型无关。建议可以用管网部分的能量利用率来建立标杆[17]。

对油田478项测试数据进行数据处理分析：

（1） 原始数据给出的额定排量都是总泵数的额定排量，但所需数据中的额定排量应为开泵数的额定排量。因此,该项数据需要重新获取。首先进行了估算，但发现误差较大，随后我们根据油田的注水调查表中的各个注水站泵的运行情况和额定排量，逐一统计出了各个注水站的开泵数的额定排量。为我们后续数据统计的准确性奠定了基础。

（2） 根据油田的注水大调查表中的数据，将各数据的站效补齐，并将各油田所有数据中的站效与机组效率逐一比对，对于个别站效高于机组效率的数据进行了核实修正，将测试数据不完整的系统予以剔除。

所剩470项数据分别按不同条件分析比对，按照泵的额定排量将其进行划分，分别用四种方法划分，发现数据有三个特征：

(1) Q<100m3的数据量较大；

(2) Q<100 m3与100 m3≤Q<250 m3数据段管网损失率限定值相同；

(3) 管网损失率限定值与节能评价值，都是中间数据大两头数据小。

通过上述分析提出管网能量利用率具体的标杆指标。

将管网能量利用率的监测划分为节能、合格、改造、需要更换管线四段，当其数值大70%时为节能状态，在60%~70%之间为合格，50%~60%之间时管线需要改造，当数值小于50%时需要更换管线。并可按年限、注水半径再进一步细化各指标。

2.2 泵站评价指标

泵站现有的评价指标为泵站的机组效率，而对整个泵站系统没有评价指标，建议将现有指标修订为站效较为合理。

站效的划分方法与管网损失率的方法基本相同，对数据处理分析后，发现其数据特征是：

（1）往复泵的数据量较大；

（2）250 m3≤Q＜400 m3与Q≧400 m3数据段离心泵的限定值与节能评价值较接近。

站效按离心泵和往复泵两种分类，对于离心泵站，采用额定排量250m3、500m3为分隔点。对于往复泵站而言，额定排量基本在100 m3以内，因此采用额定排量50m3为分隔点即可。

有了管网的评价指标再加上泵站站效的评价指标，最后综合考虑地面注水系统的效率。这样整个注水地面系统的评价指标就应该比较合理完善了。

3 结语

（1） 不同油藏类型的储层参数、注水井井口的压力、流量与注水系统标准单耗之间有一定的关系，在综合地面注水、油藏注水与采收效果评价体系的基础上，以注水能耗替代注水量的思路，从油藏区块注水效果角度提出了能耗评价指标。

（2） 将管网能量利用率的监测划分为节能、合格、改造、更换管线4 段，当其数值大于70% 时为节能状态，在60%~70% 为合格，50%~60% 时管线需要改造，当数值小于50% 时需要更换管线。并可按年限、注水半径再进一步细化各指标。

（3） 站效按离心泵和往复泵两种分类，对于离心泵站，采用额定排量250 m3、500 m3 为分隔点。对于往复泵站，采用额定排量50 m3 为分隔点即可。

（4） 注水系统能耗指标体系的建立，有利于综合评价了整个注水系统的能耗。为油田的精细生产、节能降耗提供了理论和技术指导。

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