CN104832131A - 一种基于机采和集油系统整体的集油参数优选方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于机采和集油系统整体的集油参数优选方法,将集油和机采系统结合起来整体研究,借助油气水三相水平管流理论,建立三相水平管流压降计算模型,根据集输系统中的水力参数和结构参数,仿真出集油环上的节点压力和对应的井口油压;通过回归方法,回归出电动机输入功率、油井产液量与井口油压的函数关系;以集油系统中掺水量、掺水温度为优化变量,建立了系统能耗和系统效益目标函数,依据能耗判别函数和效益判别函数,通过优选方法优选出集油系统运行参数。本发明方法具有节约成本、降低能耗、可显著提高经济效益等优点。
Description
技术领域
本发明涉及油田开发地面集输工程领域,具体地说是一种地面集油管网掺水集油参数优选技术方案。
背景技术
在原油集输过程中,长时间集输导致集输管道中结蜡结垢,不利于原油的运输,严重时会堵塞管道。集油环上配水间中的掺水泵提供的高温高压水能够有效熔蜡,解决集输管道受阻问题。但是,如果集油环上掺水参数选择不合理,会使集输系统处理成本过高、能耗增加。油田企业需要进一步完善集输系统中掺水参数配置,达到减少成本,降低系统能耗的目的。
在现有的采油工艺参数设计中,主要利用油井参数、管网结构参数、环境参数等与抽油机之间建立关系,用于确定机采系统的总能耗,或确定集油系统的总效益,进而选择最优的参数进行匹配设计。但是,上述设计中,大多是分开来研究集输系统中管网结构优化配置或者机采系统中单井能耗,没有对机采和集油系统组成的整个系统进行优化配置,同时也不能结合油井的具体情况定量分析各参数对机采和集油系统生产效率的影响,因此很难确定系统的最优运行参数,无法满足油田正常开采的需要。
发明内容
本发明目的在于提供一种设计合理、节约成本、降低能耗、可显著提高经济效益的基于机采和集油系统整体的集油参数优选方法,通过分析系统各参数对系统能耗和收益的影响,确定最优的参数,提高集油系统的经济效益,降低系统能耗。
为实现上述目的,本发明所述参数优选方法步骤如下:
步骤1、整合油井参数、掺水参数、管网结构参数和环境参数的数据,利用集输系统中油气水三相流型判别方法来确定压降模型,根据压降模型,计算集油环上各节点压力和对应的油井油压,得到各油井油压的函数表达式
式中,Ph为集输系统中回液压力,MPa;
Δpk为集油管道上第k段管的压降值,MPa;
pk为集油管道上第k口油井的油压值,MPa;
n为集油管道上总油井数;
步骤2、通过各油井油压仿真计算出各自抽油机电动机输入功率和油井产液量,得出电动机输入功率、油井产液量与相应油井油压的数值关系;建立电动机输入功率、油井产液量与油井油压的回归函数
NM=b0+b1Pk+b2Pk 2+b3Pk 3
QC=c0+c1Pk+c2Pk 2+c3Pk 3
式中,QC——油井产液量,t/d;
NM——电动机输入功率,kW;
Pk——井口油压,MPa;
c0,c1,c2,c3——电动机输入功率与井口油压对应的回归系数;
b0,b1,b2,b3——油井产液量与井口油压对应的回归系数。
通过集油环上各抽油机电动机输入功率确定机采系统的电动机总输入功率函数
式中,NW——集油环上的电动机总输入功率,kW;
n——集油环上总的油井数;
NM,i——第i口油井对应的电动机输入功率,kW;
步骤3、根据集油环上阀组间的掺水量和环掺水压力,建立集油系统水力功率能耗函数
式中,Nc——集油环上阀组间水力功率,kW;
Pi——不同掺水量、掺水温度下集油环上阀组间泵端压力,MPa;
Qi——不同的掺水量,t/h;
步骤4、根据集油环上阀组间中的高温水消耗的热能,建立集油系统热力功率能耗函数
式中,Nh——集油环上阀组间热力功率,kW;
C——水的比热容,J/(kg·℃);
Qi——不同的掺水量,t/h;
ΔT——温度改变量,℃;
步骤5、通过机采系统的电动机总输入功率、集油系统水力功率能耗和集油系统热力功率能耗,确定机采和集油系统的整体总能耗函数表达式
N=Nc+Nh+Nw
式中,N——机采和集油系统的总功率,kW;
NW——集油环上的电动机总输入功率,kW;
Nc——集油环上阀组间水力功率,kW;
Nh——集油环上阀组间热力功率,kW;
步骤6、根据原油收益和集输系统能耗费用,确定机采和集油系统总效益函数模型
式中,F——集油环上耗气和耗电总费用,元;
F0——耗电单价,元/(kW·h);
F1——1立方米天然气的单价,元/m3;
η1——集油环水力功率电能利用率,%;
η2——机采系统电能利用率,%;
η3——集油系统热能利用率,%;
E——1立方米天然气完全燃烧释放的热量;
S——机采和集油系统总效益,元;
Qc,i——第i口井的产液量,t/d;
nw,i——第i口井的含水率;
a——原油单价,元/t;
步骤7、
①以机采和集油系统总能耗为目标函数;
②以机采和集油系统总效益为目标函数;
在不同的掺水参数组合情况下,分别以机采和集油系统总能耗最小和系统总效益最大为判别函数,
式中,F(T,Q)——目标函数,系统总能耗最小;
g(1)——不等式约束条件,给定的最低回液温度;
H(1)——等式约束条件,给定的回液压力。
式中,F(T,Q)——目标函数,系统总效益最大;
S——机采和集油系统总效益,元;
g(1)——不等式约束条件,给定的最低回液温度;
H(1)——等式约束条件,给定的回液压力。
计算在不同掺水参数组合下的系统总能耗和系统总效益,通过枚举法,比较机采和集油系统总能耗最小和总效益最大对应的掺水参数,确定此时的掺水参数,即为优选结果下的系统运行参数。
计算过程大致如下:
采用集输系统中油气水三相流型判别方法来确定压降模型,根据压降模型计算集油环上各节点压力以及对应的抽油机井井口油压;将机采和集油系统作为一个整体系统,由油井油压计算各抽油机井输入功率和油井产液量;根据输入功率建立机采系统耗电量模型;根据阀组间掺水泵消耗的高温高压水,建立了集油系统热力功率和水功率能耗模型;由机采和集油系统总能耗模型,建立了机采和集油系统总能耗判别函数;根据油井产液量,确定原油收益,由系统收益和系统能耗费用,建立了机采和集油系统总效益判别函数。依据能耗判别函数和效益判别函数,优选出集油系统的运行参数,指导现场生产实践,达到降低系统能耗和节约经济成本的目的。
与现有技术相比,本发明方法具有如下优点:以机采和集油系统整体为研究对象,通过建立系统能耗判别函数和收益判别函数,采用两种优选方案优选出掺水参数,确定合理的运行参数,综合评价机采和集油系统运行参数,指导现场油田生产实践,可显著提高经济效益,并可降低系统能耗和运行成本,对油田正常开采也起到重要作用。
附图说明
图1为本发明中集油环上的水力参数结构示意图。
图2为本发明方法中机采系统油井油压计算流程图。
图3为本发明方法中油井油压与电动机功率关系仿真流程图。
图4为本发明方法集油和机采系统能耗与效益优选流程图。
图5是本发明实施例1的系统能耗优选结果图。
图6是本发明实施例1的系统效益优选结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明:
如图1所示,假设集油环上有n口油井,已知各油井参数(产液量Qi,含水率nwi,原油粘度δi,原油密度ρi,原油温度Ti)、抽汲参数(冲程、冲次、泵径、下泵深度)、管线有n+1段、各管段的长度各不相同、管线结构参数(管长,管径,壁厚),管线段的沿程压降用Δpi表示。阀组间初始掺水量Q0,初始掺水温度T0,管道内是油气水三相混合物,第i管道内的混合物流量用gi表示。管线1的沿程压降Δp1、管线2的沿程压降为Δp2、直至管线n+1的沿程压降为Δpn+1、管线i的沿程压降为Δpi、管线n的沿程压降为Δpn、管线从1、2、3……i、i+1……n-1、n、n+1;Q1、nw1、δ1、ρ1、T1是第一油井的产液量、含水率、原油粘度、原油密度、原油温度;Q2、nw2、δ2、ρ2、T2是第二油井的产液量、含水率、原油粘度、原油密度、原油温度;Qi、nwi、δi、ρi、Ti是第i口油井的产液量、含水率、原油粘度、原油密度、原油温度;Qn-1、nw n-1、δn-1、ρn-1、Tn-1是第n-1口油井的产液量、含水率、原油粘度、原油密度、原油温度;Qn、nw n、δn、ρn、Tn是第n口油井的产液量、含水率、原油粘度、原油密度、原油温度;W1是第一口井井号、P1是第一口油井井口油压;W2是第二口井井号、P2是第二口油井井口油压;Wi是第i口井井号、Pi是第i口油井井口油压;Wn-1是第n-1口井井号、Pn-1是第n-1口油井井口油压;Wn是第n口井井号、Pn是第n口油井井口油压;g1是第1管道内的混合物流量;g2是第2管道内的混合物流量;gi-1是第i-1管道内的混合物流量;gi是第i管道内的混合物流量;gn-2是第n-2管道内的混合物流量;gn-1是第n-1管道内的混合物流量;gn是第n管道内的混合物流量。其中定义管道内介质流量向量G和节点流量向量Q,如下表达式:
G=(g1,g2,...,gn,gn+1)T
Q=(q1,q2,...,qn)T
在集油管网输送原油的过程中,抽油机井中的原油在不断地往集油管网中输送,导致集油管网中的油气水三相流时刻发生变化。在油气水三相流中,气相成分受温度和压强的影响很大,同时,液相粘度受温度的影响也很大。
步骤1、油井基本参数包括:井口、产液量、原油温度、含水率、气油比、天然气相对密度、原油粘度、原油密度、冲程、冲次、泵径、泵深、抽油机型号、电机额定功率;掺水参数包括:掺水量、掺水温度、环回油压力;环境参数包括:热传导系数、管道环境温度;管道结构参数包括:油管长度、油管直径、油管内径、管壁厚度、抗压系数;抽汲参数包括:冲程、冲次、泵径、下泵深度。整合油井参数、掺水参数、管网结构参数和环境参数的数据,通过三相流型判别条件选择不同的流型计算模型,由压降模型计算各节点压力。由于抽油机井原油通过单项阀流入集油管道中,忽略单向阀的局部水头损失,则各节点压力和井口油压相等。
图2给出了计算油井油压的流程图,按照流程图顺序,确定井口油压函数表达式为:
式中,Ph为集输系统中回液压力,MPa;
Δpk为集油管道上第k段管的压降值,MPa;
pk为集油管道上第k口油井的油压值,MPa;
n为集油管道上总油井数;
步骤2、对于抽油机井,电动机输入功率不仅与地面抽油设备有关,而且与井身结构、油藏参数、抽汲参数有关。如图3所示流程图,已知井身结构、油井生产参数、抽油杆组合方式条件下,通过井口油压和抽油泵沉没度求出柱塞液体载荷,由波动方程求出悬点载荷和悬点扭矩,进而求出曲柄轴扭矩和曲柄轴输出功率,进一步求出减速器输出、输入功率,最后求出电动机输出、输入功率。油井产液量仅仅和抽油泵的冲程、冲次和排量有关。通过油井油压和电动机输入功率、油井产液量的一一对应关系,可以得到电动机输入功率、油井产液量和油井油压的关系,建立电动机输入功率、油井产液量与油井油压的回归函数
NM=b0+b1Pk+b2Pk 2+b3Pk 3
QC=c0+c1Pk+c2Pk 2+c3Pk 3
式中,QC——油井产液量,t/d;
NM——电动机输入功率,kW;
Pk——井口油压,MPa;
c0,c1,c2,c3——电动机输入功率与井口油压对应的回归系数;
b0,b1,b2,b3——油井产液量与井口油压对应的回归系数。
在已知掺水量和掺水温度的条件下,可以计算出集油环上各抽油机井对应的油井油压,由油井油压回归函数,可以确定电动机的输入功率和油井产液量,进一步求出该掺水量、掺水温度下系统能耗和效益。在不同的掺水量、掺水温度组合情况下,可以计算出不同抽油机井的电动机输入功率、油井产液量。在集输系统中,机采系统能耗指电动机输入功率消耗的电能,集油系统能耗包括水力功率消耗的机械能和热力功率消耗的热能。在一个集油环上,所有油井组成机采系统的电动机总输入功率Nw为:
式中,NW——集油环上的电动机总输入功率,kW;
n——集油环上总的油井数;
NM,i——第i口油井对应的电动机输入功率,kW;
步骤3、在不同的掺水量、掺水温度条件下,建立集油系统水力功率能耗函数
式中,Nc——集油环上阀组间水力功率,kW;
Pi——不同掺水量、掺水温度下集油环上阀组间泵端压力,MPa;
Qi——不同的掺水量,t/h;
步骤4、在不同的掺水量、掺水温度条件下,根据集油环上阀组间中的高温水消耗的热能,建立集油系统热力功率能耗函数
式中,Nh——集油环上阀组间热力功率,kW;
C——水的比热容,J/(kg·℃);
Qi——不同的掺水量,t/h;
ΔT——温度改变量,℃;
步骤5、通过机采系统的电动机总输入功率、集油系统水力功率能耗和集油系统热力功率能耗,确定机采和集油系统的整体总能耗函数表达式
N=Nc+Nh+Nw
式中,N——机采和集油系统的总功率,kW;
NW——集油环上的电动机总输入功率,kW;
Nc——集油环上阀组间水力功率,kW;
Nh——集油环上阀组间热力功率,kW;
步骤6、根据原油收益和集输系统能耗费用,确定机采和集油系统总效益函数模型
式中,F——集油环上耗气和耗电总费用,元;
F0——耗电单价,元/(kW·h);
F1——1立方米天然气的单价,元/m3;
η1——集油环水力功率电能利用率,%;
η2——机采系统电能利用率,%;
η3——集油系统热能利用率,%;
E——1立方米天然气完全燃烧释放的热量;
S——机采和集油系统总效益,元;
Qc,i——第i口井的产液量,t/d;
nw,i——第i口井的含水率;
a——原油单价,元/t;
步骤7、在不同的掺水参数组合情况下,
①以机采和集油系统总能耗为目标函数;
式中,F(T,Q)——目标函数,系统总能耗最小;
g(1)——不等式约束条件,给定的最低回液温度;
H(1)——等式约束条件,给定的回液压力。
②以机采和集油系统总效益为目标函数;
式中,F(T,Q)——目标函数,系统总效益最大;
S——机采和集油系统总效益,元;
g(1)——不等式约束条件,给定的最低回液温度;
H(1)——等式约束条件,给定的回液压力。
如图4所示的优选方案流程图,在不同的掺水参数组合情况下,分别以机采和集油系统总能耗最小和系统总效益最大为判别函数,计算在不同掺水参数组合下的系统总能耗和系统总效益。通过比较,得出系统能耗最小值和系统效益最大值,从而确定了集油环上最优的掺水量和掺水温度,即为优选结果下的掺水参数,确定优选系统运行参数。
实施例1:以某集油管网为例。
表1给出机采系统中4口油井的油井参数、管网结构参数、管道环境参数。
表2给出集油环上4口油井的仿真油压以及实测油压,且给出了相对误差。
集油环上掺水量变化范围1.5~4.5m3/h,掺水温度变化范围40~70℃。如表3和表4所示,掺水量变化值离散成10组,掺水温度离散成10组,在不同的掺水参数组合情况下,用VB编程仿真出机采和集油系统能耗和系统效益,考虑到机采和集油系统能耗最小和效益最大的判别函数中的约束条件,即回液温度不能低于集油系统要求的37℃,回液压力取0.25MPa。在满足约束条件的情况下,通过枚举法比较出系统能耗最小值和系统效益最大值,此时的掺水量和掺水温度即为对应系统能耗最小和系统效益最大时的掺水参数,系统能耗最小的仿真结果如图5所示,系统效益最大的仿真结果如图6所示。
表1机采和集油系统参数表
表2集油环上油井油压实测值和仿真值
表3机采和集油系统总能耗
表4机采和集油系统总效益
基于以上所有步骤形成的评价集油系统运行参数最优的技术方案,形成了以机采和集油系统总能耗最小和总效益最大的优选方法,通过枚举法比较不同的系统能耗值和系统效益值,确定了集油系统合理的运行参数。可以预见,本发明实施例只是机采和集油系统总能耗和总效益评价的一种具体展示,并不是所有全部内容。在本技术领域内,任何形式模仿获得的实施例,均应在本发明保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于机采和集油系统整体的集油参数优选方法,收集得到一个集油环上油井参数、掺水参数、环境参数、管网结构参数和抽汲参数;油井基本参数包括:井口、产液量、原油温度、含水率、气油比、天然气相对密度、原油粘度、原油密度、动液面、抽油机型号、电机额定功率;掺水参数包括:掺水量、掺水温度、环回油压力;环境参数包括:热传导系数、管道环境温度;管道结构参数包括:油管长度、油管直径、油管内径、管壁厚度、抗压系数;抽汲参数包括:冲程、冲次、泵径、下泵深度,其特征在于,所述集油参数优选方法步骤如下:
步骤1、整合油井参数、掺水参数、管网结构参数和环境参数的数据,利用集输系统中油气水三相流型判别方法来确定压降模型,根据压降模型,计算集油环上各节点压力和对应的油井油压,得到各油井油压的函数表达式
式中,Ph为集输系统中回液压力,MPa;
Δpk为集油管道上第k段管的压降值,MPa;
pk为集油管道上第k口油井的油压值,MPa;
n为集油管道上总油井数;
步骤2、通过各油井油压仿真计算出各自抽油机电动机输入功率和油井产液量,得出电动机输入功率、油井产液量与相应油井油压的数值关系;建立电动机输入功率、油井产液量与油井油压的回归函数;通过集油环上各抽油机电动机输入功率确定机采系统的电动机总输入功率函数
式中,NW——集油环上的电动机总输入功率,kW;
n——集油环上总的油井数;
NM,i——第i口油井对应的电动机输入功率,kW;
步骤3、根据集油环上阀组间掺水泵消耗的掺水量和掺水压力,建立集油系统水力功率能耗函数
式中,Nc——集油环上阀组间水力功率,kW;
Pi——不同掺水量、掺水温度下集油环上阀组间泵端压力,MPa;
Qi——不同的掺水量,t/h;
步骤4、根据集油环上阀组间掺水泵中的高温水消耗的热能,建立集油系统热力功率能耗函数
式中,Nh——集油环上阀组间热力功率,kW;
C——水的比热容,J(/kg·℃);
Qi——不同的掺水量,t/h;
ΔT——温度改变量,℃;
步骤5、通过机采系统的电动机总输入功率、集油系统水力功率能耗和集油系统热力功率能耗,确定机采和集油系统的整体总能耗函数表达式
N=Nc+Nh+Nw
式中,N——机采和集油系统的总功率,kW;
NW——集油环上的电动机总输入功率,kW;
Nc——集油环上阀组间水力功率,kW;
Nh——集油环上阀组间热力功率,kW;
步骤6、根据原油收益和集输系统能耗费用,确定机采和集油系统总效益函数模型
式中,F——集油环上耗气和耗电总费用,元;
F0——耗电单价,元/(kW·h);
F1——1立方米天然气的单价,元/m3;
η1——集油环水力功率电能利用率,%;
η2——机采系统电能利用率,%;
η3——集油系统热能利用率,%;
E——1立方米天然气完全燃烧释放的热量;
S——机采和集油系统总效益,元;
Qc,i——第i口井的产液量,t/d;
nw,i——第i口井的含水率;
a——原油单价,元/t;
步骤7、
①以机采和集油系统总能耗为目标函数;
②以机采和集油系统总效益为目标函数;
在不同的掺水参数组合情况下,分别以机采和集油系统总能耗最小和系统总效益最大为判别函数,计算在不同掺水参数组合下的系统总能耗和系统总效益,通过枚举法,比较机采和集油系统总能耗最小和总效益最大对应的掺水参数,确定此时的掺水参数,即为优选结果下的掺水参数,确定优选系统运行参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于机采和集油系统整体的集油参数优选方法,其特征在于:所述步骤2中,电动机输入功率、油井产液量与油井油压的回归函数为
NM=b0+b1Pk+b2Pk 2+b3Pk 3
QC=c0+c1Pk+c2Pk 2+c3Pk 3
式中,QC——油井产液量,t/d;
NM——电动机输入功率,kW;
Pk——井口油压,MPa;
c0,c1,c2,c3——电动机输入功率与井口油压对应的回归系数;
b0,b1,b2,b3——油井产液量与井口油压对应的回归系数。
3.根据权利要求1所述的一种基于机采和集油系统整体的集油参数优选方法,其特征在于:步骤7中,以机采和集油系统总能耗最小为优化目标函数,确定机采和集油系统总能耗最小判别函数为
式中,F(T,Q)——目标函数,系统总能耗最小;
g(1)——不等式约束条件,Tmin为给定的最低回液温度;
H(1)——等式约束条件,ph为给定的回液压力。
4.根据权利要求1所述的一种基于机采和集油系统整体的集油参数优选方法,其特征在于:步骤7中,以机采和集油系统总效益最大为优化目标函数,确定机采和集油系统总效益最大判别函数为
式中,F(T,Q)——目标函数,系统总效益最大;
S——机采和集油系统总效益,元;
g(1)——不等式约束条件,Tmin为给定的最低回液温度;
H(1)——等式约束条件,ph为给定的回液压力。
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