CC BY
60
УДК 622.276.43
Интегральная модель оценки показателей
энергоэффективности для трубопроводов
системы поддержания пластового давления
П.В. ВИНОГРАДОВ, ведущий инженер отдела развития инструментов проектирования ООО «БашНИПИнефть» (450077, Россия, г. Уфа, ул. Карла Маркса, д. 30, к. 1)
Н.А. ГАРРИС, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Гидравлика и гидромашины» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (450062, Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1)
Н.В. МОРОЗОВА, к.т.н., доцент кафедры «Гидравлика и гидромашины» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (450062, Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1)
К.Ю. ВОЛОКИТИН, менеджер Департамента энергосбережения ОАО «ТНК-ВР Менеджмент» (119019, Россия, г. Москва, ул. Арбат, д. 1)
E-mail: morozova05@inbox.ru
Разработана и методологически обоснована интегральная модель расчета показателей энергоэффективности для трубопроводов системы поддержания пластового давления с учетом внешних влияющих факторов, основанная на уравнениях баланса энергии.
Ключевые слова: трубопровод, энергоэффективность, система поддержания пластового давления.
добыча нефти в России в настоящее время сопровождается высокими энергозатратами. В начале 1990-х годов доля затрат на электроэнергию в себестоимости добываемой нефти у большинства нефтяных компаний составляла 5% и занимала 10-12 место среди всех затрат, а к концу 2012 г. возросла до 25-30%, перейдя на 3-5 место. В среднесрочной перспективе эта цифра будет только расти. Увеличение доли расходов на электроэнергию вызвано как естественным истощением месторождений, так и ростом тарифов на электроэнергию, применением устаревших технологий на всех этапах добычи нефти и др.
Одними из основных потребителей электроэнергии при добыче нефти являются системы поддержания пластового давления (ППД). Объёмы воды, закачиваемой в продуктивные пласты с целью поддержания пластового давления, в 2-3 раза превышают объемы добываемой жидкости. Поэтому, на эксплуатацию насосного оборудования системы ППД может затрачиваться до 35% всего потребляемого производством объема электроэнергии.
При разработке и внедрении программ по энергосбережению на нефтедобывающих предприятиях приоритетным направлением является оценка и устранение сверхнормативных энергетических затрат при эксплуатации системы ППД.
Перерасход электроэнергии на объектах системы ППД может быть вызван разными причинами: применением устаревших технологий, нерациональным использованием насосного оборудования
(низкий КПД насоса, неверно выбранный типоразмер, эксплуатация насосно-силового оборудования вне рабочей зоны характеристик) и неоптимальной работой линейной части.
Неэффективная работа линейной части, как правило, обусловлена неверно подобранными диаметрами трубопроводов и арматуры, а также разрегулировкой сети вследствие отсутствия оперативного поскважинного управления закачками. Последнее приводит к гидродинамической несогласованности режимов работы нагнетательных скважин и к необходимости повсеместного штуцирования, что неизбежно увеличивает затраты электроэнергии [3,4].
В связи с этим, можно выделить два наиболее перспективных направления повышения энергоэффективности:
-внедрение новой техники и технологий энергосбережения в процессы добычи нефти [5];
-организация системы непрерывного мониторинга текущих параметров энергоэффективности для всех элементов системы с целью обеспечения рационального управления закачками.
В статье предлагается один из методов расчёта показателей энергоэффективности сети водоводов высокого давления системы ППД.
Для оценки показателей энергоэффективности схему высоконапорных трубопроводов системы поддержания пластового давления предлагается разбить на блоки (рисунок):
-блок «Трубопроводы КНС-ВРП», включающий линейную часть от кустовой насосной станции
(КНС) до входа на водораспределительный пункт для нагнетания воды в скважины (ВРП);
-блок «ВРП», включающий линейную часть от входа на ВРП до приборов учета перед штуцерами на нагнетательных линиях скважин;
-блок «Скважины», включающий линейную часть на нагнетательных линиях скважин от приборов учёта перед штуцерами до устья скважин.
Показателями, влияющими на энергоэффективность работы трубопроводных систем, являются:
-фактическая и нормативная потребляемые гидравлические мощности (по блокам и по системе в целом);
-энергоэффективность (по блокам и по системе в целом).
Фактическая и нормативная потребляемые мощности (Вт) определяются по формуле:
N = 27,24 • Я •Р,
(1)
где Р — перепад давлений на участке трубопровода, входящего в состав рассматриваемого блока, атм; Я — расход по участку трубопровода, м3/ч.
Энергоэффективность определяется соотношением:
Э
Nн
эф
(2)
Nф
где Nн, Nф — нормативная и фактическая потребляемые мощности соответственно, Вт.
Из формул (1) и (2) видно, что основным показателем, влияющим на энергоэффективность работы отдельных блоков и системы в целом, является отношение нормативного (расчётного) значения гидравлических потерь давления на участке трубопровода к фактическому.
При этом исходные данные для оценки потерь давления на гидравлическое сопротивление для сетей высоконапорных трубопроводов весьма противоречивы. Линейные объекты системы ППД отличаются сложными разветвленными конфигурациями и состоят из трубопроводов различных диаметров. Точные геодезические и геометрические параметры (в том числе, фактическую шероховатость внутренней поверхности стенки трубы) определить практически невозможно, на трубопроводах отсутствует достаточное количество измерительных приборов. Все это осложняет расчет и контроль показателей энергоэффективности.
В условиях ограничения исходной информации разветвленную систему сложных трубопроводов удобно заменить эквивалентной моделью параллельного соединения труб, в которых расход постоянен и равен расходу в соответствующих скважинах (т.е. системой параллельных труб протяженностью от КНС до скважин с узловой точкой на КНС).
Указанная интегральная модель основана на уравнениях материального и энергетического баланса, т.е. с соблюдением общих физических законов сохранения и преобразования энергии.
Из условия материального баланса следует, что суммарный объём закачки по системе водоводов одной КНС определятся как сумма объёмов закачки по всем скважинам, запитанным от данной КНС. Однако практика эксплуатации системы ППД показывает, что между суммарным расходом в скважинах и расходом на выходе КНС может иметь место небаланс (разница между подачей КНС и суммарным расходом в скважинах, замеренным приборами учета). Потому оценка энергоэффективности может быть проведена по двум вариантам.
Типовая блок-схема системы поддержания пластового давления:
1 КНС "
■ давление нагнетания после КНС; PBpП — давление на входе ВРП; Ршт, Py -
устьевое (буферное) давление после штуцера на нагнетательной линии скважин; Qкнc ' Q — расход в нагнетательных линиях скважин
■ давление до регулирующего штуцера и
■ общая подача насосами КНС;
По первому варианту расчёт показателей энергоэффективности производится по фактическим расходам в скважинах с определением мощности, затраченной на перекачку небалансового расхода (разницы между подачей КНС и суммарным расходом в скважинах).
По второму варианту для учёта небалансового расхода возможно приведение расхода по скважинам к объёмам КНС (при этом небаланс расходов пропорционально распределяется по всем скважинам). Коэффициент нормализации объема определяется как отношение объёма закачки рабочего агента через КНС QКНС к объёму закачки по скважинам одной системы водоводов Q
к
Я
_** КНС
Я
" с
(3)
Тогда расход воды по 1-й скважине с учётом приведения к объёмам через КНС Qi (м3/ч) определяется как произведение объёма закачки по скважине Q ■ и коэффициента нормализации объёма:
Q =k • Q
н ^с
(4)
кср =— ср т
сР
где т — количество скважин, на которых потери
ср
гидравлической мощности при штуцировании превы-
шают среднюю величину, ед; тскв — общее количество скважин, ед.
Коэффициент оценки фонда скважин, на которых потери гидравлической мощности при штуци-ровании превышают допустимое значение:
т
Ьдоп =
доп
(6)
т.
где тдоп — количество скважин, на которых потери гидравлической мощности при штуцировании превышают допустимое значение, ед.
Допустимые потери мощности определяются по формуле (1) с учётом допустимого перепада давления на штуцере при штуцировании АРдоп, которое задаётся пользователем алгоритма.
Для системы в целом фактическая и нормативная потребляемые гидравлические мощности могут быть определены из условия энергетического баланса:
пВРП
N = П N +
ф,н к= ^ ЕНС-ВЯП1 ф, Н
(7)
пВРП скет
+ П N
+ П N
Фактические потери гидравлической мощности на каждом параллельном линейном участке боков («Трубопроводы КНС-ВРП», «ВРП», «Скважины») рассчитываются по формуле (1). При этом перепад давления для каждого участка определяется по измерительным приборам на входе и выходе блпкя, а расход — по показаниям расходомеров.
Нормативная потребляемая гидравлическая мощность по блокам должна быть определена на основании гидравлического расчёта системы трубопроводов с учётом схемы расположения труб, пкРП ометрических характеристик и свойств жидкости, но, как было отмечено ранее, это не всегда возмк ж -но. Поэтому, за норматив можно пр икять приближенные величины, рассчитанные по формуке (1— в которой нормативный перепад давле н кя на участках блоков «Трубопроводы КНС-ВРП» и «ВРП» задаётся исходя из оценки гидравлического сопротивления действующей сети трубопроводов ПДД за предшествующий период.
Для участков со штуцерами (блок «Скважины») нормативный перепад давления определяется из условия отсутствия штуцирования. При этом для текущего мониторинга энергоэффективности работы блока «Скважины» вводятся следующие коэффициенты.
Коэффициент оценки фонда скважин, на которых потери гидравлической мощности при штуци-
ровании превышают среднюю величину т-р
(5)
кят1 ф , н
н = Я 1 = Я
ске 1 ф,н
где пкят
П УЕНС-ВЯП1 ф, н — суммарная потребляемая мощ-ност! по блоку «КНС-ВРП» для всех параллкльных участков системы, а пВРП — коли-тпстто ВРП, ед;
+ П Уврп1ф о — суммарнап потребляемая мощ-н =я ' носкя по блоку «ВРП» для всех па-
раллельных веток системы ^ВРПк — мощность, потребляемая по блоку «ВРП» на ¿-м участке к-го ВРП, с-врпм — ооличество скважин на к-й ВРП, которой принадлежит ¿-я скважина, ед.);
ске т
П Уске 1 —,о — суммарная гидравлическая 1 =я мощность, потребляемая по блоку
«Скважины».
Таким образом, рассчитав фактические и нормативные значения потребляемых гидравлических мощностей по участкам, блокам и по системе ППД в целом, можно определить энергоэффективность любого элемента системы ППД по выражению (2).
Такой подход позволяет проводить поэлементный (блочный) мониторинг фактических показателей работы объектов нефтедобычи в реальном времени и сравнивать их с нормативными величинами с последующей оценкой отклонения фактических данных от норматива.
Это, в свою очередь, позволит оперативно выявлять перерасход энергоресурсов и принимать своевременные организационные и технические меры по его исключению, не ожидая периодического энергоаудита предприятия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Привалов С.Н. Повышение энергоэффективности на предприятиях ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь» // Инженерная практика. — 2010. — № 3. — С. 18-24.
2. Демьянюк Е. Революция на скважине // Сибирская нефть. — 2011. — № 83. — С. 36-37.
3. Павлов ГА., Горбатиков ВА. О проблемах энергосбережения и энергоэффективности в системах поддержа-
ния пластового давления // Нефтяное хозяйство. — 2011.
— № 7. — С. 118-119.
4. Байков И.Р., Елисеев М.В. Повышение энергоэффективности нефтедобычи // Инженерная практика. — 2010.
— № 3. — С. 42-43.
5. Зуев А.С., Свидерский С.В. Управление энергоэффективностью как инструмент снижения операционных затрат // Новатор. — 2011. — № 44. — С. 21-23.
О
MIOGE
13-я Московская международная выставка
«Нефть и газх/MIOGE 2015
23 — 26 июня 2015 года
Приглашаем Вас принять участие в 13-й Московской международной выставке «НЕФТЬ и ГАЗ«/ MIOGE 2015 - главном событии года в нефтегазовой отрасли (Москва, ЦВК «Экспоцентр»), которая является местом встречи крупнейших нефтегазодобывающих компаний, поставщиков оборудования и услуг для нефтегазовой отрасли, специалистов — нефтяников.
http://www.mioge.ru/ - телефоны: 8(499) 155 -42 -43, 8(499) 155 -42 -17
- эл. почта cnio@viniti.ru. fdk@viniti.ru
- факс 8(499) 930 -60 -00 (для ЦНИО)
INTEGRATED MODEL FOR ENERGY EFFICIENCY PERFORMANCE EVALUATION IN RESERVOIR PRESSURE MAINTENANCE SYSTEMS
Vinogradov P.V., Leading Engineer, BashNIPIneft (30-1, ul. Karla Marksa, Ufa, 450077, Russian Federation) Garris N.A., Dr.Sci.(Tech.), Professor, Ufa State Petroleum Technological University (1, ul. Cosmonauts, Ufa, Republic of Bashkortostan, 450062, Russian Federation)
Morozova N.V., Cand.Sci.(Tech), Docent, Ufa State Petroleum Technological University (1, ul. Cosmonauts, Ufa, Republic of Bashkortostan, 450062, Russian Federation)
Volokitin K.Yu., Manager, TNK-BP Management (1, ul. Arbat, Moscow, 119019, Russian Federation) E-mail: morozova05@inbox.ru
ABSTRACT
Article developed and methodologically sound integrated model for calculating energy efficiency indicators for pipelines reservoir pressure maintenance system with the external influencing factors, based on the energy balance equation. Keywords: pipeline, energy, the system of reservoir pressure maintenance.
REFERENCES
1. Privalov S.N. Povysheniye energoeffektivnosti na predpriyatiyakh LUKOYL-Zapadnaya Sibir. Inzhenernaya praktika. 2010, no. 3, pp. 18-24 (in Russian).
2. Dem'yanyuk Ye. Revolyutsiya na skvazhine. Sibirskaya neft. 2011, no. 83, pp. 36-37(in Russian).
3. Pavlov G.A., Gorbatikov V.A. O problemakh energosberezheniya i energoeffektivnosti v sistemakh podderzhaniya plastovogo davleniya. Neftyanoye khozyaystvo. 2011, no. 7, pp. 118-119 (in Russian).
4. Baykov I.R., Yeliseyev M.V. Povysheniye energoeffektivnosti neftedobychi. Inzhenernaya praktika. 2010, no. 3, pp. 42-43 (in Russian).
5. Zuyev A.S., Sviderskiy S.V. Upravleniye energoeffektivnost'yu kak instrument snizheniya operatsionnykh zatrat . Novator. 2011, no. 44, pp. 21-23 (in Russian).
