油田注水系統效率優化與研究

李榮朵 周赤峰 史鵬飛 李金宇 張林（華北油田公司第四采油廠）

油田注水系統效率優化與研究

李榮朵 周赤峰 史鵬飛 李金宇 張林（華北油田公司第四采油廠）

華北油田自 2005年開始開展注水系統效率技術研究與應用，在系統的優化方面具有較為雄厚的技術優勢，經過幾年的研究攻關，技術不斷進步、完善。成為注水系統調整改造中的技術支撐，并形成了地面注水系統圖形仿真、地面注水系統機泵工況診斷、地面注水系統管網分壓優化、地面系統效率綜合評價技術等四項主導技術。通過深化注水系統井筒、儲層效率技術研究，加快成果的應用，形成一整套具有推廣價值的診斷、分析、評價集成技術，為注水系統優化設計、高效運行提供必要的技術保障。該技術在油田注水領域具有先進性、完整性、創新性，現場應用后取得了明顯的效果。

油田注水 系統效率 仿真優化 注水系統

“十一五”期間，華北油田完成注水系統效率診斷測試機泵 1720 臺次，注水管網 515條，注水井 7000井次，調整改造地面注水系統 35座，累計節電 2475.86×104kWh。

1 概述

為實現注水系統“注好水、注夠水、精細注水、有效注水”的戰略目標，整合并提高“十一五”期間注水系統效率技術研究的技術成果，形成了一套具有實用和推廣價值的診斷、分析、評價技術，以提升在注水系統效率技術研究的科技創新力和核心競爭力，盡快成為國內注水系統效率技術研究領域的技術領先者。以注水系統注水水質—注水機泵—管網—注水井—井筒—儲層為對象，應用仿真優化技術對系統各節點效率進行計算分析，為注水系統優化設計、高效運行提供必要的技術支撐。

某油田注水系統建于 1979 年，包括兩座注水站。均采用高壓離心泵注水，日注水量 3500m3。兩 座 注 水 站 注 水 單 耗 分 別 是 9.66kWh/m3和 18.38 kWh/m3，年耗電量高達 2030× 104kWh。針 對注水系統存在注水單耗高等問題，2011年對該油田展開了注水系統優化改造，對兩座注水站應用仿真優化技術對系統各節點效率進行計算分析，計算出系統能耗和單井耗能，利用注水系統效率集成軟件對注水泵的運行參數進行了優化，把離心泵調整為高效注塞泵，改造后不僅提高了機泵使用效率，同時也降低了注水單耗，效果顯著。

2 技術原理

2.1注水系統效率技術[1]

2.1.1 注水系統流量診斷技術

式中：

C——聲速；

Δt——順逆流傳播時間差；

β——聲路角；

L——聲程；

v——液體沿管道中心線的速度；

D——管道直徑。

如果已知 L、C、D 和 β ，只要能夠測得順流和逆流傳播時間差 (Δt)就可以求出速度 v ，進而得到瞬時流量。

2.1.2 井筒效率計算分析方法

當 v ≥1.2m/s時

當 v ≤1.2m/s時

式中：

pj——注水管柱水力摩阻損失，MPa；

υ ——管柱內平均水流速度，m/s；

d——管柱內徑，m；

h——管柱長度，m。

2.1.3 水嘴壓力損失計算方法

注入水通過配水嘴的流動規律一般通過地面模擬試驗來確定，用嘴損曲線來表征直徑d、流量與嘴損之間的關系。研究表明，嘴損規律經驗相關式為：

式中：

pz——嘴損壓力差，MPa；

d——配水嘴的直徑，mm；

qz——流經水嘴的流量，m3/d。

2.1.4 注水井井筒效率[2]

注水井井筒系統內有效功率與輸入功率的比值，?以百分數表示。

式中：

pj——注水管柱水力摩阻損失，MPa；

pk——注水井井口注水壓力，MPa；

pz——嘴損壓力差，MPa；

d——配水嘴的直徑，mm；

qz——流經水嘴的流量，m3/d；

q ——注水井注水量，m3/h。

2.1.5 注水系統井筒效率

注水站輸出的所屬注水井的井筒有效功率與注水井井筒輸入功率的比值，以百分數表示。

式中：

pj——第 i口注水管柱水力摩阻損失，MPa；

Pk——第 i口注水井井口注水壓力，MPa；

qvj——第 i口注水井注水量，m3/h；

pz——為嘴損壓力差，MPa；

qz——流經水嘴的注水量，m3/d。

2.1.6 注水站效率 ηz

式中：

p3——注水站外輸水出站壓力，MPa；

p1——泵進口壓力，MPa；

Qgx——注水站出口流量，m3/h；

∑Pe——注水站拖動注水泵電動機輸入電功率之和，kW。

注水系統效率：

式中：

η——注水系統效率，%；

ηep——注水機泵效率，%；

ηn——注水管網效率，%。

注水系統單耗 DH1：

式中：

W1——注水系統電動機耗電量，kWh；

V1——注水系統注水量，m3。

2.2注水系統能耗分布

注水系統能耗分布圖見圖1，注水系統能耗示意圖見圖2。

圖1 注水系統能耗分布圖

圖2 注水系統能耗示意圖

3 注水系統效率集成軟件結構設計

以注水系統注水水質—注水機泵—管網—注水井—井筒—儲層為對象，應用仿真優化技術對系統各節點效率進行計算分析，形成一套具有實用和推廣價值的診斷、分析、評價技術，為注水系統優化設計、高效運行提供必要的技術支撐。

注水系統效率診斷分析示意圖見圖3。

圖3 注水系統效率診斷分析示意圖

4 主要工藝參數優化設計改造方案

依據對該油田注水系統的系統效率診斷、測試結果，應用軟件計算分析兩座注水站系統效率分別是 34.7%和 24.86%，分析注水系統單耗高的主要原因是注水機泵效率過低導致的，兩座注水站機泵效率分別只有 47.14%和 39.2%。

應用仿真優化軟件技術，對大量的診斷測試數據系統分析，通過計算機對整個油田注水系統的模擬計算，推算改造效果，經過充分論證，最終確定了改造方案和技術實施方案，篩選了應用9臺五柱塞泵。將兩座注水站高壓離心注水泵更換為高壓柱塞泵，從而達到提高整體注水系統效率，降低單耗，節約能源的目的。

按優化設計選定參數，電動機功率 315kW；設 計 排 量 30m3/h； 設計壓力 29.5MPa；電壓 380V；一個注水站日常運行開4備2，安裝 2臺變頻器，一拖二控制4臺注水泵。另一個注水站改造后日常運行開 2備 1，1臺水泵工頻控制，另1臺水泵變頻控制 ，日注水能 力 達 1400m3/d。 兩 個 注 水 站合計注水能力可達到 5000m3/d。

5 經濟效果評價

該油田的兩個注水站分別于 2011 年 11 月改造投產試運行。按照設計方案實施應用后，經專業部門組織節能監測站對系統效率進行測試，測試數據見表1。

表1 注水站改造前后測試數據

節能計算方式：

節電量＝日注水量×（改前日注水單耗－改后日注水單耗） ×365

年節電698×104kWh。

該項目共投資1089萬元，年可創造經濟效益502萬元。

6 結語

1）油田注水系統通過對注水站系統效率診斷分析，給出了電動機、泵、管網、配水間、注水井等優化參數，提出優化設計分析方案。

2） 應用仿真技術對兩座注水站的機泵、管網、注水流程進分析制定出的技術對策，現場實施后節能效果顯著，平均機泵效率 80.03%、系統效率57.37%。均達到注水系統節能及經濟運行指標，該技術在國內屬領先水平。

3）應用注水系統效率集成開發軟件，對注水系統效率技術做了深度研究，依據注水系統效率診斷分析軟件結果對兩座注水站的運行方式進行了技術改造后，年節電 698×104kWh，創造經濟效益502萬元。

4）該技術目前成為成熟集成技術，由地面注水系統效率研究延伸到注水系統井筒、儲層效率技術研究形成了全方位立體的應用成果，為油田的節能降耗提高注水系統效率提供了先進的技術保障。

[1]萬仁溥,羅英俊.采油技術手冊[M].北京:石油工業出版社,1991:241-251.

[2]李 穎 川.采 油 工 程 [M].北 京:石 油 工 業 出 版 社,2009: 212-216.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.003.002

2012-08-23）

李榮朵，工程師，1981年畢業于華北石油學校，主要從事油田節能新技術應用與管理工作， E-mail： cy4_lrd@petrochina. com.cn，地址：河北廊坊萬莊采油四廠設備管理中心，065000。