提高老河口油田注水系統(tǒng)效率的技術措施

趙輝 趙華 眭純華（中石化勝利油田分公司樁西采油廠）

近年來，針對勝利油田老河口油田的注水開發(fā)實際，運用注水參數(shù)優(yōu)化方法，確定合理的系統(tǒng)運行參數(shù)，綜合應用配套工藝技術，對系統(tǒng)實施改造，提高了系統(tǒng)效率，達到了節(jié)能降耗的目的。

1 油田注水系統(tǒng)現(xiàn)狀

老河口油田共有樁120 注、老河口注2 座注水站，截至2012年12月，共有注水井55 口，開井45口，配注4880 m3/d，實際注水量4776 m3/d，平均注水泵壓16.0 MPa，注水干線壓力15.0 MPa，平均井口油壓8.48 MPa。有油井133 口，開井106 口，產液5319 m3/d，采油780 t/d。

樁120 注水站配有2 臺5ZB-12/42 型柱塞泵，設計能力800 m3/d，正常運行1 臺，實際供水550 m3/d。老河口注水站配置1 臺DF120-150×11型離心泵，2 臺DF140-150×11 型離心泵，設計能力6240 m3/d，正常運行1 臺，實際供水4226 m3/d。

樁120 注與老河口注通過站外注水管網(wǎng)相連形成同一壓力系統(tǒng)。

老河口注水系統(tǒng)平均電動機效率為95%，注水泵泵效68.06%，管網(wǎng)效率51.37%，系統(tǒng)效率33.21%，注水單耗6.87 kWh/m3，低于50%的國家二級企業(yè)標準。老河口注水系統(tǒng)節(jié)點壓力分布見表1。

表1 老河口注水系統(tǒng)各節(jié)點平均壓力損失

2 存在的問題

2.1 供注不匹配，注水系統(tǒng)效率低

老河口油田油藏類型復雜，平面、層內矛盾突出，造成注水井注水壓力差異大。據(jù)統(tǒng)計，正常注水的45 口井中，有30 口注水井的配水間注水壓力在10 MPa 以下，累計注水量占總注水量的63.8%。由于注水系統(tǒng)壓力按照滿足最大注水壓力（16 MPa）設計，與油田實際注水需要不匹配，導致大部分注水井利用閥門控制注水。由表1 可知，配水間控制損失為5.43 MPa，泵、干線壓差1.0 MPa，兩項合計占系統(tǒng)壓力總損失的85.5%，注水能耗大。

2.2 供水量變化大，注水離心泵難以保證在高效區(qū)運行

隨著樁106 新區(qū)的注水開發(fā)，區(qū)塊注水調配頻繁，注水量在3800～5000 m3/d 波動，導致老河口注水站離心泵運行參數(shù)變化大。在用的計量儀表計量精度低，可靠性、穩(wěn)定性差，不能準確地監(jiān)控注水泵狀態(tài)參數(shù)；人工調節(jié)注水泵工況不及時，主觀因素較強，人為誤差大，難以保證離心泵在高效區(qū)運行，影響了注水泵效的提高。測算表明，離心泵在泵效70%～75%之間運行時，泵效每降低1%，平均注水單耗增加0.075 kWh /m3。

2.3 老河口注單泵供水量大，樁120 注注水泵老化嚴重

老河口注DF120-150×11 型離心泵在高效（70%～73%）區(qū)運行時，日供水量為2880～3360 m3；DF140-150×11 型離心泵在高效（73%～75%）區(qū)運行時，日供水量為3360～3840 m3（表2）。

表2 DF140-150 型多級離心泵性能參數(shù)

為滿足區(qū)塊注水量4776 m3/d 的需要，老河口注水站需運行2 臺DF120-150×11 型離心泵，供水量為5760 m3/d(泵效70%)，打回流量達10 00m3/d，浪費電量6680 kWh/d。因此，老河口注只能運行1臺離心泵，不足的水量需通過樁120 注的柱塞泵進行調節(jié)。

樁120 注的2 臺5ZB-12/42 型注水泵老化嚴重，1 臺注水泵因泵溫高長期停運，僅能運行1 臺注水泵，供水量為550 m3/d，泵效69%。老河口注離心泵的供水量達4226 m3/d，導致注水泵偏離高效區(qū)，系統(tǒng)能耗高，不能滿足區(qū)塊供水日益增長的生產需要。

3 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方案

方案原則：以滿足油田注水需要為前提，確定合理的系統(tǒng)壓力和各部分的損失，達到合理利用能量，提高系統(tǒng)效率的目的。

3.1 系統(tǒng)能量損耗分析

老河口注水系統(tǒng)電動機輸入總功率為1120 kW，注水有用功率468 kW，注水損耗功率652 kW，占輸入功率的58.2%。其中，配水間閥控損耗功率為300 kW，占損耗功率的46.01%，注水泵損耗為180 kW，占損耗功率的27.61%，其他功率損耗為172 kW，占損耗功率的26.38%。

閥控損失是指由于泵的排量、壓力與實際注水需要不匹配，通過控制閥門開閉度產生節(jié)流損失來滿足注水需要。

注水泵損失主要由機械磨損、容積漏損、水力功率變轉損失構成。

注水泵電動機損失是電動機本身的無功損耗，其大小主要受設備機型、電動機質量的影響。

管損與供水量、管線的內徑、長度、內壁粗糙度有關。

降低注水泵能耗的主要措施是：優(yōu)化注水運行壓力，努力降低閥控損失；提高注水泵效，確保注水泵在高效區(qū)運行。

3.2 系統(tǒng)壓力分析

系統(tǒng)總壓力（泵壓）可由下式求得：

式中：

f泵——泵壓，MPa；

fa——泵閥損失，MPa；

fb——干線沿程損失，MPa；

fc——配水間控制損失，MPa；

fi——配水間油壓，MPa。

理想情況下，不存在配水間的控制損失，即fc＝0，則

參數(shù)優(yōu)化的目標是求取f泵為最小值，按照設計規(guī)范以fa≤0.5MPa、 fb≤0.5MPa 作為目標值，關鍵是fi值的大小。

fi的確定：尋求這樣一個壓力值，即滿足絕大多數(shù)注水井注入壓力的需要，對不能滿足注入壓力要求的少部分井采取單井增壓泵增注、作業(yè)增注等措施，以滿足油田開發(fā)的需要。

按上述公式，統(tǒng)計老河口注水系統(tǒng)的井口注水壓力分布情況，并計算出泵壓值及注水井壓力覆蓋率、注水量覆蓋率（表3）。

由表3 可知，注水泵壓為13 MPa 時，壓力覆蓋率為75.5%，水量覆蓋率為70.8%；泵壓為14 MPa時，壓力覆蓋率為91.1%，水量覆蓋率為94.4%，因此，確定合理的注水泵壓為14 MPa 左右。目前老河口注離心泵的額定揚程為1 650m（16.5 MPa），高于區(qū)塊需求的注水壓力，因此需對離心注水泵進行改造，適當降低離心泵揚程。

4 方案改造措施

4.1 注水設備、注水管網(wǎng)改造

針對樁120 注水站注水泵老化嚴重，站外供水管網(wǎng)管損（1 MPa）大的問題，2005年10月改造了樁120 注水站5ZB-12/42 型柱塞泵3 臺，設計供水量1600 m3/d。配套建設180 mm 供水管線1.3 km，114 mm 供水管線1 km，滿足了區(qū)塊注水需要。

4.2 確定注水泵壓力

通過優(yōu)化注水參數(shù)，確定注水泵壓力14 MPa。根據(jù)離心泵的性能曲線查得DF140-150×10 型注水泵的排量為3840 m3/d，泵效為75%，揚程為1450 m；DF120-150×10 型注水泵的排量為3360m3/d，泵效為73%，揚程為1420 m。性能參數(shù)與區(qū)塊注水壓力需要相匹配，因此，可將11 級離心泵拆級改造成10 級，降低離心泵揚程。

4.3 系統(tǒng)負荷的匹配

要降低泵、干線壓差，需要注水站供水能力與系統(tǒng)負荷的匹配[1]。利用樁120 注的柱塞泵，通過變頻裝置控制供水量，實現(xiàn)樁120 注供水量160～1600 m3/d 連續(xù)可調，保證老河口注水系統(tǒng)供水量在2880～7840 m3/d 范圍內均勻調節(jié)水量的需要。系統(tǒng)供水量按5000 m3/d 設計，注水站供水量與區(qū)塊注水量平衡能力見表4。

表4 老河口注、樁120 注系統(tǒng)供水與區(qū)塊注水量的平衡

4.4 系統(tǒng)參數(shù)的運行調節(jié)

對于老河口注水站采用傳統(tǒng)的控制方式，注水泵的運行工況調節(jié)由人工操作。由于注水系統(tǒng)外網(wǎng)供水量的變化和供電方面的電壓波動較為頻繁，人工難以及時調節(jié)，使注水泵偏離高效區(qū)運行，降低了注水泵機組的運行效率。另外，部分離心泵存在潤滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、溫度、壓力等方面設施老化現(xiàn)象，故障頻繁發(fā)生，嚴重影響了注水泵機組的安全生產運行。同時，在用的計量儀表為電子水表、普通壓力表，存在示值不準的問題，難以對注水泵的運行效率作出準確的評價，因此，需安裝注水泵狀態(tài)自動監(jiān)控裝置，確保系統(tǒng)安全、高效運行。

樁120 注柱塞泵排量恒定，單臺泵低于額定排量800 m3/d 時的供水量需通過打回流控制，造成能量損耗、控制閥損壞，人工調節(jié)供水工作量大、不及時，因此，需安裝柱塞泵變頻裝置實現(xiàn)自動恒壓注水。

系統(tǒng)按泵壓14 MPa 運行時，有4 口注水井系統(tǒng)壓力無法滿足注入要求，需要采取提壓增注措施。

5 配套工藝技術的應用

根據(jù)確定的系統(tǒng)參數(shù)，綜合應用了多項先進工藝技術，對系統(tǒng)各方面進行了配套技術改造。

5.1 注水泵拆級改造技術

經(jīng)分析，將11 級離心泵拆級為10 級，拆除第6 級最為合理，一方面前后各有5 級葉輪，保證受力均衡；另一方面，拆除的葉輪處在中間位置，可降低泵軸的撓度，有利于轉子動平衡。2013年5月對1 臺DF-140 型、1 臺DF-120 型注水泵拆級后，注水泵壓由16.5 MPa 降至15 MPa，滿足了區(qū)塊注水壓力需要。

5.2 注水泵狀態(tài)監(jiān)控技術

2013年7月，在老河口注水站上應用注水泵自動監(jiān)控裝置1 套，系統(tǒng)具有自動調控、巡視、保護、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡通訊等5 項功能，實現(xiàn)系統(tǒng)全過程控制，可自動對注水泵出口閥門的開閉度進行無級同步調速；同時，通過對注水泵輸出流量、泵壓、泵電動機電流，大罐液位、機組溫度、來水壓力、干線壓力等參數(shù)的監(jiān)測、計算、優(yōu)化，確保了注水泵在高效區(qū)運行。系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)的同時，具有顯示報警功能，保證了系統(tǒng)安全運行。

現(xiàn)場應用表明，該系統(tǒng)能夠滿足狀態(tài)監(jiān)測與工況調節(jié)的要求，可靠性、穩(wěn)定性好，使用操作方便。對提高泵站的運行效益及注水設備管理自動化水平起到了良好的促進作用[2]。

5.3 柱塞泵變頻調節(jié)離心泵供水量工藝

離心注水泵因單泵排量大，水量調節(jié)范圍小，通常采用大、小排量離心泵組合和高壓變頻技術進行水量連續(xù)調節(jié)，但存在投入高的問題。

變頻調速器對柱塞泵控制的工作原理是：將注水干線壓力通過壓力傳感器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇删幊炭刂破鳎删幊炭刂破髯鳛橹虚g環(huán)節(jié)控制變頻器，使變頻器的輸出頻率在0～50 Hz 之間連續(xù)可調，改變電動機轉速，調節(jié)供水量。當實際干線壓力值低于設定值時，變頻器自動增加輸出，反之減少輸出，以此達到供水平衡。

將柱塞泵變頻與離心泵組成一個供水系統(tǒng)，區(qū)塊供水量與離心泵在最佳工況點運行時的供水量差值，可由變頻裝置自動調節(jié)柱塞泵供水量得到連續(xù)補充，保證了離心泵始終在高泵效區(qū)運行。

5.4 增壓注水、水井調剖技術

安裝增壓泵4 臺，滿足了樁106-22-X22、老13-7、樁106-16-11、樁106-13四口壓力高于14 MPa注水井注水需要，日增注水量180 m3。

針對樁106-20-X16、106-19-X16、106-19-19、106-18-20、106-12-15 五口水井地層非均質嚴重，注水壓力低，水驅效果差的問題，采取水井調剖措施，實施后對應油井增油764 t，注水壓力平均增加2.9 MPa，提高了管網(wǎng)效率。

6 實施效果

應用綜合配套技術對老河口注水系統(tǒng)進行改造后，較大改善了注水系統(tǒng)運行狀況，取得了明顯的經(jīng)濟效益。因區(qū)塊注水結構調整，日供水量由措施前的4776 m3下降至目前的4416 m3。與改造前相比，注水泵壓由16 MPa 下降到13.8 MPa，井口壓力由8.48 MPa 上升至9.37 MPa，系統(tǒng)壓力總損失減少了3.09 MPa。通過應用柱塞泵變頻調節(jié)離心泵供水工藝及狀態(tài)監(jiān)控技術，確保了離心泵在最佳工況點運行，系統(tǒng)平均泵效由68.06%上升至75.6%（其中老河口注水站的DF140-150×10 型注水泵的泵效達74.1%），注水系統(tǒng)效率由33.21%上升至48.4%（表5、表6）。

1 m3水耗電量由6.87 kWh 下降為5.33 kWh，日節(jié)電6800 kWh，年節(jié)電248×104kWh，年節(jié)約電費110 萬元。

表5 老河口注水系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后壓力分布對比

表6 老河口注水系統(tǒng)各項效率值及節(jié)電效果對比

7 結論

1）應用綜合配套工藝技術對老河口注水系統(tǒng)進行改造，保證了注水泵始終處于最佳工況點運行，提高注水泵站的運行效率，取得了明顯的經(jīng)濟效益，對油田注水系統(tǒng)降本增效，提高注水站管理水平具有指導意義。

2）應用柱塞泵變頻技術與離心泵合理匹配的注水系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)供水量的自動調節(jié)，保證了離心泵始終處于高泵效區(qū)運行，滿足了區(qū)塊注水需要。

3）通過推廣應用注水系統(tǒng)自動監(jiān)控技術，實現(xiàn)注水全系統(tǒng)每個生產運行環(huán)節(jié)的實時監(jiān)測與控制，并將各項運行參數(shù)、處理工況傳輸至中心控制室，提高了生產運行的智能化控制程度，為生產提供及時、準確的數(shù)據(jù)，增大了注水系統(tǒng)安全運行系數(shù)和系統(tǒng)運行效率，實現(xiàn)了偏遠井、站無值守，達到了節(jié)能降耗的目的。

4）小排量離心注水泵泵效低(＜75%)，今后離心泵站改造中宜應用大排量柱塞泵（1200 m3/d）取代離心泵，降低注水泵能耗損失。

[1]王莉,丁波,于力.杏南油田注水系統(tǒng)變頻調速節(jié)能降耗分析[J].油氣田地面工程,2000,19(3):25-28.

[2]王正武.油田注水泵的狀態(tài)監(jiān)測[J].中國設備工程,2003(5):35-37.