吐哈油田注水系統問題分析

馬燕 劉紅祥 賈雙杰 艾秋順 張軍

（1.吐哈油田分公司技術監測中心節能監測站；2.吐哈油田分公司鄯善采油廠）

1 現狀

注水系統是由注水站、配水間和注水管網相互聯系的一個龐大復雜的系統。其基本流程為：水源—注水站—管網—配水間—注水井—地層，其中地面部分的流程為：水源—注水站—管網—配水間—注水井井口，地下部分的流程為：注水井—地層。從注水流程可以了解到注水系統主要具有以下特點[1]：系統規模龐大；系統變量多、參數多；系統具有相關性；系統結構多樣；功能多。為了分析影響吐哈油田注水系統效率因素，挑選了9個注水系統進行測試，9個注水系統的評價數據如表1[2]。

表1 9個注水系統的評價數據

2 注水系統問題分析及相應節能整改措施

通過測試、計算9個注水系統效率和注水系統效率存在問題的分析因素，確定了影響吐哈油田注水系統效率有以下六個方面問題，并針對相應的注水系統問題提出相應的節能技術措施。

2.1 泵機組效率低

抽測的9個注水系統中共運行14臺注水泵，通過測試、評價，14臺運行注水泵的泵機組效率、泵效率和電動機效率如表2。

表2 抽測注水泵運行情況

表3 10臺低效率泵機組運行參數

14臺注水泵的泵機組效率平均值66.96%，與標準GB/T 31453—2015《油田生產系統節能監測規范》指標大于或等于72%比對，僅有4臺達到指標，泵機組效率偏低，偏低原因主要有負荷低、泵效率低的原因。針對注水機組效率低的原因具體進行分析。對10臺低效率泵機組進行統計，其運行參數匯總如表3。

2.1.1 負荷低

通過表2可以看出，東成站注水系統、丘陵35 MPa注水系統、勝北25 MPa注水系統和鄯善聯合站25 MPa注水系統（溫西六區域）4個注水系統的注水泵運行負荷比額定偏差較大，東成站注水系統、丘陵35 MPa注水系統和勝北25 MPa注水系統使用了變頻控制柜裝置，有效提高了注水泵機組效率，但仍然存在一定的提升空間；鄯善聯合站25 MPa注水系統（溫西六區域）運行負荷低且沒有使用變頻控制柜，泵機組效率僅為52.68%。根據實際情況提出相應的節能措施。

1）實施階梯泵改造，使泵站運行組合的種類增加[3]。為了便于管理，原設計一座泵站只配置一種型號的注水泵，在排量不匹配的注水泵站能源浪費較為嚴重。

鄯善采油廠丘陵35 MPa注水系統，原安裝有5ZB-12/42注水泵（額定流量13.9 m3/h）8臺，目前日注水量410 m3左右，正常開泵1～2臺，使用中常出現1臺不足，注水泵超負荷運行，開2臺泵供水能力過大，采用變頻控制和注水泵改崗技術，但注水泵實際運行效率偏低。針對這種情況，建議實施多型號臺階式配置改造并配置變頻控制柜，將2臺5ZB-12/42注水泵分別更換為3ZS-4/50型（35 MPa/5.5 m3/h）、3H-8/450Ⅱ型 （37 MPa/8.3 m3/h） 注水泵各l臺，這樣能根據實際注水量選擇合適額定排量注水泵搭配，改善注水泵的運行工況，提高系統的注水泵效，提高注水系統效率，達到降低能耗的目的。

溫米東成站注水系統，目前安裝了5ZB-12/42型注水泵（額定流量13.9 m3/h）3臺，最大日注水量300 m3左右，測試時日注水量在112 m3，正常開泵1～2臺，最大注水量是需要1.5臺的額定排量，測試的運行排量為額定排量40%，采用變頻運行，泵機組效率為63.70%。建議實施多型號臺階式配置改造并配置變頻控制柜，將1臺5ZB-12/42型注水泵更換為3ZS-29/13型（35 MPa/6.9 m3/h），根據需要注水量合理選擇注水泵投用，提高注水泵效和注水系統效率，達到降低能耗的目的。

2）采用變頻控制技術[4]。實現注水系統排量與壓力的自動調節，達到節能降耗目的。柱塞泵與離心泵相比，首先是其自身效率相對較高，并且當前低壓變頻調速技術相對成熟及國產化，可以對其采取有效的變頻調速控制，通過調節電動機轉速，對泵排量及出口壓力進行調節，在滿足注水壓力需求的前提下，確保注水站在無回流狀況下運行。

鄯善聯合站25 MPa注水系統（溫西六區域）的運行注水量為9.17 m3/h，注水站出口壓力27.2 MPa，額定流量20.2 m3/h，額定壓力是25 MPa，工頻運行。通過運行數據與額定參數對比，注水泵效率行低的原因是實際注水量遠低于額定排量，處于“大馬拉小車”現象，同時沒有采取任何節能措施，工頻運行。考慮實際注水情況，建議對鄯善聯合站25 MPa注水系統（溫西六區域）B12#注水泵安裝變頻控制柜，降低運行頻率，調節電動機轉速，達到合理調配流量作用，提高注水泵機組效率；或者更換注水泵運行，使用小的額定排量注水泵，如額定排量為13.9 m3/h注水泵。

2.1.2 泵效率低

泵機組運行效率是電動機效率與泵效的之積，泵機組效率低兩個方面的影響：一是電動機效率低；二是注水泵的效率低[5]。

玉北脫水站42 MPa注水系統運行的4臺注水泵，4臺注水泵機組的平均效率為64.87%，4臺注水泵中有3臺工頻運行，平均負荷在88%，基本符合額定工況運行要求，另外1臺變頻運行，運行頻率為35.0 Hz，因此玉北脫水站42 MPa注水系統處于高負荷運行。泵機組處于高負荷運行狀態，其運行效率達不到公司要求，原因是4臺注水泵的泵效率低，平均只有74.69%。經過分析和檢查，發現造成玉北脫水站42M Pa注水系統泵效低的原因是注水泵嚴重腐蝕。系統注水的的水質礦化度異常的高，最高可達8×104mg/L，通過處理后，注水泵入口的礦化度仍有1×104mg/L左右，造成注水泵嚴重腐蝕。注水泵缸的腐蝕程度如圖1所示。

圖1 玉北脫水站注水系統注水泵缸的現場

為了提高玉北脫水站42 MPa注水系統的系統效率，需要提高注水泵機組效率，提高注水泵效率，減少泵的腐蝕。目前魯克沁采油廠根據已經對注水泵進行了改造，將注水泵更換為材質最好的，目前仍然腐蝕嚴重。建議考慮改變注水系統的水質，降低注水水質的腐蝕性，可以考慮采取以下措施：犧牲陽極法，由于在注水泵缸里無法進行，考慮在注水泵前段的水罐進行補充介質所需要的電子方法，即在水罐增加鋅塊或其他易失去電子金屬，降低介質腐蝕性；凈化法，安裝污水升華裝置，對系統的水進行處理，降低系統礦化度，但本方法前提是降低礦化度的水注入地層不影響與地層的水融和；藥劑法，在進入注水泵的水加入防腐劑，降低水質對注水泵缸的腐蝕；涂膜法，在注水泵的缸體和閥體等部位涂上防腐膜，能夠很好的防止垢的生成和對泵的腐蝕，同時減小運行中的機械損失，并能增加流速來提高整體效率，從而降低能量損耗。

2.2 機泵搭配不合理

功率與負荷合理匹配，避免“大馬拉小車”現象出現。注水泵廠家一般出于安全考慮，所配電動機功率偏大，造成“大馬拉小車”，電動機出力不足，無功功率損失大。因此，應根據注水泵運行中所需的最大軸功率，選配合適功率的電動機。

西峽溝注水系統屬于電動機功率和負荷匹配不合理問題，西峽溝注水系統的注水泵型號為3ZS-4/50，其額定排量為5.9 m3/h，額定輸出壓力為14 MPa，根據注水泵額定參數計算，其需要的功率為23 kW。該泵配置的電動機型號是YVP280M-6，額定功率為55 kW。從泵的額定參數和電動機的額定參數比對，此泵配置的電動機過大，屬于“大馬拉小車”現象，造成泵機組運行效率低，僅有61.19%。根據注水泵的實際情況更換合適功率的電動機，建議使用37 kW或者45 kW功率的電動機。

2.3 注水系統壓力相差大

注水井注入壓力差別大，導致注水站壓力等級匹配不合理，系統能耗較高。為了分析注水系統壓力匹配問題，對抽測的9個系統單井壓力進行統計，統計表如表4。

吐哈油田地處哈密盆地，主力油區以火山巖層地質為主，地質情況復雜，地層吸水性差別較大，同一區塊注水壓力相差較大。目前各注水站都采用注水站集中增壓，配水間節流降壓注水，注水能耗較高。例如勝北注水站，所轄勝北302、勝北3-6等注水井，井口注入壓力達23.5 MPa，為滿足個別注水井注入壓力需求，注水系統在24 MPa壓力等級運行；而勝北注水站在用的8口井中，有6口注水井注入壓力均低于9 MPa，需在單井節流降壓，如勝北3-34、勝北4-2井注入壓力僅需4～5 MPa，節流降壓幅度達18 MPa，能源利用率不高，注水單耗較高，系統效率低。

表4 注水系統單井壓力統計

另外，有的油田地質狀況復雜，注水井的注入壓力相差很大，為保證所有注水井的正常注水工作，注水管網來水壓力不得不采取“就高不就低”的原則，即注水管網壓力不能低于注水井最高注入壓力，低壓注水井的節流損失浪費能量，這樣就造成無謂的能量浪費，注水能耗較高。玉果7注水站，共有7口注水井，單井壓力大于系統壓力等級85%的有3口，低于系統壓力等級的70%有4口，基本各占一半，導致系統效率只有31.72%，系統單耗為0.897 6 kWh/(MPa·m3)，屬高耗能運行。

據統計，出現單井壓力范圍廣，相差的主要出現在吐魯番采油廠，下面將針對不同注水系統出現的單井注水壓力分布情況提出相應的解決措施。

1）單井增壓注水技術。一個注水系統中，單井需要的高壓注水比例低時，適當降低注水系統的壓力，而對少數高于系統壓力的注水井采用增壓注水泵，是注水井增注和提高系統效率、降低系統能耗的有效措施之一[6]。

勝北注水系統注水站出口壓力23.5 MPa，系統中需要此高壓井只有2口，占整個系統單井的25%，注水壓力分別為21.0 MPa和23.5 MPa；2口井的注水量為1.459 m3/h，占整個系統注水量的17.4%。其他6口注水井需要的壓力分別為8.5、8.4、6.8、5.0、4.0和0 MPa。所以根據勝北注水系統單井注水壓力分布，建議采用單井增壓注水技術，系統壓力降為8.5 MPa，對2口高壓的注水井采用增壓，提高到所需要的注水壓力。這樣大大降低了井口閥組節流損失，提高注水系統效率。

2）地面水力自動調壓節能注水技術。機理：利用干線壓力與低壓注水井之間的壓差，通過配水間調壓泵組，將低壓注水井閥控損失壓力轉化為增壓動力，提升來水壓力滿足高壓注水井需求。根據原理此技術適應注水系統中，高壓注水井與低壓注水井比例相當，或者高壓注水井需要的能量偏低，這樣可以降低系統壓力，利用地面水力自動調壓節能注水技術，把系統壓力與低壓注水壓力中間的能量轉換到需要高壓注水井上，提高高壓注水井需要。

果7注水系統和葡北注水系統可采用該技術。2個系統的注水井壓力大于注水站出口壓力70%分別有3口井和6口井，占系統總數分別為43%和37.5%，注水量占比為40%和38%。因此可以降低2個注水系統的壓力等級，通過地面水力自動調壓節能注水技術，把低于壓力等級的注水井的能量轉移到需要高于壓力等級的注水井，以提高壓力，滿足高壓注水井壓力要求。注水系統降低輸入能量，減少低壓井損失能量，可以很大程度上提高注水系統效率。

2.4 存在回流量

吐哈油田均采用高壓柱塞式注水泵注水。由于油田注水量的波動，注水泵難以調節水量部分，高壓水打回流造成能源的浪費。目前吐哈油田采油很多變頻裝置，解決了柱塞泵排量調節的問題，降低了能耗。目前因為注水系統運行狀況的變化沒有及時調整注水泵運行工況，仍然存在回流現象。抽測的9個注水系統中果7注水系統存在回流量。

抽測期間，果7注水系統在用的注水井有7口，注水量9.996 m3/h，而注水站的注水泵的排量為14.996 m3/h，存在5 m3/h的回流量。存在回流量的原因是果7系統的西面正在鉆井，鉆井附近的注水井關閉、停注，而系統沒有根據停住情況調整注水泵運行的頻率，降低注水泵的排量，而是直接打回流，造成了能量的損失，降低了注水系統的運行效率。建議根據實際現場注水井運行情況，及時調整注水泵的運行頻率，使注水量與注水泵排量吻合，避免出現打回流現象。

2.5 管線結垢導致部分注水干線及單井管線壓力損失大

吐哈油田采出水處理后回注量占油田總注水的72.33%。管道輸送處理后的油田采出污水，不可避免地產生結垢問題，管道結垢不但會加速管道腐蝕，而且加大了管道沿程摩阻系數，導致系統壓力損失較大，注水系統單耗上升。如雁木西聯合站到雁20配水間φ114×13的配水支干線，管線長度3738 m，起點壓力為23.8 MPa，沿程壓降達1.8 MPa，理論計算壓力損失不應大于0.08 MPa。建議采取污水處理裝置，提高注水的水質質量，或者在介質中加入防腐劑，減少管線結構和腐蝕。

2.6 注水泵備用系數高

當前吐哈油田共建有注水泵182臺，常用80臺，備用86臺，停用16臺。其中丘陵注水站建有注水井244口，當前開井94口，站內注水泵運7備15。注水泵數量多且備用系數大，但多數沒有梯級配置，即未能體現節能，又增加了維修保養成本。建議公司范圍內進行合理調配，資源充分利用，提高設備利用系數，起到物盡其用的目的。

3 采取措施后節能量評價

3.1 提高注水泵機組效率節能量評價

通過以上分析，泵機組效率低的主要原因有負荷低、泵效低和機泵搭配不合理等。針對每個系統的具體情況，提出了實施階梯泵改造、采用變頻控制技術、降低注水水質的腐蝕性、更換合適功率的電動機等整改措施，通過整改泵機組效率將大大提高。注水泵機組效率低的系統有：鄯善采油廠丘陵35 MPa注水系統、溫米東成站注水系統、鄯善聯合站25 MPa注水系統（溫西六區域）、玉北脫水站42 MPa注水系統和西峽溝注水系統等5個系統。5個系統運行9臺注水泵，平均泵機組效率63.22%，平均輸入功率168.31 kW，低效率泵機組如果通過整改按照效率提高到吐哈注水系統泵機組效率平均水平81%，則5個系統可節約電量為291.31×104kWh。

3.2 提高系統效率節能量評價

1）單井增壓注水技術節能量的評價。通過分析，適合采用單井增壓注水技術的注水系統是勝北注水系統，系統注水站出口壓力23.5 MPa，輸入功率84.43 kW，注水量是8.367 m3/h。系統如果采取單井增壓注水技術，系統的注水壓力可以降到9 MPa，不需要增壓的注水量為6.908 m3/h，則該系統可節約電量為37.64×104kWh。

2）地面水力自動調壓節能注水技術節能量的評價。通過分析，適合采用地面水力自動調壓節能注水技術的注水系統是果7注水系統和葡北注水系統。果7注水系統運行參數：輸入功率143.29 kW、注水站出口壓力27.2 MPa、注水量14.996 m3/h，考慮采用地面水力自動調壓節能注水技術，系統壓力可以降到18 MPa；葡北注水系統運行參數：輸入功率141.16 kW、注水站出口壓力27.6 MPa、注水量15.135 m3/h，考慮采用地面水力自動調壓節能注水技術，系統壓力可以降到18 MPa。則采用此技術的2個系統節約電量分別為：果廠注水系統42.46×104kWh、葡北注水系統43.01×104kW。

3.3 減少回流量節能量評價

在分析9個注水系統中，果7注水系統存在回流，回流量為5 m3/h，如果通過及時調整注水泵的運行頻率，使注水量與注水泵排量吻合，避免出現打回流現象。系統的注水單耗為14.33 kWh/m3，此運行狀況按照運行2個月計算，則避免回流可節約電量為10.32×104kW。

通過對9個注水系統分析，查找出存在問題，并提出了相應的節能技術措施，通過評價分析，采取相應節能技術措施后，9個系統年可節電量為424.77×104kWh。

4 結論

注水系統作為一個多變量、動態的系統，對其進行優化無論用經典的還是現代的優化理論去求解，都會遇到很大的困難。因此對注水系統進行多方面的研究，確定其影響因數，提出解決方案，達到提高注水系統效率，減低能耗的目的就更為重要。通過吐哈油田注水系統存在問題進行了分析探討，并提出相應的節能技術措施，采用節能技術措施后，通過評價分析，采取相應節能技術措施后，9個系統年可節電量為424.77×104kWh。