螺桿增壓注水裝置的研發(fā)及應(yīng)用

王治寧 杜宇東 杜鑫 楊劍（長慶油田分公司第八采油廠）

1 概述

長慶油田采油八廠主要開采的層系主要是三疊系延長組油藏和侏羅系延安組油藏，開發(fā)的層系均屬于“三低”油藏，油藏物性差，地層能量低[1]。因此，油田注水就顯得尤為重要。目前常規(guī)注水主要通過注水站利用往復(fù)式注水泵將高壓水通過管網(wǎng)、配水間及閥組注入地層來補(bǔ)充地層壓力[2]。注水站多選用額定壓力20 MPa 注水泵，干線壓力一般控制在16～19 MPa，受泵機(jī)組能量損失、站內(nèi)回流能量損失、注水干線能量損失、注水閥組能量損失、單井注水管線能量損失的影響，部分距注水站較遠(yuǎn)區(qū)塊的注水管線壓力下降較為明顯，存在注不夠或注不進(jìn)的現(xiàn)象。采油八廠目前共有注水井952口，其中注不夠井42 口，注不進(jìn)井26 口，日欠注約800 m3。

水井欠注不僅影響單井產(chǎn)量，而且對(duì)該區(qū)塊的開發(fā)也會(huì)造成一定影響。目前常用解決欠注及注不進(jìn)的主要措施有采取酸化增注措施和建設(shè)局部增壓橇[3]，一是通過改善或提高地層吸水能力，二是通過提高末端壓力來解決欠注、注不進(jìn)問題。由于酸化增注措施費(fèi)用較高（20 萬元/井次），必須由專業(yè)隊(duì)伍實(shí)施，而且施工所用酸腐蝕性較高，且對(duì)會(huì)對(duì)地層造成一定影響，施工后措施液處理難度大等造成該措施實(shí)施有一定的局限性。局部增壓橇建設(shè)還需鋪設(shè)管線等，建設(shè)周期長、費(fèi)用高（設(shè)備費(fèi)用30 萬元/臺(tái)），且需要安排專人看護(hù)，不適用現(xiàn)場(chǎng)的無人值守。因此需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)高效增壓注水、安裝簡單、管理方便的注水裝置。

采油八廠于2017 年開始與新鄉(xiāng)夏烽公司合作研發(fā)的螺桿增壓裝置，經(jīng)過多次室內(nèi)外反復(fù)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成功，該裝置具有占地面積小，智能化程度高，安裝簡潔，效率高，可有效解決邊遠(yuǎn)井欠注問題。

2 油田地面注水工藝流程

從水源井到注水井，地面注水工藝系統(tǒng)通常包括供水站、注水站（含水處理）、配水間和注水井[4]，油田注水系統(tǒng)見圖1。

圖1 油田注水系統(tǒng)

1）注水泵站工藝流程。注水泵站主要作用是將來水升壓，以滿足注水井對(duì)壓力的要求。工藝流程是來水進(jìn)站→計(jì)量→水質(zhì)處理→儲(chǔ)水罐→進(jìn)泵加壓→輸出高壓水，注水泵站流程見圖2。

圖2 注水泵站流程

2）注水井工藝流程。配水間是用來調(diào)節(jié)、控制和計(jì)量注水井的操作間，一般分為單井配水間和多井配水間。主要設(shè)施為分水器、正常注水和備用旁通管匯、壓力表、流量計(jì)，單井閥組流程見圖3。

圖3 單井閥組流程

3 螺桿增壓注水泵

3.1 工作原理

新研發(fā)的螺桿增壓注水泵，采用大扭矩輸出的交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)螺桿泵工作，將高壓水通過螺桿泵增至更高壓力注入水井，實(shí)現(xiàn)增注的效果。螺桿增壓裝置組成有交流伺服永磁同步電動(dòng)機(jī)、高壓動(dòng)密封裝置和螺桿泵及智能控制系統(tǒng)。螺桿增壓裝置的結(jié)構(gòu)有臥式和立式兩種。

臥式螺桿增壓裝置（圖4），可滿足2～3 口注水井，不影響注水井測(cè)調(diào)通道，安裝不需要放噴等作業(yè)，施工方便。該裝置的優(yōu)點(diǎn)如下。

圖4 臥式螺桿增壓裝置

1） 臥式增壓注水裝置無需動(dòng)管柱和起井作業(yè)，只需改變進(jìn)出口的管線即可，施工過程簡單方便，可實(shí)現(xiàn)單井和多井同時(shí)注入。

2）進(jìn)水口是管線高壓來水時(shí)，不用泄壓，設(shè)備可以接力式增壓，采用先進(jìn)的高壓密封技術(shù)，無泄漏。

3）壓力、排量調(diào)節(jié)方便、范圍寬，可設(shè)置出口壓力值，自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)恒壓注水。

立式螺桿增壓裝置（圖5）安裝在注水井大四通上，與井口直接相連，省略地面安裝，安全環(huán)保。該裝置的缺點(diǎn)：因直接安裝在注水井口，無法反洗井，維護(hù)、更換設(shè)備時(shí)需泄壓同時(shí)無測(cè)調(diào)通道[4]。

圖5 立式螺桿增壓裝置

3.2 主要特點(diǎn)

3.2.1 安全方面

1）占地面積小，維護(hù)簡單，操作安全方便。

2）進(jìn)水口是低壓自然供水時(shí)，可省去高壓遠(yuǎn)程輸送環(huán)節(jié)的一系列造價(jià)昂貴的高壓儀表、高壓管線、高壓閥門、高壓泵等設(shè)備，大大降低費(fèi)用，而且高壓部分在井下（螺桿泵出口以下），地面無高壓，地面配套簡單，無安全隱患。

3）進(jìn)水口是管線高壓來水時(shí)，不用泄壓，設(shè)備可以直接增壓，采用先進(jìn)的高壓密封技術(shù)，無泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

4）螺桿泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速可調(diào)，泵的出口壓力可隨泵的級(jí)數(shù)增加而增加，吸入性能好，流量均勻連續(xù)，振動(dòng)小，噪音低。

3.2.2 節(jié)能高效

1）采用永磁同步電動(dòng)機(jī)專用控制器對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子速度、位置以及定子電流進(jìn)行三閉環(huán)控制，精確控制電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，柔性平滑驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其功率因數(shù)達(dá)到0.9 以上，大大降低系統(tǒng)損耗，電動(dòng)機(jī)節(jié)能高效，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)綜合效率最大化運(yùn)行[5]。

2）可進(jìn)行超高壓力增注，地面增壓泵增注一般不會(huì)超過35 MPa，該技術(shù)可在井下增加來水壓力25 MPa。例如來水壓力為15 MPa，井下可增壓至40 MPa，而且井口只需要25 MPa 壓力等級(jí)井口。

3.2.3 智能方便

注水系統(tǒng)壓力、排量調(diào)節(jié)方便、范圍寬，可設(shè)置出口壓力值，自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)；實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化操作以及GPRS 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，便于集中化管理；控制器具備過流、過載以及出口壓力異常等保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)無人值守。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

蘆29-108 井為王盤山長8 油藏注水井，采用菱形反九點(diǎn)法注水，對(duì)應(yīng)的油井共5 口，分別是蘆29-107、蘆28-109、蘆28-108、蘆30-108、蘆30-107。該井由樊學(xué)作業(yè)區(qū)學(xué)六注水站注水，注水管線長度4 km。王盤山長8 油藏注水壓力為17 MPa，原始地層壓力17.5 MPa，因此，大部分水井欠注嚴(yán)重，影響地層壓力保持水平。該注水井于2012 年8 月8 日 投注，配注20 m3，日注10 m3左右，投注后即注不進(jìn)，已多次實(shí)施酸化增注措施，平均有效期不足3 個(gè)月[6-7]。

4.1 第一次試驗(yàn)

2017 年7 月12—16 日，在定邊采油作業(yè)區(qū)蘆29-108 井第一次試驗(yàn)運(yùn)行，其中，轉(zhuǎn)速150 r/min，日注水14 m3。運(yùn)行24 h 后井口壓力從0 MPa 達(dá)到19.5 MPa。試驗(yàn)效果很好，但是運(yùn)行幾天后，高壓旋轉(zhuǎn)密封（盤根）失效。

盤根承壓能力強(qiáng)，但密封效果差，需要漏失一定的水散熱，并且盤根預(yù)壓松，漏水多，預(yù)壓太緊，則電流大發(fā)熱厲害。

4.2 第二次試驗(yàn)

針對(duì)第一次實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)盤根刺漏的問題，分別實(shí)驗(yàn)了橡膠+盤根的復(fù)合密封結(jié)構(gòu)、聚四氟乙烯密封結(jié)構(gòu)，均因承壓能力（10 MPa）和耐久性差無法正常運(yùn)行，最終借鑒了磁力泵的原理將容易泄露的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為零泄漏的靜密封結(jié)構(gòu)（圖6），徹底解決了泄露導(dǎo)致壓力無法達(dá)到要求的問題[8-10]。

圖6 磁力泵結(jié)構(gòu)

4.3 第三次試驗(yàn)

2018 年8 月10 日完成第三代樣機(jī)生產(chǎn)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行正常后到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)安裝。運(yùn)行轉(zhuǎn)速為300 r/min，電流為1.6 A，日注水量19 m3，進(jìn)口壓力15.8 MPa，出口壓力19.2 MPa。

2019 年8 月19 日， 在 定 邊 采 油 作 業(yè) 區(qū) 元307-189 注水井?dāng)U大試驗(yàn)第二套裝置，運(yùn)行轉(zhuǎn)速為223 r/min，電流為7.2 A，瞬時(shí)流量0.83 m3/h，每天注入19.92 m3，進(jìn)口壓力14.5 MPa，出口壓力19.4 MPa，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。

表1 螺桿增壓注水運(yùn)行情況

設(shè)備使用效果評(píng)價(jià)：第三代產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)滿足配注要求，試驗(yàn)取得成功。電流只有1.6 A，實(shí)際運(yùn)行功率2.35 kW，節(jié)能效果顯著。采用了閉環(huán)控制，以壓力為控制點(diǎn)，避免停水后螺桿泵干磨等情況發(fā)生，降低了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。可在手機(jī)APP 上直接遠(yuǎn)程監(jiān)控、啟停、調(diào)排量等操作，操作簡單，管理方便。

4.4 擴(kuò)大應(yīng)用情況

2019 年7 月至2020 年6 月，我廠共計(jì)安裝末端螺桿增壓裝置8 套，均運(yùn)行正常，單日消減欠注量164 m3，螺桿泵增壓注水運(yùn)行情況見表1。

5 效益評(píng)價(jià)

螺桿增壓注水裝置，費(fèi)用38 萬，可帶1～3 口井，整泵質(zhì)保2 年；單井日耗電量平均35 kWh，年累計(jì)耗電12 775 kWh，電費(fèi)約0.83 萬元。水井增注措施費(fèi)用20 萬元/井次，常規(guī)酸化增注有效期2～6個(gè)月，年措施費(fèi)用約40 萬元。一年可收回投資成本，投資回報(bào)率100%。

1）采用了閉環(huán)控制，設(shè)備進(jìn)出口均以壓力為控制點(diǎn)，避免來水不足或系統(tǒng)停水后螺桿泵干磨，延長了設(shè)備使用壽命。

2）滿足無人值守運(yùn)行，可滿足場(chǎng)站系統(tǒng)監(jiān)控和手機(jī)APP 遠(yuǎn)程控制，可以遠(yuǎn)程直接操作，能做到監(jiān)控，啟動(dòng)，停止，調(diào)排量等操作，操作簡單，管理方便。

3）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，無需安裝高壓管線，現(xiàn)場(chǎng)無高壓刺漏的安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論

1）該設(shè)備的成功運(yùn)行，解決了油田注水系統(tǒng)末端注水井因壓力損耗造成的欠注和注不進(jìn)問題，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)行滿足油田注水配注要求，效果良好，是一種值得推廣的末端注水裝置。

2）該裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝簡便；無需單獨(dú)安裝分水器和鋪設(shè)高壓注水管線，降低投資的同時(shí)減少現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)。

3）該裝置控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，以壓力為控制點(diǎn)，避免停水后螺桿泵干磨。其遠(yuǎn)程控制功能可以在手機(jī)APP 可以直接操作，能做到監(jiān)控、啟停和調(diào)排量等操作，該功能操作簡單，管理方便，同時(shí)可按照用戶要求進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。