海上平臺離心式注水泵擴容改造應用分析

劉帥，李明海，王新柱 (中海石油 (中國) 有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

1 項目概述

某海上采油平臺所轄開發油藏具有密度低、粘度低、地飽壓差較大的特點，為未飽和油藏。根據油藏特性，在生產開發期間，注水量不足引起注采不平衡，地層能量下降造成油藏大規模脫氣，電泵泵效降低，油井產能下降，影響油井產量和最終采收率。ODP設計上采用的注水泵為一用一備模式，設計最大注水量為2 400 m3/d。受油藏滾動開發影響，注水井數量由初始設計的3口逐步調整增加至6口，注水的需求量由2 250 m3/d增加至3 650 m3/d[1]。為了滿足注采平衡需求，實現增產增注的目的，需要對注水系統進行擴容增注適應性改造。

注水系統擴容增注改造以實現注水量增加為目的，以現場實踐應用效果為參照，從工藝、設備、結構等角度進行改造嘗試，最終實現由單串集輸注水到雙串分列注水的適應性改造，達到了增注增產的目的。

2 注水工藝流程改造

2.1 注水工藝設計現狀

平臺注水系統包括1個注水緩沖罐、2臺注水增壓泵、2臺注水泵，一條供6口井注水管匯。原有工藝流程設計為注入水從注水緩沖罐6寸管出口連接到兩臺離心式注水增壓泵入口，注入水增壓泵增壓至3 MPa后進入到兩臺注水泵入口，注水泵把注水水源提高到21 MPa注入本平臺的注水井。注水增壓泵主要是為了給注水泵提供穩定的壓頭，注水增壓泵出口設計有壓力控制管線進行注水泵入口壓力控制，注水泵出口設計有液位控制閥管線實現注水緩沖罐液位控制。

2.2 注水工藝流程的制約因素分析

雙串運行測試過程中，在整個工藝設計上，工藝流程上的三個壓力節點成為增注的限制因素。

注水增壓泵進口管線分流氣蝕影響泵效。原始設計工藝流程上，注水緩沖罐出口一條6寸管線輸送的水量被兩臺注水增壓泵分流，離心式注水增壓泵進水量不足，造成雙串運行時注水增壓泵氣蝕，泵效降低，達不到增注增壓效果。

注水增壓泵出口管線匯輸引起壓頭損耗。雙串運行時，注水增壓泵出口管線處于聯通狀態，給兩臺注水泵供給水源，由于離心泵運轉時受泵效影響壓頭不一致，造成兩臺泵出口在匯輸管線處輸水量不一致，造成離心泵壓頭損耗，注水泵出口得不到足夠水量。

注水泵出口管線匯集輸損傷設備，注水量受制約。兩臺注水泵在設計上出口共用一條注水管匯。當雙串運行共用一條6寸出口管線時，兩臺注水增壓泵在變頻調整過程中，會出現某臺低頻泵泵效低水壓不足的情況，泵體在做功過程中產生的熱量無法隨注水介質流動傳遞到下游，造成泵出口管線局部高溫，對注水泵機封等部件造成高溫損傷，降低其使用壽命。出口單條管線在流量上被管線設計最大允許流量所制約，無法釋放注水增注能力。

2.3 工藝流程改造應用分析

2.3.1 注水緩沖罐出口管線H型通道改造解決給水問題

注水緩沖罐出口至注水增壓泵進口只有一條6寸管線供兩臺注水增壓泵使用，水源進液量受制約，影響離心式注水增壓泵泵效。通過現場調研，最終采取H型管道設計。在原有的注水緩沖罐底部開孔增加一路6寸出口管線，將增加的出口管線與原有設計的管線使用管線閥門連通，改造完成后，兩臺注水增壓泵進口管線實現擴容共享功能，既可以實現雙串運行期間可以互不干擾獨立運行，也可以實現單泵運行期間進口水源管線的自由切換。

2.3.2 注水管匯分列運行工藝流程改造解決增注問題

注水泵出口管線在運行期間共用一條6寸出口，兩臺離心式注水泵同時運行時，受泵出口共享壓頭影響，低頻低泵效離心泵會出現泵不出液的問題，影響泵效和設備使用安全。

通過現場調研和注水井水量分析，現場設計增加一路注水管匯，使當前注水井能夠實現兩路注水功能。同時在保留原有集中注水功能的前提下，對兩臺泵出口進行工藝管線改造，實現雙串互聯互通，整個工藝改造完成后，注水泵輸水方式由單泵集輸轉變為雙串分列集輸方式。

2.3.3 注水能力擴容形勢下的兩用一備模式前瞻性改造

在注水工藝改造過程中，考慮到未來油藏滾動開發需求，調整井項目伴隨的注水量增加，注水系統雙串運行將成為一種常態。注水系統泵組兩用一備需要體現預留接入口，為未來改造提供便利。

現場在注水系統擴容增注改造中，在注水緩沖罐出口和注水管匯區改造時預留備用接口，為兩用一備模式下的備用泵接入提供便利，改造設計更具前瞻性。

3 注水設備功能優化

3.1 注水系統設備性能情況

某平臺設有注水增壓泵為WHPA-P-4101A/B ，型號KDY120-110×3。WHPA-P-4101A/B性能參數如表1所示。

表1 WHPA-P-4101A/B性能參數

某平臺注水泵為WHPA-P-4102A/B，型號KDY100-150×8。WHPA-P-4102A/B性能參數如表2所示。

表2 WHPA-P-4102A/B性能參數

3.2 注水設備頻繁故障問題適應性改造

自注水系統投用6個月以來，注水泵總計出現21次故障問題，其中17此機械密封故障，稀油站穿孔滲漏4次故障。造成注水時效低，注水量不達標。

3.2.1 離心式注水泵機械密封故障問題分析及處理措施

注水系統運轉以來，共計發生17次機械密封故障，其中6次抱軸器斷裂故障。

現場通過拆解分析查找到機械密封頻繁故障原因：(1)抱緊環材質缺陷;(2)部分多級離心泵的軸向力平衡處理不到位，造成機械密封承受壓力過高;(3)螺栓強度不足，造成抱軸器連接松脫斷裂。處理措施：(1)將抱軸器材質更換為雙相鋼，耐海水腐蝕能力優于316 L；(2)抱軸器的整體厚度增加2 mm；(3)螺栓材質更換為A4-80。

3.2.2 注水泵稀油站冷卻器冷卻效果差及穿孔原因分析及處理措施

注水泵稀油站功能用于提供冷卻油至各軸承箱，然后利用甩油環的飛濺潤滑的方式來冷卻軸瓦及軸承。隨注水壓力及注水量的提升，泵組需要不斷提頻，軸承的溫度也隨之升高，冷卻效果欠佳，稀油站冷卻器頻繁穿孔使得冷卻效果惡化，泵的時效變差。兩套冷卻器的使用時間不超過4個月出現四次穿孔故障。

現場分析故障原因：(1)兩套稀油站是串聯模式，二者無法并聯使用；(2)冷卻器是列管式油冷卻器，通過脹管工藝消除銅管與管板的間隙，起到密封和緊固作用，可靠性差, 容易脫落造成冷卻器進水；該冷卻器的選材為普通銅管，耐海水腐蝕差，容易穿孔[1]。

處理措施：(1)兩臺稀油站并聯運行實現冷卻功能共享；(2)冷卻器換型：風冷散熱器，該散熱器由翅片式散熱器、齒輪泵，冷卻風扇，過濾器以及其他輔助元件構成

4 測試數據

注水系統中壓變壓器共有4臺設備，兩臺900 KW的注水泵和兩臺220 KW的注水增壓泵，6300 V中壓變壓器容量為2000 KVA。注水設備一用一備模式下，滿負荷運行的總功率為1120 kW，中壓變壓器容量可以滿足設備運轉需求。但雙串運行系統運轉，4臺注水設備一起用，滿負荷的總功率將為2 240 kW(有功功率)，以變壓器功率因數為0.85計算，需要變壓器容量為2635 kVA，而中壓變壓器的容量為2 000 kVA，變壓器將超負荷運行。

為了驗證注水系統變壓器最大容量情況下的注水設備運轉信息，現場進行了一次變壓器最大容量下的運轉測試，驗證了變壓器容量受限情況下的注水水量信息。

通過實際運轉測試，雙串運行期間，注水泵及注水增壓泵在提頻過程中，雙串運行51HZ已經達到中壓變壓器符合極限，計算注水泵功率只能達到滿負荷功率的85%。由于測試時注水工藝流程擴容增注改造尚未進行，雙串運行情況下受離心泵出口壓頭影響，現場測試只有133 m3/h。根據油藏推測最大注水量3 650 m3/d，也就是152 m3/h注水量的要求，當前變壓器容量無法滿足后期注水需求，需要對中壓變壓器進行擴容改造。

在經濟成本和施工條件限制得綜合考量下，現場對2 000 kVA中壓變壓器進行更換升級，將原有的2 000 kVA中壓變壓器進行移位拆除，使用其他平臺備用兩臺容量1 600 kVA中壓變壓器進行替換，使注水增壓泵和注水泵滿負荷運行時中壓變壓器滿足容量要求

5 結語

某平臺注水系統通過工藝流程改造、設備優化升級、變壓器擴容等系列改造實現了單串集輸到雙串分列運行的運行模式的調整，解決了注水系統瓶頸問題。從工程總體設計的角度而言，建議對大型旋轉設備在設備選址上應規避平臺底層甲板等受限位置，減少后期現場改造帶來的舷外作業風險高、難度大的施工困擾。設備材質選型與實際工況不符是現場適應性改造面對的主要問題，在設備選型時需要平衡經濟性和適應性的關系。某平臺注水系統擴容增注改造過程也驗證了現場系統適應性改造是一項涉及安全、工藝、機械、電氣、儀表、結構等各個專業的綜合工程，結合實際統籌考慮才能為問題處理提供一套完善的解決方案。