油田注水管道系統運行效率測試及分析

曹世學，羅輝，楊金智，段曉苗

油田注水管道系統運行效率測試及分析

曹世學，羅輝，楊金智，段曉苗

（ 中國石油長慶油田分公司第五采油廠， 陜西 西安 710018）

注水地面系統是一個龐大復雜的系統，更是一個機械水動力系統，它有很多特點，其中最大的特點就是各個環節互相影響。油田注水的現場生產條件在滿足了地質配注要求以及在一個安全的生產前提下整個系統是獨立運行的時候，主導思想就變成如何使工藝流程和站內機泵系統在最低能耗條件下運行，工藝流程體現在注水管網系統，而最低能耗即是最低的調整改造投資和多目標的技術經濟分析，最終實現了對注水系統的高效評價。

油田注水；注水管道；效率分析；系統測試

油田保持和穩定原油產量最基礎的技術手段之一就是注水。油田進入中后期開采后，注水工作的重要性更加凸顯。在油田生產的過程中，總耗電量已經超原油生產成本的60%（含機械采油），其中注水工作是電耗中的第一位，是機械采油的近兩 倍[1]。目前，國家對節能降耗工作越來越重視，將其作為國民經濟和社會發展的主要預期目標之一，并且將這一目標分解至央企和地方企業。各大油田既是能源生產大戶，也是能源消耗大戶，在油田開發的中期和后期，注水工作的耗能日益增多，占整個油田生產用能的比例越來越大，所以與注水相關的系統工藝的合理與否對整個生產系統的耗能影響是密切相關的[2]。隨著開發時間的深入，注水系統工藝條件與系統設計條件發生了很大變化，同時隨著油田注水開發的動態變化，注水工藝條件較與投產時相比已經發生了很大變化，部分注水站甚至整個注水系統都存在著明顯的系統工藝不合理、能源消耗大、效率很低的問題[3]。

因此在油田開展注水相關的工藝研究，以及對注水系統效率的研究是很有必要的，然后再提出相應的建議和措施，來改善現狀[4]。對注水泵、站進行優化設計，以及管網的優化配置，建立一套能耗低、能滿足多井配注要求的最佳系統生產方式，提高泵效和改善注水設備的使用工況，達到提高注水系統效率、節能降耗、安全生產的目的[5]。并且對全油田注水系統進行效率普查，摸清油田注水設備的使用工況，對下一步改善注水情況，提高系統的效率，達到節能降耗的目的，對企業的發展打下基礎，更是具有良好的社會效益和經濟效益，是油田可持續發展的重要保障。

1 油田注水系統理論

1.1 油田注水系統

油田維持地層壓力方式有很多，最主要的還是通過注水來實現的。但是隨著注水開發技術的廣泛應用，各大油田的總體含水率不斷呈上升趨勢，隨著含水率的升高，在這種地質條件下進行的開發生產，必然引起一系列的技術新難題[6]。所以，為了保證油田的生產任務，保證產量的穩定甚至提高，在注水開發方面，消耗的能量也會隨之增加。其次，隨著開發的不斷調整，對整個油田生產系統都會作出一系列調整，對各種設備以及各種生產條件都會作出相應的改變和調整，這樣就必然導致系統的效率跟不上，從而影響產量和生產，也是就意味著注水效率跟不上，產量即會大幅度降低[7]。所以，從實際出發，結合生產現場情況，想要降低油田的生產成本，提高各個系統尤其是注水系統的工作效率，首要的任務就是要降低各個環節的能量消耗。

在油田開發生產的過程中存在很多環節，并且由很多子系統組成，其中主要組成之一就是注水系統。注水系統的作用有很多，其中最主要的還是保持地層壓力，提供地層能量，保證油田生產的需要，使產量穩定甚至提高[8]。目前，國內油田也是大量運用注水方法來生產，同時注水的耗能也是相當大的，占整個生產系統相當大比重。注水系統效率的高低，會影響實際生產中的很多環節，它作為反映油田注水系統的重要指標，尤其是地面工程的重要經濟綜合指標，包括了很多節點的效率，例如注水站效率、管網效率等[9]。前者相比之下概念較大，主要包括注水泵和電機的效率，而后者的概念相對較小，一般是指注水閥門或者管線的效率。根據各大油田數據的統計和反映，注水的耗能情況不容樂觀，占總電耗的34%~55%。這個比重已經相當大，說明了我國的注水工程技術還不是很先進，跟國外技術一比落后了一大截。我國各大油田的注水系統效率各不相同，但是大都分布在39%~51%的范圍內，相比之下，大慶油田的總體效率較高，可以達到55%。

1.2 注水系統效率影響因素分析

1.2.1 注水設備效率

根據油田實際，結合現場生產情況，合理選擇電機型號，盡量選擇節能型電機。例如，當油田注水水溫度太高、水中所含鹽分蒸發快以及遇見腐蝕性較強的注入水時，應當選用封閉式電機；在實際生產的過程中，電機的選擇是相當重要的，一定要注意一些細節問題，看看電機與注水泵的匹配度是否合理，能避免的情況一定要避免，不要因為一些低級錯誤而導致電機效率下降，出現一系列可以避免的問題，那就是得不償失。

目前，國內的油田的注水泵平均效率大約是72%，是低于中石油的要求的，并且國外的水平都是高達80%以上。注水泵效率低的原因有很多，注水泵由于型號不同，本身的效率也會不盡相同，和其他環節的匹配和選型也是會影響泵效。另外，泵的型號選擇不恰當，回流也是會引起泵效的降低。因此，在實際生產過程中，一定要注意選擇合理的注水泵型號，不要因為回流而引起更大的損失，要注意注水泵的型號與實際的注入量的一個匹配，這樣才能將注水泵的效率發揮到最大，才能使該注水泵平穩運行，達到最佳的狀態，從而降低能耗的損失。例如，要選擇柱塞泵的條件是，注入量不大的情況下，特別是在壓力比較高、滲透率比較低、斷塊小而多的情況下，則是優先選擇柱塞泵；和離心泵在同等條件下相比較，其在很多方面都比較優越，尤其是水力效果、泵的效率以及泵的漏失方面都很不錯。一般的情況下，一個注水站的離心泵的臺數大概為2~3臺，假如泵的工作狀態已經達到很好的程度，但是增大注入量后，效果還是不如預期的好，那么可以適當增加泵的數量。

1.2.2 注水管網效率

注水管網效率是一個相對比較專業的詞匯，它的定義基本上是固定的，即是將注水井壓力、每日的注水量、注水泵出口的壓力以及泵的日排水量4個參數通過一定關系所得到的一個值。注水管網的效率可以由很多因素引起，其中最重要的因素就是泵出口至井口的管網壓力的損失和實際注入量與泵的排出量的比值。根據油田生產的實際情況，很多條件下與注水管網會相互限制，在設計的初期，很有可能因為一些設計不合理，或者是注水管網上的連接件的不合理的匹配，導致了注水系統中的一些管網會有沿程損失，另外就是局部配件的損失也可能過大，從而降低了注水管網的效率。

1.2.3 系統運行的合理性

注水系統龐大而復雜，從地面工程開始，一直到井口，都是由各個子系統組成的，每個環節都很重要。如果哪一個環節出現了問題，整個系統的效率顯然就會受到影響。如果各個環節的匹配沒有達到最佳狀態，沒有符合生產需要，那么整個系統也不可能達到最高的效率狀態。例如，注水管網的效率低下，存在著和其他部分不合理的匹配現象，必定會使注水泵在運行的時候偏離高而有效的區間；另外，在不同的開發時期，隨著注水程度復雜性的變化以及地質條件的不斷變化，可能需要經常來根據實際調整整體的注水方案，以便適應不同時期的開發需求，這樣才能滿足不斷變化的注入量的需求。但是，往往現場人員的技術和經驗不夠，而且很多一線員工都沒有專業的理論知識基礎，對于注水現場出現的一些技術問題難以判斷，在某些程度上會耽擱問題的處理和技術難題的解決。并且他們對注水的重視程度也不是那么高，也不知道怎樣的工作狀態才是注水系統的最佳工作狀態，他們認為只要系統在不間斷的工作，那就是好的。久而久之，就造成了系統的不合理運行，導致效率越來越低。現場注水量也會隨著改變，但是整個系統的注水參數不能及時作出相應的改變，這樣就加劇了效率低下的可能性。

1.2.4 注水工藝的完善性

在整個注水流程中，每個環節的工藝都是不同的，各個環節的工藝要求也是不一樣的。注水工藝是一項實現油田生產并且保持穩定產量甚至增加產量的一項長效工程。所以它對各方面的技術要求會有更嚴峻的考驗，在使系統方案達到最佳的狀態，在其核心技術的配套方面，都會有其相應的需求。雖然各大油田依賴注水生產已經很長時間，但是在技術層面上，依舊沒有一套完整的、嚴謹的、科學的考核指標來進行注水現場的評判。技術方面的不全面，導致相應的管理制度等也不完善，考核的時候沒有具體的技術依靠，就不能指導注水相關技術越來越高效。

2 注水系統測試計算

2.1 注水地面系統效率測試方法

為了了解注水系統的工作狀態，在其正常運行的條件下，了解它各個環節的用電情況以及注水管網消耗能量的狀況，對注水的各個環節都要了解清楚，看看它們的主要能量損耗都存在哪些細小的環節。分析完整個注水系統之后，收集各個環節的數據并將其整理好，作為測試的依據，為后期的改造提供基礎的數據保障。 測試的內容主要有以下3個方面：

1）注水站的電機組成系統測試， 包括與電機相關的各個節點的參數測試以及電能的輸入和損失而引起的相關參數測試。

2）注水站和注水泵的測試，包括注水泵的各個參數以及泵的能量損失等環節的測試。

3）管網的測試，包括整個注水管網中的注水站內的地面管線，注水站到配水間之間的連接干線，以及配水間到井口的管線等，它們沿程的各個節點的壓力和流量也是測試內容。

2.2 注水系統同步測試法

1）每個注水站包括了很多小的注水區塊，把這些小區塊作為測試的小單位，對它區域里所包含的注水站、配水間以及注水井都要進行測試，并且這個測試是同步的，然后間隔同樣的時間再記錄一次測試的數據。

2）根據進行測試的區域內的注水情況，選定指定的測試部分，在測試的時候，需要將工作人員分布到各個點上，指導各個監測點的數據錄入，等到工作人員就位完畢之后，必須同一時間進行測試。

3）在注水站中進行的測試，電機測試須要測量很多參數，包括電壓、電流、功率因素以及電機的運行效率等。然而注水泵的參數主要以測試流量和壓力等數據為主。并且在測試完這些數據以后，要生成一份當日的生產報表，以便日后計算使用。

4）在進行管網運行的參數的測試的時候，工作人員必須記錄下以下參數，包括配水間的來水壓力、單井的注入壓力、每天的注水量等。另外還有注水井口的油壓，也需要專門的工作人員去記錄填寫。

5）等到各個節點的所有資料和參數錄取完畢之后，要將這些資料第一時間送到資料存檔，最后由測試的工作人員進行數據的錄入。

2.3 注水系統同步測試及工況優化分析軟件

組態軟件通過采集系統硬件將數據采集后，還需要專業的數據分析軟件處理分析，為此利用編程語言VisualBasic，通訊組件opcdaauto.dll X86 2.02.5.30，報表組件Spreadsheet 11.0，圖形組件ChartSpace 11.0，數據庫Access 2010、SQL Server 2000等工具開發了注水系統效率監測與優化軟件。編制出的系統分析及優化軟件，主要有以下幾種功能：可以根據實際情況，合理設置參數；管理注水井的基礎數據；采集生產過程中的一些數據；分析各類生產報表；預測一些注水方案等。各類報表和曲線如下：①實時測試數據報表包括泵機組信息表、井實時信息表、壓力系統效率信息表等，可以實時顯示包括泵進、出口壓力、電流、電壓、功率因數、機組效率、單耗等運行參數。②水井信息表，可以實時顯示包括干線（匯管）壓力、注水壓力、注水量、閥組效率等運行參數。③壓力系統運行參數實時信息表，可以實時顯示包括壓力系統平均機組效率、匯管壓力、閥組效率、配注合格率等運行參數。④分析診斷報表。⑤分析診斷曲線。

3 結束語

開發了注水系統效率測試系統，測量精度和系統誤差符合標準要求，實現了系統各節點電量、壓力、流量等動態參數的同步采集，提高了注水系統效率測試的準確性。

［1］王瑩鈺.油田地面工程注水系統運行效率研究[J].中國石油和化工標準與質量，2018，38（22）：36-37.

［2］張海.延長油田注水站實時遠程分析系統的研制與應用[J].油氣田地面工程，2018，37（12）：68-72.

［3］梁永圖，周星遠，邱睿，等.大型環枝狀油田注水管網系統運行優化[J].中國石油大學學報（自然科學版），2018，42（6）：121-132.

［4］馮杰.分壓注水技術在小營油田的應用[J].精細石油化工進展，2020，21（1）：13-15.

［5］馮杰.分壓注水技術在小營油田的應用[J].精細石油化工進展，2020，21（1）：13-15.

［6］尉亞民，邢臺，周思柱，等.尕斯油田注水系統診斷及優化設計[J].石油天然氣學報，2010，32（2）：157-160.

［7］杜寧波，李俊成，朱名昭.提高靖安油田注水系統效率技術研究與應用[J].石油化工應用，2010，29（7）：39-42.

［8］董耀蔚.確保新民油田平穩高效注合格水的措施[J].油氣田地面工程，2013（11）：82-83.

［9］張瑞杰，常玉連，任永良，等.油田注水系統生產運行優化[J].鉆采工藝，2005，28（5）：44-46.

Test and Analysis of Operation Efficiency of Oilfield Water Injection Pipeline System

,,,

（No.5 Oil Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an Shaanxi 710018, China）

Water injection surface system is a huge and complex system,and it is also a mechanical hydrodynamic system. It has many characteristics,among which the most important feature is that different links affect each other. When the field production conditions of oilfield water injection meet the requirements of geological injection allocation, under the premise of a safe production, the whole system operates independently, the dominant idea will become how the process flow and pump system in the station can operate under the condition of minimum energy consumption. The process flow is reflected in the water injection pipe network system, the lowest energy consumption is the lowest adjustment and transformation investment and multi-objective technical and economic analysis, which finally realizes the efficient evaluation of the water injection system.

Oilfield water injection; Water injection pipeline; Efficiency analysis; System test

2020-08-08

曹世學（1984-），男，陜西省西安市人，中級工程師，研究方向：油田開發。

TE357.6

A

1004-0935（2021）01-0103-04