張帆（中國石油天然氣集團公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評價中心）

油田注水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探討

張帆（中國石油天然氣集團公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評價中心）

隨著油田的開發(fā)，注水量以及注水耗電量也隨之增加，注水管網(wǎng)走向繁亂，管線刺漏，注水不足，注水壓力高等問題日益增多。為了降低注水系統(tǒng)的能耗，降低注水成本，通過對大慶油田各采油廠注水系統(tǒng)工藝流程分析與認識，結(jié)合近幾年注水系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)，分析不同組成部分的能耗利用以及損失情況。結(jié)合近幾年的節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)分析，注水泵涂膜技術(shù)平均節(jié)電率為3.66%，泵減級及切削葉輪平均節(jié)電率為1.73%，注水泵變頻技術(shù)平均節(jié)電率為4.23%?，F(xiàn)場節(jié)能效果較好，為今后各注水系統(tǒng)的整改方向提供指導意義。

注水系統(tǒng)；離心泵；往復泵；節(jié)能技術(shù)

1 注水系統(tǒng)

油田注水的目的是通過注水井向油層注水補充能量，保持地層壓力，增大儲層向油井的供液量[1]，恢復油井液面。因此油田注水是采油生產(chǎn)中最重要的工作之一，油田地面整套注水工藝稱為注水系統(tǒng)，主要包括注水站、配水間、注水管網(wǎng)、閥組和注水井等，其工藝流程見圖1。

1）注水泵。油田注水泵主要分為離心泵和往復泵，離心泵主要是電動機通過傳動裝置帶動注水泵泵軸和及葉輪轉(zhuǎn)動，離心泵的葉輪帶動里面的液體旋轉(zhuǎn)，從而把系統(tǒng)輸入的能量傳遞給液體[2]。高速旋轉(zhuǎn)的液體產(chǎn)生離心力，進而液體通過離心力把排出泵殼，最終從排出口排出。液體排出后，葉輪中心即離心泵腔體內(nèi)形成真空，在大氣壓力以及液體自重下，外面的液體進入葉輪中心，液體繼續(xù)獲得能量，進而液體不斷進入泵內(nèi)，泵內(nèi)不斷被排出，形成穩(wěn)定的工況運行。在油田應用中，離心泵主要用于注水量比較大、壓力要求比較低的注水系統(tǒng)。離心泵主要分為單級和多級離心泵。

往復泵是通過工作腔內(nèi)元件（活塞、柱塞等）的往復位移來改變工作腔內(nèi)容積，從而使它所輸送的介質(zhì)按確定的流量排出的一種流體機械[3]。元件往復位移的能量來源于各種原動機。往復泵主要用于注水量少，壓力高的注水系統(tǒng)。

2）配水間工藝。配水間的主要作用是將注水站出來的注水干線，通過分水器分流到配各注單井水井以及采集注水樣本，配水間能夠控制以及統(tǒng)計單井的注水量和壓力，一些配水間還可以完成注水井的洗井任務。

圖1 注水系統(tǒng)工藝流程

2 注水系統(tǒng)能量分析

注水系統(tǒng)能量構(gòu)成可分解為3個部分：

1）注水系統(tǒng)總輸入能量。由儲水罐水位勢能、喂水泵電動機輸入能量、注水泵電機輸入能量與增壓泵電機輸入能量4部分組成[4]。

2）注水系統(tǒng)各項損失能量。由泵機組損失能量、站內(nèi)管線及閥組損失能量、回流損失能量及注水管網(wǎng)損失能量4部分組成。

3）注水系統(tǒng)有效能量。將水注入地層所需要的能量。

根據(jù)上圖分析，油田注水系統(tǒng)的能量損耗主要有以下幾個部分構(gòu)成。第1部分是泵機組中，電機的能耗損耗，該部分約占4%。第2部分是注水泵消耗的能量，目前油田平均運行效率約為77%。第3部分能量為管網(wǎng)摩阻損失，可以用管網(wǎng)效率來描述。第4部分能量是將水注入油層所需的能量。

根據(jù)上述分析，油田注水工藝消耗的電量巨大，該系統(tǒng)耗電量約占油田整個生產(chǎn)系統(tǒng)耗電量的35%左右。隨著油田的開發(fā)，人們也逐漸重視節(jié)能工作，由于注水系統(tǒng)的能耗較大，該部分的節(jié)能工作，所以隨著技術(shù)實力的提升，出現(xiàn)了大量的節(jié)能技術(shù)和節(jié)能設備。

3 注水系統(tǒng)主要節(jié)能技術(shù)

3.1 注水壓力優(yōu)化運行技術(shù)

1）分壓注水。分壓注水主要用于地面注入壓力相對比較分散區(qū)塊相對獨立，水井注入壓力高低井數(shù)相對相等、單井注水壓力差在1.5MPa以上區(qū)塊，分壓注水能夠很好的提高其官網(wǎng)效率，其注水流程圖見圖2。

圖2 分壓注水

該注水方式主要實用于壓差較大的注水井。以大慶某油田作業(yè)區(qū)為例，該區(qū)塊水井壓差在5～10MPa，這種情況下，正常運行時配水間節(jié)流損失較大，根據(jù)現(xiàn)場分后對管網(wǎng)進行改造，建立高低雙套管網(wǎng)對是注水井進行注水，使其系統(tǒng)效率提高了8.8%。

2）增壓注水。該注水方式主要用于對于注入井壓力相對比較密集，注入壓力高的水井相對整個注入井數(shù)較少的區(qū)塊，增壓注水能夠有效的解決注水井注不夠、注水管網(wǎng)損失較大的主要措施技術(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場實際分析，對一些高壓注水井密集地區(qū)進行增壓注水，對少數(shù)想對零散的高壓注水井進行單井增壓。該方案的實施后，在降低整個系統(tǒng)的注入壓力后，還能保證各井注水量的完成，降低了系統(tǒng)的管網(wǎng)壓差，降低了系統(tǒng)的管網(wǎng)損失，提高系統(tǒng)的整個效率，根據(jù)現(xiàn)場測試分析，該區(qū)塊整改后系統(tǒng)效率提高了3.5%，由40.7%提高到46.8%，系統(tǒng)平均注水單耗降低了0.33kWh/m3，由原來的6.20kWh/m3降低到5.68kWh/m3。

3.2 注水泵節(jié)能技術(shù)

1）泵涂膜技術(shù)。注水泵涂膜技術(shù)主要原理是，將泵內(nèi)主要過流機件（包括：泵殼體、葉輪、導翼等），使用高光潔度材料（聚四氟乙烯）涂層，經(jīng)過涂膜后的泵體內(nèi)部構(gòu)件光潔度提高，能夠很好的防止垢的生成，從而減小機械損失，增加流速或流壓來提高整體效率，降低能量損耗。且能延長機泵使用壽命，降低維修強度，節(jié)約泵配件[5]。從監(jiān)測數(shù)據(jù)看來看，涂膜后泵的平均泵效可提高3%左右，節(jié)能效果非常明顯（表1）。

表1 注水泵涂膜技術(shù)節(jié)能效果

根據(jù)表1分析，應用該技術(shù)后注水單耗平均降低了0.22kWh/m3，機組效率平均增加3.38%，平均節(jié)電率為3.66%。

2）注水泵減級、葉輪切削技術(shù)。目前油田在用的離心式注水泵屬多級高壓離心泵，單級揚程為1.5MPa左右；由于多級離心泵級數(shù)與揚程和出口壓力成正比，減少泵的級數(shù)使泵出口壓力都下降，在相同排量下泵機組輸出能量降低，減少泵出口與管網(wǎng)的壓差，減少節(jié)流損失，在管網(wǎng)效率較低的泵機組應用多級離心泵減級技術(shù)會取得較好的節(jié)能效果。根據(jù)大慶油田的實際注水壓力，一般多采用10～11級。針對設計泵壓超出系統(tǒng)所需壓力1.5MPa以上的注水泵可直接采用減去1級的技術(shù)措施，對于設計泵壓超出系統(tǒng)所需壓力不足1.5MPa的注水泵可采取葉輪切削技術(shù)，以降低電機輸出功率，實現(xiàn)節(jié)能的目標（表2）。

表2 注水泵減級及切削葉輪節(jié)能效果

根據(jù)表2分析，應用該技術(shù)后注水單耗平均降低了0.1kWh/m3，平均節(jié)電率為1.73%。

3）注水前置泵變頻技術(shù)。該技術(shù)與主要是針對離心式注水泵拆級后，應用效果還不是十分理想時，提出的技術(shù)方案，注是工藝流程是在離心泵的前端安裝一臺與該泵額定流量相同，額定揚程為1.6MPa，該泵羽主泵串聯(lián)鏈接運行，通過對該泵的變頻調(diào)節(jié)進而控制井口壓力的變化，達到調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)泵與管網(wǎng)壓力的差距的目的。

這種變頻方式最大調(diào)節(jié)揚程范圍為1.6MPa，最大流量調(diào)節(jié)范圍為±10%。主要的優(yōu)點是采用低壓變頻技術(shù)，整個系統(tǒng)功率消耗較大約為200kW，與其他變頻技術(shù)相對，投資以及運行成本節(jié)能顯著。在油田應用中，目前該項技術(shù)主要用于，注水系統(tǒng)泵與管網(wǎng)壓力差較大的注水泵站的節(jié)能技術(shù)措施改造，該技術(shù)的實施主要降低注水系統(tǒng)壓差的目的，同時與高壓注水泵變頻相比，可大大節(jié)省投資。根據(jù)現(xiàn)場節(jié)能對比測試結(jié)果，注水前置泵變頻之前單耗為5.58kWh/m3，技改之后單耗為5.34kWh/m3，單耗下降0.24kWh/m3，節(jié)電率為4.23%。

3.3 管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)

1）注水管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)[6]。對現(xiàn)有管網(wǎng)進行壓力節(jié)點分析，進行具體分析，以滿足注水井配注為原則，以注水井成本最低為目標，提出改造方案：更換大口徑管道、增設復線等。

2）非金屬管材及新型內(nèi)防技術(shù)。玻璃鋼等非金屬管道，以及玻璃釉內(nèi)防、玻璃管內(nèi)襯等防腐技術(shù)，可降低管道水力損失1/3以上。

3）管網(wǎng)清洗技術(shù)。對結(jié)垢、油泥沉積造成壓降過大的管道，進行清洗以提高流通能力。該技術(shù)逐漸受到重視。

4 結(jié)論

油田注水系統(tǒng)在整個生產(chǎn)系統(tǒng)中，耗能較高，能耗約占油田生產(chǎn)總體能耗的40%左右[6]，所有根據(jù)油田注水區(qū)塊的實際情況，根據(jù)注水站的實際條件、選擇合理的注水參數(shù)（泵運行數(shù)量、泵的優(yōu)化匹配）、注水管網(wǎng)的優(yōu)化運行等注水節(jié)能技術(shù)，進而降低注水系統(tǒng)的能耗，降低注水成本，提高注水的經(jīng)濟效益，提高油田生產(chǎn)的效益。

1）注水壓力優(yōu)化運行技術(shù)，分壓注水和增壓注水，分壓注水可提高系統(tǒng)效率8.8%；增壓注水可提高系統(tǒng)效率6.1%。

2）注水泵涂膜技術(shù)平均節(jié)電率為3.66%，泵減級及切削葉輪平均節(jié)電率為1.73%，注水泵變頻技術(shù)平均節(jié)電率為4.23%。

[1]張和烽.油田注水系統(tǒng)仿真與運行優(yōu)化研究[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[2]韓軍偉，羅玲，黃坤，等.油田注水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探討[J].重慶科技學院學報自然科學版.2011（6）：75-77.

[3]姚萱萱.基于無線網(wǎng)絡的油田注水遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].西安：西安石油大學，2013.

[4]張艷鳴.喇嘛甸油田注水系統(tǒng)最佳注水壓力研究[D].大慶：大慶石油學院，2008.

[5]李鐵強.注水系統(tǒng)優(yōu)化效果分析[J].化學工程與裝備.2015（2）：32-34.

[6]朱金勇.提高海外河油田注水系統(tǒng)效率研究[D].大慶：東北石油大學，2013.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.09.014

張帆，2010年畢業(yè)于黑龍江科技大學（電氣信息工程專業(yè)），從事油氣田節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評價工作，E-mail：512218808@qq.com，地址：黑龍江省大慶市大慶石油管理局技術(shù)監(jiān)督中心節(jié)能樓節(jié)水室207辦公室，163453。

2017-08-02

（編輯杜麗華）