摘要：注水開(kāi)發(fā)是目前國(guó)內(nèi)油田通常采用的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)工藝，隨著注水規(guī)模、注水壓力增加，注水能耗已成為油田開(kāi)發(fā)中占比最大的能源消耗單元。深入分析影響酒東油田注水系統(tǒng)效率的因素，明確影響注水系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素，從而制定符合酒東油田開(kāi)發(fā)需求的提高注水系統(tǒng)效率的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，注水系統(tǒng)效率從56.53%提升至82.16%。

關(guān)鍵詞：油田地面；注水系統(tǒng)；管網(wǎng)；提效

中圖分類號(hào)：TE357.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）06-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.065

Exploration of Methods to Improving the Eefficiency of Water Injection System in Jiudong Oilfield

HOU Fan1， XIAO Lu2， ZHENG Yehua2， DENG Lei3

（1.School of Earth Science and Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China;

2. Yumen Oilfield Public Affairs Center， Jiuquan 735000， China; 3. PetroChina Yumen Oilfield Company， Yumen 735100， China）

Abstract： Water injection development is currently a commonly used stable and increased production process in domestic oilfields. With the increase of water injection scale and pressure， water injection energy consumption has become the largest energy consumption unit in oilfield development. In-depth analysis of the factors affecting the efficiency of water injection system in Jiudong Oilfield， clarification of the key factors affecting the efficiency of water injection system， so as to formulate the method of improving the efficiency of water injection system in line with the development needs of Jiudong Oilfield. The experimental results show that the efficiency of water injection system is improved from 56.53% to 82.16%.

Keywords： oilfield surface; water injection system; pipelinenetwork; improving efficiency

注水驅(qū)油屬于油田開(kāi)發(fā)二次采油工藝，油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，注水壓力和含水率大幅提升，注水量大幅增加，耗電量急劇上升。注水用電量占油田生產(chǎn)總用電量的33%～56%[1]，注水耗電成本超過(guò)總生產(chǎn)成本的60%[2]。玉門油田老君廟采油廠酒東作業(yè)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱酒東油田）地層物性較差，目的層深度超過(guò)3 500 m，且敏感性強(qiáng)，速敏表現(xiàn)明顯，儲(chǔ)層的非均質(zhì)性較強(qiáng)。在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，注水壓力高（井口壓強(qiáng)為25～35 MPa），注水難度大。注水系統(tǒng)采用“低壓供水，單井增壓”模式，注水系統(tǒng)效率較低，平均為56.53%。

1 油田注水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

酒東油田累計(jì)建設(shè)低壓供水管線17 km，均采用酸酐環(huán)氧玻璃鋼材質(zhì)，管線結(jié)垢和腐蝕情況得到有效控制，日常運(yùn)行壓強(qiáng)在1.5 MPa以下。處理工藝流程核心技術(shù)采用氣浮+改性纖維球過(guò)濾器，投加聚氯化鋁（Poly Aluminum Chloride，PAC）、聚丙烯酰胺（Polyacrylic Amide，PAM）和NaOH等藥劑，對(duì)廢水中的懸浮物、膠體、分散油以及浮油的絮凝效果較好，經(jīng)過(guò)濾后產(chǎn)出凈化水達(dá)標(biāo)率僅為40%左右。

2 注水系統(tǒng)效率影響因素分析

2.1 理論因素分析

酒東注水系統(tǒng)能源的能量平衡原理為

W0=D1+D2+D3+W3（1）

式中：W0為注水系統(tǒng)的總能耗；D1為機(jī)械損失；D2為水泵損失；D3為管網(wǎng)機(jī)械損失；W3進(jìn)入水井有效功。為降低W0，須降低能量損失∑D或降低W3。然而，進(jìn)入水井有效功只與注水壓力和流量有關(guān)，是一個(gè)根據(jù)地質(zhì)、井筒情況變化的相對(duì)固定值。為達(dá)到節(jié)能的目，只能降低∑D。

2.1.1 注水泵能耗分析

注水泵的耗電量在能耗中占比最大，因此為降低能耗并提高經(jīng)濟(jì)效益，需要提高水泵的效率。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，要對(duì)注水全流程展開(kāi)分析，明確影響注水泵工作的原因，提高注水泵運(yùn)行效率。注水系統(tǒng)常用離心泵和柱塞泵。目前，注水站常用離心泵供水，離心泵具有高效工作范圍窄和容量大的特點(diǎn)。酒東油田低壓供水使用的水泵為多級(jí)離心泵。

如果注水泵額定流量大于所需流量，閥門節(jié)流可以調(diào)節(jié)的揚(yáng)程比變頻調(diào)速的揚(yáng)程大，因此閥門節(jié)流所需的供水功率也比變頻調(diào)速所需的大。閥門節(jié)流要在管網(wǎng)的進(jìn)口處增加阻力，造成能量損失，經(jīng)濟(jì)性差[3]。

2.1.2 注水管網(wǎng)耗能分析

注水管網(wǎng)的能量損失主要是水力損失和流量損失。管徑越大，注水壓力越小，流速越慢，水力損失越小，管線摩阻越小，能耗越小，反之則越大。酒東油田注入水經(jīng)分析，鹽、懸浮物等指標(biāo)相對(duì)較高，管線內(nèi)壁結(jié)構(gòu)情況嚴(yán)重，導(dǎo)致管線內(nèi)徑縮小，能耗增大。

2.2 注水系統(tǒng)效率實(shí)際因素分析

經(jīng)確認(rèn)酒東油田使用電機(jī)非低效高耗型號(hào)，測(cè)試其效率介于97%～99%，電機(jī)效率對(duì)注水系統(tǒng)效率影響不大。

酒東油田采用“低壓供水，單井增壓”注水模式，低壓供水管網(wǎng)供水給單井緩沖罐，凈化水在沉降罐暫儲(chǔ)過(guò)程中氧化變質(zhì)，造成二次污染，產(chǎn)生雜質(zhì)，堵塞管線與地層，增大注水流程管線摩阻，加大注水難度，降低注水泵效率。同時(shí)，沉降罐為人工補(bǔ)水，液位保障能力差，不能保障注水泵穩(wěn)定供水。酒東油田采出水處理合格率較低，且管線結(jié)構(gòu)堵塞嚴(yán)重，管線能量損失為主要因素。

酒東注水系統(tǒng)效率的主要影響因素為注水泵損失，具體原因如下。一是設(shè)備輕載運(yùn)行，偏離機(jī)泵高效運(yùn)行區(qū)，當(dāng)泵排量低于50%額定排量時(shí)，泵效率將大幅下降。酒東油田產(chǎn)能建設(shè)設(shè)計(jì)中注水壓強(qiáng)為42 MPa，額定日注水量為30 m3/d，額定注水壓強(qiáng)為50 MPa，理論排量為3 m3/h，實(shí)際生產(chǎn)中注水壓強(qiáng)為35 MPa，部分注水井目的層物性差注水難度大，很難達(dá)到理論排量，因此出現(xiàn)設(shè)備裕量過(guò)大，導(dǎo)致設(shè)備在輕載狀況下運(yùn)行。二是采用變頻控制，當(dāng)頻率低至20 Hz時(shí)，潤(rùn)滑系統(tǒng)運(yùn)行效果不理想，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。三是皮帶張力，曲軸與連桿連接處的軸瓦摩擦，十字頭與箱體十字頭套的摩擦，盤根與柱塞桿的摩擦及其潤(rùn)滑情況都是機(jī)泵傳動(dòng)效率的主要影響因素。

酒東油田兩個(gè)油藏同時(shí)開(kāi)發(fā)，且兩個(gè)油藏水型分別為氯化鈣型和碳酸氫鈉型。采出水處理易生成碳酸鹽垢，造成采出注水管線和井筒結(jié)垢嚴(yán)重、地層堵塞、管線摩阻增大均降低注水系統(tǒng)效率。

3 提高注水泵效率的方法

3.1 確保注水泵工作在高效的區(qū)域

注水泵的排量大于單井所需的注水量，因此注水泵的排量與注水量無(wú)法完全匹配，導(dǎo)致注水泵的工作效率很低。對(duì)注水泵進(jìn)行改造，將部分單井注水泵28 mm柱塞更換成21 mm柱塞，額定功率為55 kW的電機(jī)更換為35 kW的電機(jī)，改造后理論排量由原來(lái)的72 m3/d降至36 m3/d，更接近設(shè)計(jì)日注水量、額定注水壓強(qiáng)、額功率，使機(jī)泵在高效區(qū)間運(yùn)行。適當(dāng)減小柱塞直徑，配合泵速的降低，實(shí)現(xiàn)排量的控制，減少汽蝕和水擊現(xiàn)象的發(fā)生，減小泵噪聲和管路振動(dòng)，從而提高注水泵效率。

3.2 對(duì)注水泵進(jìn)行技術(shù)改造

對(duì)注水泵進(jìn)行曲軸中心強(qiáng)制潤(rùn)滑改造，實(shí)現(xiàn)方法如下：曲軸直接帶動(dòng)潤(rùn)滑油泵，油泵將潤(rùn)滑油打入油孔，對(duì)曲軸，連桿、十字頭等各部件的摩擦副進(jìn)行強(qiáng)制潤(rùn)滑，代替之前依靠慣性甩動(dòng)潤(rùn)滑泵內(nèi)部件的潤(rùn)滑工作原理，當(dāng)改善低頻率運(yùn)行時(shí)潤(rùn)滑油不足的問(wèn)題后，注水泵噪聲和振動(dòng)減小，在頻率降至18～20 Hz時(shí)仍能滿足各部件的潤(rùn)滑需求，注水泵效率提高了3%～5%。

3.3 加強(qiáng)注水機(jī)組維護(hù)保養(yǎng)

為提高注水泵運(yùn)行效率，需要加強(qiáng)注水泵的維護(hù)和保養(yǎng)。具體方法如下：首先，及時(shí)更換機(jī)械密封、閥座、閥片等密封件和過(guò)流件；其次，監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油質(zhì)量和油量，及時(shí)更換乳化的潤(rùn)滑油，按照要求過(guò)濾加注潤(rùn)滑油；再次，定期檢查皮帶和傳動(dòng)裝置，保證張力合適；最后，及時(shí)調(diào)整和維修將振動(dòng)量控制在允許范圍內(nèi)。

3.4 運(yùn)用數(shù)字化手段提效

利用酒東油田數(shù)字化采集與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，完成水井?dāng)?shù)字化改造。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注水系統(tǒng)流量、泵前壓力、泵后壓力以及機(jī)油溫度等數(shù)據(jù)，并具備遠(yuǎn)程調(diào)頻功能，實(shí)現(xiàn)精細(xì)注水，及時(shí)發(fā)現(xiàn)注水井停泵、頻率不匹配、管線破損等情況，提高注水系統(tǒng)效率。

4 提高注水管網(wǎng)效率的方法

4.1 對(duì)注水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)地面注水管網(wǎng)的布局，采取適用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的供水和注水工藝，密閉改造酒東油田實(shí)施的供水流程，簡(jiǎn)化了注水工藝，形成泵對(duì)泵密閉供水模式，避免所注水因氧化增加懸浮物含量，從而減少水體結(jié)垢和泥沙出現(xiàn)，防止管網(wǎng)被腐蝕。

對(duì)管網(wǎng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。一方面，對(duì)注水管網(wǎng)各個(gè)管段的壁厚和管徑等參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證參數(shù)的合理性和經(jīng)濟(jì)性。另一方面，在滿足注水壓力和注水量的前提下，應(yīng)盡量減少管線長(zhǎng)度，降低能量損失。

4.2 注水管網(wǎng)與注水泵相互匹配

在充分考慮注水井壓力、來(lái)水壓力以及所需要的注水量等參數(shù)的情況下，酒東油田選擇了3SE100-3/50型柱塞泵，并結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)，保證注水泵泵管的壓強(qiáng)差小于0.5 MPa，有效降低沿程壓頭損耗。

4.3 管線材質(zhì)減小管道內(nèi)的摩擦阻力

酒東油田注水管網(wǎng)采用酸酐環(huán)氧玻璃鋼管線，供水沿程摩阻為0.008 MPa/100 m，最遠(yuǎn)程供水管線末端壓強(qiáng)可保持為0.6 MPa。

4.4 優(yōu)化注水水質(zhì)

根據(jù)酒東油田來(lái)水水質(zhì)特點(diǎn)，處理工藝為加藥沉淀法，具有投資少、易于操作、處理效果好的特點(diǎn)。根據(jù)離子去除的難易程度、濃度的高低，采用一級(jí)沉淀法處理三相來(lái)水，去除鈣、鎂離子。在原有流程中增加斜板沉降器一臺(tái)，在堿性環(huán)境下添加碳酸根使鈣、鎂離子形成不容的碳酸鈣和碳酸鎂沉淀。系統(tǒng)優(yōu)化后，結(jié)垢現(xiàn)象大幅減少，凈化水懸浮物控制在20 mg/L以下，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提升至80%以上。

4 提效成果

酒東注水系統(tǒng)實(shí)施提高注水系統(tǒng)效率方法前后的能效對(duì)比如表1所示。

實(shí)施提高注水系統(tǒng)效率方法后，注水系統(tǒng)相較實(shí)施前各項(xiàng)參數(shù)均有所改善，其中注水系統(tǒng)機(jī)組損失率43.45%降低至17.84%，注水系統(tǒng)效率從56.53%提升至82.16%，注水系統(tǒng)效率顯著提高，能夠達(dá)到提效節(jié)能效果。

5 結(jié)論

本研究對(duì)酒東油田注水系統(tǒng)的能耗進(jìn)行分步分析。酒東油田的能量損失由柱塞泵選型不匹配潤(rùn)滑強(qiáng)度不足、站內(nèi)外輸泵運(yùn)行參數(shù)不合理、出口壓力高未在經(jīng)濟(jì)區(qū)域運(yùn)行、注水水質(zhì)較差管線結(jié)垢引起，系統(tǒng)效率提升空間較大。針對(duì)注水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整離心泵節(jié)流工藝，對(duì)柱塞泵采取強(qiáng)制潤(rùn)滑改造，從而有效降低注水泵能耗損失，提高注水泵運(yùn)行效率。通過(guò)預(yù)脫鹽提升注水水質(zhì)，非金屬管網(wǎng)減少管線摩阻，降低泵管壓差，提升管網(wǎng)運(yùn)行效率。實(shí)施提高注水系統(tǒng)效率方法后，注水系統(tǒng)機(jī)組損失率43.45%降低至17.84%，注水系統(tǒng)效率從56.53%提升至82.16%，提效節(jié)能效果顯著。

參考文獻(xiàn)

1 李 彥，孫重斌，張兆民，等.淺析注水系統(tǒng)的節(jié)能方法[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014（5）：255-255.

2 TREBBAU G L，NUNEZ G J，CAIRA R L，et al. Microbial stimulation of lake maracaibo oil wells[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition.1999.

3 姬忠禮，鄧志安，趙會(huì)軍.泵和壓縮機(jī)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2015：20.

作者簡(jiǎn)介：侯凡（1990—），男，陜西鎮(zhèn)安人，工程師。研究方向：油氣田開(kāi)發(fā)。