李榮朵 周赤峰 史鵬飛 李金宇 張林（華北油田公司第四采油廠）

油田注水系統(tǒng)效率優(yōu)化與研究

李榮朵 周赤峰 史鵬飛 李金宇 張林（華北油田公司第四采油廠）

華北油田自 2005年開始開展注水系統(tǒng)效率技術(shù)研究與應(yīng)用，在系統(tǒng)的優(yōu)化方面具有較為雄厚的技術(shù)優(yōu)勢，經(jīng)過幾年的研究攻關(guān)，技術(shù)不斷進(jìn)步、完善。成為注水系統(tǒng)調(diào)整改造中的技術(shù)支撐，并形成了地面注水系統(tǒng)圖形仿真、地面注水系統(tǒng)機(jī)泵工況診斷、地面注水系統(tǒng)管網(wǎng)分壓優(yōu)化、地面系統(tǒng)效率綜合評價技術(shù)等四項主導(dǎo)技術(shù)。通過深化注水系統(tǒng)井筒、儲層效率技術(shù)研究，加快成果的應(yīng)用，形成一整套具有推廣價值的診斷、分析、評價集成技術(shù)，為注水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、高效運(yùn)行提供必要的技術(shù)保障。該技術(shù)在油田注水領(lǐng)域具有先進(jìn)性、完整性、創(chuàng)新性，現(xiàn)場應(yīng)用后取得了明顯的效果。

油田注水 系統(tǒng)效率 仿真優(yōu)化 注水系統(tǒng)

“十一五”期間，華北油田完成注水系統(tǒng)效率診斷測試機(jī)泵 1720 臺次，注水管網(wǎng) 515條，注水井 7000井次，調(diào)整改造地面注水系統(tǒng) 35座，累計節(jié)電 2475.86×104kWh。

1 概述

為實(shí)現(xiàn)注水系統(tǒng)“注好水、注夠水、精細(xì)注水、有效注水”的戰(zhàn)略目標(biāo)，整合并提高“十一五”期間注水系統(tǒng)效率技術(shù)研究的技術(shù)成果，形成了一套具有實(shí)用和推廣價值的診斷、分析、評價技術(shù)，以提升在注水系統(tǒng)效率技術(shù)研究的科技創(chuàng)新力和核心競爭力，盡快成為國內(nèi)注水系統(tǒng)效率技術(shù)研究領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先者。以注水系統(tǒng)注水水質(zhì)—注水機(jī)泵—管網(wǎng)—注水井—井筒—儲層為對象，應(yīng)用仿真優(yōu)化技術(shù)對系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)效率進(jìn)行計算分析，為注水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、高效運(yùn)行提供必要的技術(shù)支撐。

某油田注水系統(tǒng)建于 1979 年，包括兩座注水站。均采用高壓離心泵注水，日注水量 3500m3。兩 座 注 水 站 注 水 單 耗 分 別 是 9.66kWh/m3和 18.38 kWh/m3，年耗電量高達(dá) 2030× 104kWh。針 對注水系統(tǒng)存在注水單耗高等問題，2011年對該油田展開了注水系統(tǒng)優(yōu)化改造，對兩座注水站應(yīng)用仿真優(yōu)化技術(shù)對系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)效率進(jìn)行計算分析，計算出系統(tǒng)能耗和單井耗能，利用注水系統(tǒng)效率集成軟件對注水泵的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，把離心泵調(diào)整為高效注塞泵，改造后不僅提高了機(jī)泵使用效率，同時也降低了注水單耗，效果顯著。

2 技術(shù)原理

2.1注水系統(tǒng)效率技術(shù)[1]

2.1.1 注水系統(tǒng)流量診斷技術(shù)

式中：

C——聲速；

Δt——順逆流傳播時間差；

β——聲路角；

L——聲程；

v——液體沿管道中心線的速度；

D——管道直徑。

如果已知 L、C、D 和 β ，只要能夠測得順流和逆流傳播時間差 (Δt)就可以求出速度 v ，進(jìn)而得到瞬時流量。

2.1.2 井筒效率計算分析方法

當(dāng) v ≥1.2m/s時

當(dāng) v ≤1.2m/s時

式中：

pj——注水管柱水力摩阻損失，MPa；

υ ——管柱內(nèi)平均水流速度，m/s；

d——管柱內(nèi)徑，m；

h——管柱長度，m。

2.1.3 水嘴壓力損失計算方法

注入水通過配水嘴的流動規(guī)律一般通過地面模擬試驗(yàn)來確定，用嘴損曲線來表征直徑d、流量與嘴損之間的關(guān)系。研究表明，嘴損規(guī)律經(jīng)驗(yàn)相關(guān)式為：

式中：

pz——嘴損壓力差，MPa；

d——配水嘴的直徑，mm；

qz——流經(jīng)水嘴的流量，m3/d。

2.1.4 注水井井筒效率[2]

注水井井筒系統(tǒng)內(nèi)有效功率與輸入功率的比值，?以百分?jǐn)?shù)表示。

式中：

pj——注水管柱水力摩阻損失，MPa；

pk——注水井井口注水壓力，MPa；

pz——嘴損壓力差，MPa；

d——配水嘴的直徑，mm；

qz——流經(jīng)水嘴的流量，m3/d；

q ——注水井注水量，m3/h。

2.1.5 注水系統(tǒng)井筒效率

注水站輸出的所屬注水井的井筒有效功率與注水井井筒輸入功率的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。

式中：

pj——第 i口注水管柱水力摩阻損失，MPa；

Pk——第 i口注水井井口注水壓力，MPa；

qvj——第 i口注水井注水量，m3/h；

pz——為嘴損壓力差，MPa；

qz——流經(jīng)水嘴的注水量，m3/d。

2.1.6 注水站效率 ηz

式中：

p3——注水站外輸水出站壓力，MPa；

p1——泵進(jìn)口壓力，MPa；

Qgx——注水站出口流量，m3/h；

∑Pe——注水站拖動注水泵電動機(jī)輸入電功率之和，kW。

注水系統(tǒng)效率：

式中：

η——注水系統(tǒng)效率，%；

ηep——注水機(jī)泵效率，%；

ηn——注水管網(wǎng)效率，%。

注水系統(tǒng)單耗 DH1：

式中：

W1——注水系統(tǒng)電動機(jī)耗電量，kWh；

V1——注水系統(tǒng)注水量，m3。

2.2注水系統(tǒng)能耗分布

注水系統(tǒng)能耗分布圖見圖1，注水系統(tǒng)能耗示意圖見圖2。

圖1 注水系統(tǒng)能耗分布圖

圖2 注水系統(tǒng)能耗示意圖

3 注水系統(tǒng)效率集成軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

以注水系統(tǒng)注水水質(zhì)—注水機(jī)泵—管網(wǎng)—注水井—井筒—儲層為對象，應(yīng)用仿真優(yōu)化技術(shù)對系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)效率進(jìn)行計算分析，形成一套具有實(shí)用和推廣價值的診斷、分析、評價技術(shù)，為注水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、高效運(yùn)行提供必要的技術(shù)支撐。

注水系統(tǒng)效率診斷分析示意圖見圖3。

圖3 注水系統(tǒng)效率診斷分析示意圖

4 主要工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計改造方案

依據(jù)對該油田注水系統(tǒng)的系統(tǒng)效率診斷、測試結(jié)果，應(yīng)用軟件計算分析兩座注水站系統(tǒng)效率分別是 34.7%和 24.86%，分析注水系統(tǒng)單耗高的主要原因是注水機(jī)泵效率過低導(dǎo)致的，兩座注水站機(jī)泵效率分別只有 47.14%和 39.2%。

應(yīng)用仿真優(yōu)化軟件技術(shù)，對大量的診斷測試數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析，通過計算機(jī)對整個油田注水系統(tǒng)的模擬計算，推算改造效果，經(jīng)過充分論證，最終確定了改造方案和技術(shù)實(shí)施方案，篩選了應(yīng)用9臺五柱塞泵。將兩座注水站高壓離心注水泵更換為高壓柱塞泵，從而達(dá)到提高整體注水系統(tǒng)效率，降低單耗，節(jié)約能源的目的。

按優(yōu)化設(shè)計選定參數(shù)，電動機(jī)功率 315kW；設(shè) 計 排 量 30m3/h； 設(shè)計壓力 29.5MPa；電壓 380V；一個注水站日常運(yùn)行開4備2，安裝 2臺變頻器，一拖二控制4臺注水泵。另一個注水站改造后日常運(yùn)行開 2備 1，1臺水泵工頻控制，另1臺水泵變頻控制 ，日注水能 力 達(dá) 1400m3/d。 兩 個 注 水 站合計注水能力可達(dá)到 5000m3/d。

5 經(jīng)濟(jì)效果評價

該油田的兩個注水站分別于 2011 年 11 月改造投產(chǎn)試運(yùn)行。按照設(shè)計方案實(shí)施應(yīng)用后，經(jīng)專業(yè)部門組織節(jié)能監(jiān)測站對系統(tǒng)效率進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 注水站改造前后測試數(shù)據(jù)

節(jié)能計算方式：

節(jié)電量＝日注水量×（改前日注水單耗－改后日注水單耗） ×365

年節(jié)電698×104kWh。

該項目共投資1089萬元，年可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益502萬元。

6 結(jié)語

1）油田注水系統(tǒng)通過對注水站系統(tǒng)效率診斷分析，給出了電動機(jī)、泵、管網(wǎng)、配水間、注水井等優(yōu)化參數(shù)，提出優(yōu)化設(shè)計分析方案。

2） 應(yīng)用仿真技術(shù)對兩座注水站的機(jī)泵、管網(wǎng)、注水流程進(jìn)分析制定出的技術(shù)對策，現(xiàn)場實(shí)施后節(jié)能效果顯著，平均機(jī)泵效率 80.03%、系統(tǒng)效率57.37%。均達(dá)到注水系統(tǒng)節(jié)能及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)，該技術(shù)在國內(nèi)屬領(lǐng)先水平。

3）應(yīng)用注水系統(tǒng)效率集成開發(fā)軟件，對注水系統(tǒng)效率技術(shù)做了深度研究，依據(jù)注水系統(tǒng)效率診斷分析軟件結(jié)果對兩座注水站的運(yùn)行方式進(jìn)行了技術(shù)改造后，年節(jié)電 698×104kWh，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益502萬元。

4）該技術(shù)目前成為成熟集成技術(shù)，由地面注水系統(tǒng)效率研究延伸到注水系統(tǒng)井筒、儲層效率技術(shù)研究形成了全方位立體的應(yīng)用成果，為油田的節(jié)能降耗提高注水系統(tǒng)效率提供了先進(jìn)的技術(shù)保障。

[1]萬仁溥,羅英俊.采油技術(shù)手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社,1991:241-251.

[2]李 穎 川.采 油 工 程 [M].北 京:石 油 工 業(yè) 出 版 社,2009: 212-216.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.003.002

2012-08-23）

李榮朵，工程師，1981年畢業(yè)于華北石油學(xué)校，主要從事油田節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用與管理工作， E-mail： cy4_lrd@petrochina. com.cn，地址：河北廊坊萬莊采油四廠設(shè)備管理中心，065000。