趙輝 趙華 眭純?nèi)A（中石化勝利油田分公司樁西采油廠）

近年來(lái)，針對(duì)勝利油田老河口油田的注水開發(fā)實(shí)際，運(yùn)用注水參數(shù)優(yōu)化方法，確定合理的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，綜合應(yīng)用配套工藝技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)實(shí)施改造，提高了系統(tǒng)效率，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

1 油田注水系統(tǒng)現(xiàn)狀

老河口油田共有樁120 注、老河口注2 座注水站，截至2012年12月，共有注水井55 口，開井45口，配注4880 m3/d，實(shí)際注水量4776 m3/d，平均注水泵壓16.0 MPa，注水干線壓力15.0 MPa，平均井口油壓8.48 MPa。有油井133 口，開井106 口，產(chǎn)液5319 m3/d，采油780 t/d。

樁120 注水站配有2 臺(tái)5ZB-12/42 型柱塞泵，設(shè)計(jì)能力800 m3/d，正常運(yùn)行1 臺(tái)，實(shí)際供水550 m3/d。老河口注水站配置1 臺(tái)DF120-150×11型離心泵，2 臺(tái)DF140-150×11 型離心泵，設(shè)計(jì)能力6240 m3/d，正常運(yùn)行1 臺(tái)，實(shí)際供水4226 m3/d。

樁120 注與老河口注通過(guò)站外注水管網(wǎng)相連形成同一壓力系統(tǒng)。

老河口注水系統(tǒng)平均電動(dòng)機(jī)效率為95%，注水泵泵效68.06%，管網(wǎng)效率51.37%，系統(tǒng)效率33.21%，注水單耗6.87 kWh/m3，低于50%的國(guó)家二級(jí)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。老河口注水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)壓力分布見表1。

表1 老河口注水系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)平均壓力損失

2 存在的問題

2.1 供注不匹配，注水系統(tǒng)效率低

老河口油田油藏類型復(fù)雜，平面、層內(nèi)矛盾突出，造成注水井注水壓力差異大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，正常注水的45 口井中，有30 口注水井的配水間注水壓力在10 MPa 以下，累計(jì)注水量占總注水量的63.8%。由于注水系統(tǒng)壓力按照滿足最大注水壓力（16 MPa）設(shè)計(jì)，與油田實(shí)際注水需要不匹配，導(dǎo)致大部分注水井利用閥門控制注水。由表1 可知，配水間控制損失為5.43 MPa，泵、干線壓差1.0 MPa，兩項(xiàng)合計(jì)占系統(tǒng)壓力總損失的85.5%，注水能耗大。

2.2 供水量變化大，注水離心泵難以保證在高效區(qū)運(yùn)行

隨著樁106 新區(qū)的注水開發(fā)，區(qū)塊注水調(diào)配頻繁，注水量在3800～5000 m3/d 波動(dòng)，導(dǎo)致老河口注水站離心泵運(yùn)行參數(shù)變化大。在用的計(jì)量?jī)x表計(jì)量精度低，可靠性、穩(wěn)定性差，不能準(zhǔn)確地監(jiān)控注水泵狀態(tài)參數(shù)；人工調(diào)節(jié)注水泵工況不及時(shí)，主觀因素較強(qiáng)，人為誤差大，難以保證離心泵在高效區(qū)運(yùn)行，影響了注水泵效的提高。測(cè)算表明，離心泵在泵效70%～75%之間運(yùn)行時(shí)，泵效每降低1%，平均注水單耗增加0.075 kWh /m3。

2.3 老河口注單泵供水量大，樁120 注注水泵老化嚴(yán)重

老河口注DF120-150×11 型離心泵在高效（70%～73%）區(qū)運(yùn)行時(shí)，日供水量為2880～3360 m3；DF140-150×11 型離心泵在高效（73%～75%）區(qū)運(yùn)行時(shí)，日供水量為3360～3840 m3（表2）。

表2 DF140-150 型多級(jí)離心泵性能參數(shù)

為滿足區(qū)塊注水量4776 m3/d 的需要，老河口注水站需運(yùn)行2 臺(tái)DF120-150×11 型離心泵，供水量為5760 m3/d(泵效70%)，打回流量達(dá)10 00m3/d，浪費(fèi)電量6680 kWh/d。因此，老河口注只能運(yùn)行1臺(tái)離心泵，不足的水量需通過(guò)樁120 注的柱塞泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。

樁120 注的2 臺(tái)5ZB-12/42 型注水泵老化嚴(yán)重，1 臺(tái)注水泵因泵溫高長(zhǎng)期停運(yùn)，僅能運(yùn)行1 臺(tái)注水泵，供水量為550 m3/d，泵效69%。老河口注離心泵的供水量達(dá)4226 m3/d，導(dǎo)致注水泵偏離高效區(qū)，系統(tǒng)能耗高，不能滿足區(qū)塊供水日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)需要。

3 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方案

方案原則：以滿足油田注水需要為前提，確定合理的系統(tǒng)壓力和各部分的損失，達(dá)到合理利用能量，提高系統(tǒng)效率的目的。

3.1 系統(tǒng)能量損耗分析

老河口注水系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)輸入總功率為1120 kW，注水有用功率468 kW，注水損耗功率652 kW，占輸入功率的58.2%。其中，配水間閥控?fù)p耗功率為300 kW，占損耗功率的46.01%，注水泵損耗為180 kW，占損耗功率的27.61%，其他功率損耗為172 kW，占損耗功率的26.38%。

閥控?fù)p失是指由于泵的排量、壓力與實(shí)際注水需要不匹配，通過(guò)控制閥門開閉度產(chǎn)生節(jié)流損失來(lái)滿足注水需要。

注水泵損失主要由機(jī)械磨損、容積漏損、水力功率變轉(zhuǎn)損失構(gòu)成。

注水泵電動(dòng)機(jī)損失是電動(dòng)機(jī)本身的無(wú)功損耗，其大小主要受設(shè)備機(jī)型、電動(dòng)機(jī)質(zhì)量的影響。

管損與供水量、管線的內(nèi)徑、長(zhǎng)度、內(nèi)壁粗糙度有關(guān)。

降低注水泵能耗的主要措施是：優(yōu)化注水運(yùn)行壓力，努力降低閥控?fù)p失；提高注水泵效，確保注水泵在高效區(qū)運(yùn)行。

3.2 系統(tǒng)壓力分析

系統(tǒng)總壓力（泵壓）可由下式求得：

式中：

f泵——泵壓，MPa；

fa——泵閥損失，MPa；

fb——干線沿程損失，MPa；

fc——配水間控制損失，MPa；

fi——配水間油壓，MPa。

理想情況下，不存在配水間的控制損失，即fc＝0，則

參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)是求取f泵為最小值，按照設(shè)計(jì)規(guī)范以fa≤0.5MPa、 fb≤0.5MPa 作為目標(biāo)值，關(guān)鍵是fi值的大小。

fi的確定：尋求這樣一個(gè)壓力值，即滿足絕大多數(shù)注水井注入壓力的需要，對(duì)不能滿足注入壓力要求的少部分井采取單井增壓泵增注、作業(yè)增注等措施，以滿足油田開發(fā)的需要。

按上述公式，統(tǒng)計(jì)老河口注水系統(tǒng)的井口注水壓力分布情況，并計(jì)算出泵壓值及注水井壓力覆蓋率、注水量覆蓋率（表3）。

由表3 可知，注水泵壓為13 MPa 時(shí)，壓力覆蓋率為75.5%，水量覆蓋率為70.8%；泵壓為14 MPa時(shí)，壓力覆蓋率為91.1%，水量覆蓋率為94.4%，因此，確定合理的注水泵壓為14 MPa 左右。目前老河口注離心泵的額定揚(yáng)程為1 650m（16.5 MPa），高于區(qū)塊需求的注水壓力，因此需對(duì)離心注水泵進(jìn)行改造，適當(dāng)降低離心泵揚(yáng)程。

4 方案改造措施

4.1 注水設(shè)備、注水管網(wǎng)改造

針對(duì)樁120 注水站注水泵老化嚴(yán)重，站外供水管網(wǎng)管損（1 MPa）大的問題，2005年10月改造了樁120 注水站5ZB-12/42 型柱塞泵3 臺(tái)，設(shè)計(jì)供水量1600 m3/d。配套建設(shè)180 mm 供水管線1.3 km，114 mm 供水管線1 km，滿足了區(qū)塊注水需要。

4.2 確定注水泵壓力

通過(guò)優(yōu)化注水參數(shù)，確定注水泵壓力14 MPa。根據(jù)離心泵的性能曲線查得DF140-150×10 型注水泵的排量為3840 m3/d，泵效為75%，揚(yáng)程為1450 m；DF120-150×10 型注水泵的排量為3360m3/d，泵效為73%，揚(yáng)程為1420 m。性能參數(shù)與區(qū)塊注水壓力需要相匹配，因此，可將11 級(jí)離心泵拆級(jí)改造成10 級(jí)，降低離心泵揚(yáng)程。

4.3 系統(tǒng)負(fù)荷的匹配

要降低泵、干線壓差，需要注水站供水能力與系統(tǒng)負(fù)荷的匹配[1]。利用樁120 注的柱塞泵，通過(guò)變頻裝置控制供水量，實(shí)現(xiàn)樁120 注供水量160～1600 m3/d 連續(xù)可調(diào)，保證老河口注水系統(tǒng)供水量在2880～7840 m3/d 范圍內(nèi)均勻調(diào)節(jié)水量的需要。系統(tǒng)供水量按5000 m3/d 設(shè)計(jì)，注水站供水量與區(qū)塊注水量平衡能力見表4。

表4 老河口注、樁120 注系統(tǒng)供水與區(qū)塊注水量的平衡

4.4 系統(tǒng)參數(shù)的運(yùn)行調(diào)節(jié)

對(duì)于老河口注水站采用傳統(tǒng)的控制方式，注水泵的運(yùn)行工況調(diào)節(jié)由人工操作。由于注水系統(tǒng)外網(wǎng)供水量的變化和供電方面的電壓波動(dòng)較為頻繁，人工難以及時(shí)調(diào)節(jié)，使注水泵偏離高效區(qū)運(yùn)行，降低了注水泵機(jī)組的運(yùn)行效率。另外，部分離心泵存在潤(rùn)滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、溫度、壓力等方面設(shè)施老化現(xiàn)象，故障頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了注水泵機(jī)組的安全生產(chǎn)運(yùn)行。同時(shí)，在用的計(jì)量?jī)x表為電子水表、普通壓力表，存在示值不準(zhǔn)的問題，難以對(duì)注水泵的運(yùn)行效率作出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，因此，需安裝注水泵狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)控裝置，確保系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行。

樁120 注柱塞泵排量恒定，單臺(tái)泵低于額定排量800 m3/d 時(shí)的供水量需通過(guò)打回流控制，造成能量損耗、控制閥損壞，人工調(diào)節(jié)供水工作量大、不及時(shí)，因此，需安裝柱塞泵變頻裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒壓注水。

系統(tǒng)按泵壓14 MPa 運(yùn)行時(shí)，有4 口注水井系統(tǒng)壓力無(wú)法滿足注入要求，需要采取提壓增注措施。

5 配套工藝技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)確定的系統(tǒng)參數(shù)，綜合應(yīng)用了多項(xiàng)先進(jìn)工藝技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)各方面進(jìn)行了配套技術(shù)改造。

5.1 注水泵拆級(jí)改造技術(shù)

經(jīng)分析，將11 級(jí)離心泵拆級(jí)為10 級(jí)，拆除第6 級(jí)最為合理，一方面前后各有5 級(jí)葉輪，保證受力均衡；另一方面，拆除的葉輪處在中間位置，可降低泵軸的撓度，有利于轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡。2013年5月對(duì)1 臺(tái)DF-140 型、1 臺(tái)DF-120 型注水泵拆級(jí)后，注水泵壓由16.5 MPa 降至15 MPa，滿足了區(qū)塊注水壓力需要。

5.2 注水泵狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)

2013年7月，在老河口注水站上應(yīng)用注水泵自動(dòng)監(jiān)控裝置1 套，系統(tǒng)具有自動(dòng)調(diào)控、巡視、保護(hù)、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通訊等5 項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全過(guò)程控制，可自動(dòng)對(duì)注水泵出口閥門的開閉度進(jìn)行無(wú)級(jí)同步調(diào)速；同時(shí)，通過(guò)對(duì)注水泵輸出流量、泵壓、泵電動(dòng)機(jī)電流，大罐液位、機(jī)組溫度、來(lái)水壓力、干線壓力等參數(shù)的監(jiān)測(cè)、計(jì)算、優(yōu)化，確保了注水泵在高效區(qū)運(yùn)行。系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，具有顯示報(bào)警功能，保證了系統(tǒng)安全運(yùn)行。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠滿足狀態(tài)監(jiān)測(cè)與工況調(diào)節(jié)的要求，可靠性、穩(wěn)定性好，使用操作方便。對(duì)提高泵站的運(yùn)行效益及注水設(shè)備管理自動(dòng)化水平起到了良好的促進(jìn)作用[2]。

5.3 柱塞泵變頻調(diào)節(jié)離心泵供水量工藝

離心注水泵因單泵排量大，水量調(diào)節(jié)范圍小，通常采用大、小排量離心泵組合和高壓變頻技術(shù)進(jìn)行水量連續(xù)調(diào)節(jié)，但存在投入高的問題。

變頻調(diào)速器對(duì)柱塞泵控制的工作原理是：將注水干線壓力通過(guò)壓力傳感器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇删幊炭刂破?，可編程控制器作為中間環(huán)節(jié)控制變頻器，使變頻器的輸出頻率在0～50 Hz 之間連續(xù)可調(diào)，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)供水量。當(dāng)實(shí)際干線壓力值低于設(shè)定值時(shí)，變頻器自動(dòng)增加輸出，反之減少輸出，以此達(dá)到供水平衡。

將柱塞泵變頻與離心泵組成一個(gè)供水系統(tǒng)，區(qū)塊供水量與離心泵在最佳工況點(diǎn)運(yùn)行時(shí)的供水量差值，可由變頻裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)柱塞泵供水量得到連續(xù)補(bǔ)充，保證了離心泵始終在高泵效區(qū)運(yùn)行。

5.4 增壓注水、水井調(diào)剖技術(shù)

安裝增壓泵4 臺(tái)，滿足了樁106-22-X22、老13-7、樁106-16-11、樁106-13四口壓力高于14 MPa注水井注水需要，日增注水量180 m3。

針對(duì)樁106-20-X16、106-19-X16、106-19-19、106-18-20、106-12-15 五口水井地層非均質(zhì)嚴(yán)重，注水壓力低，水驅(qū)效果差的問題，采取水井調(diào)剖措施，實(shí)施后對(duì)應(yīng)油井增油764 t，注水壓力平均增加2.9 MPa，提高了管網(wǎng)效率。

6 實(shí)施效果

應(yīng)用綜合配套技術(shù)對(duì)老河口注水系統(tǒng)進(jìn)行改造后，較大改善了注水系統(tǒng)運(yùn)行狀況，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。因區(qū)塊注水結(jié)構(gòu)調(diào)整，日供水量由措施前的4776 m3下降至目前的4416 m3。與改造前相比，注水泵壓由16 MPa 下降到13.8 MPa，井口壓力由8.48 MPa 上升至9.37 MPa，系統(tǒng)壓力總損失減少了3.09 MPa。通過(guò)應(yīng)用柱塞泵變頻調(diào)節(jié)離心泵供水工藝及狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，確保了離心泵在最佳工況點(diǎn)運(yùn)行，系統(tǒng)平均泵效由68.06%上升至75.6%（其中老河口注水站的DF140-150×10 型注水泵的泵效達(dá)74.1%），注水系統(tǒng)效率由33.21%上升至48.4%（表5、表6）。

1 m3水耗電量由6.87 kWh 下降為5.33 kWh，日節(jié)電6800 kWh，年節(jié)電248×104kWh，年節(jié)約電費(fèi)110 萬(wàn)元。

表5 老河口注水系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后壓力分布對(duì)比

表6 老河口注水系統(tǒng)各項(xiàng)效率值及節(jié)電效果對(duì)比

7 結(jié)論

1）應(yīng)用綜合配套工藝技術(shù)對(duì)老河口注水系統(tǒng)進(jìn)行改造，保證了注水泵始終處于最佳工況點(diǎn)運(yùn)行，提高注水泵站的運(yùn)行效率，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)油田注水系統(tǒng)降本增效，提高注水站管理水平具有指導(dǎo)意義。

2）應(yīng)用柱塞泵變頻技術(shù)與離心泵合理匹配的注水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)供水量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證了離心泵始終處于高泵效區(qū)運(yùn)行，滿足了區(qū)塊注水需要。

3）通過(guò)推廣應(yīng)用注水系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)注水全系統(tǒng)每個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，并將各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)、處理工況傳輸至中心控制室，提高了生產(chǎn)運(yùn)行的智能化控制程度，為生產(chǎn)提供及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，增大了注水系統(tǒng)安全運(yùn)行系數(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)了偏遠(yuǎn)井、站無(wú)值守，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

4）小排量離心注水泵泵效低(＜75%)，今后離心泵站改造中宜應(yīng)用大排量柱塞泵（1200 m3/d）取代離心泵，降低注水泵能耗損失。

[1]王莉,丁波,于力.杏南油田注水系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能降耗分析[J].油氣田地面工程,2000,19(3):25-28.

[2]王正武.油田注水泵的狀態(tài)監(jiān)測(cè)[J].中國(guó)設(shè)備工程,2003(5):35-37.