李世榮，雷長(zhǎng)森，江 濤，王喜東，隋曉東，陳 莉

(1.長(zhǎng)慶油田公司 第四采油廠，陜西 靖邊718500；2.北京長(zhǎng)森石油科技有限公司，北京 100094)①

低滲透油田注水系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)及技術(shù)優(yōu)化

李世榮1，雷長(zhǎng)森2，江 濤2，王喜東1，隋曉東1，陳 莉1

(1.長(zhǎng)慶油田公司 第四采油廠，陜西 靖邊718500；2.北京長(zhǎng)森石油科技有限公司，北京 100094)①

由于低滲透油田在注水開發(fā)作業(yè)中，注水壓力高、管網(wǎng)復(fù)雜，注水系統(tǒng)效率一直較低。從化子坪油田實(shí)例入手，按流程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行注水系統(tǒng)效率的測(cè)試、評(píng)價(jià)和優(yōu)化，細(xì)化了注水系統(tǒng)效率的影響因素，并針對(duì)性地提出優(yōu)化方案，實(shí)施后并取得了較好的節(jié)能效果。

注水系統(tǒng)；節(jié)點(diǎn)效率；評(píng)價(jià)；優(yōu)化

我國(guó)大多數(shù)油田采用注水開發(fā)，注水耗電已占全國(guó)油田總耗電的33%～56%[1]。同國(guó)外油田比，我國(guó)油田注水工藝相對(duì)落后，注水系統(tǒng)效率較低。對(duì)于低滲透油田，由于油層致密、注水壓力高，注水系統(tǒng)效率大部分在38%～50%，意味著50%以上的電能被浪費(fèi)。

化子坪長(zhǎng)2區(qū)屬于低滲透油田，共有化一注、化一轉(zhuǎn)、化四轉(zhuǎn)、化六注等注水站4座、配水間73個(gè)、注水井183口、高壓柱塞泵13臺(tái)，電機(jī)總功率2 796 kW，注水管線長(zhǎng)147.1 km，設(shè)計(jì)注水能力8 000 m3/d。2011年監(jiān)測(cè)顯示注水系統(tǒng)效率為33.1%(國(guó)內(nèi)平均為47.8%)，遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)平均水平。因此開展低滲透油田注水系統(tǒng)效率的評(píng)價(jià)和優(yōu)化研究，是提高效率、降低能耗、實(shí)施低成本可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要課題。

1 注水系統(tǒng)效率

油田注水系統(tǒng)主要由電機(jī)、注水泵、回流調(diào)節(jié)閥、注水管網(wǎng)、配水間及注水井構(gòu)成。除了注入地層的有效能量外，電機(jī)、注水泵、回流閥、管網(wǎng)、配水間及注水井等環(huán)節(jié)均會(huì)消耗能量，這些共同構(gòu)成了注水系統(tǒng)的總能耗。注水系統(tǒng)效率是指注水系統(tǒng)末端具有的能量與輸入該系統(tǒng)電能之比，即注水系統(tǒng)范圍內(nèi)有效功率與輸入功率之比[2]。

對(duì)注水系統(tǒng)效率進(jìn)行評(píng)價(jià)可依據(jù)3個(gè)行業(yè)規(guī)范：SY/T6569—2003《油田注水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》、SY/T6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》、Q/SYCQ3404—2010《低滲透油田注水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)范》。這3個(gè)規(guī)范對(duì)注水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提出了具體的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(如表1)。

表1 注水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 研究思路

為便于與表1進(jìn)行對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)和分析，可將注水系統(tǒng)按流程節(jié)點(diǎn)分成4個(gè)部分：泵機(jī)組、站內(nèi)回流、注水干線和配水間閥組(如圖1)。降低了這些節(jié)點(diǎn)的能量損失率，就可以提高系統(tǒng)效率。

根據(jù)系統(tǒng)效率測(cè)試數(shù)據(jù)，按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各節(jié)點(diǎn)的能耗情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出效率低下的節(jié)點(diǎn)、可能的影響因素以及可能的優(yōu)化措施。對(duì)可能的措施方案及要求的配注量，代入機(jī)泵及管網(wǎng)參數(shù)、實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行注水系統(tǒng)效率仿真分析，排除效率敏感性差的方案，保留有效措施方案。按仿真確定的有效措施方案進(jìn)行技術(shù)改造，通過(guò)降低節(jié)點(diǎn)能耗來(lái)提高整個(gè)注水系統(tǒng)效率(如圖2)，并通過(guò)再次測(cè)試來(lái)印證仿真分析及技術(shù)改造結(jié)果的有效性。

圖1 注水系統(tǒng)能耗節(jié)點(diǎn)示意

圖2 注水系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)優(yōu)化運(yùn)行示意

3 注水系統(tǒng)效率測(cè)試與評(píng)價(jià)

2011年應(yīng)用PMTS3.1型系統(tǒng)效率測(cè)試儀對(duì)長(zhǎng)2區(qū)4座注水系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析，平均注水系統(tǒng)效率為33.1%，被評(píng)價(jià)為不合格)。節(jié)點(diǎn)分析可以看出原因：化一注泵機(jī)組效率低、化六注回流損失率高、化一注等3個(gè)注水站的管線損失率高(如表2)。

表2 注水系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)

4 提高系統(tǒng)效率的具體措施

4.1 提高機(jī)泵組效率

以化一注為例，2臺(tái)泵均采用5DSB-46.6/20型往復(fù)泵，配套Y355L1-6型315 kW電機(jī)，機(jī)泵組效率只有63%(如表3)。

表3 化一注機(jī)泵組效率評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)

注水泵的體積效率只有65.3%，說(shuō)明注水泵存在嚴(yán)重的漏失。現(xiàn)場(chǎng)可以明顯看到柱塞漏水，這是造成機(jī)泵組效率低下的主要原因。對(duì)于明顯漏失的泵未予及時(shí)檢修的原因是泵的型號(hào)較大，就算存在漏失也不影響所需要的排量，檢修后提高了排量還需要更大的回流量來(lái)抵消，由此可見提高機(jī)泵組效率需要綜合措施，不能只檢修機(jī)泵。

后對(duì)化一注的2臺(tái)泵進(jìn)行了檢修，更換了閥門組、柱塞和密封填料，用變頻器代替回流閥來(lái)調(diào)整泵的排量。經(jīng)此改造后化一注機(jī)泵組效率提高到76.7%，提高了14.7%。

4.2 頻率優(yōu)化消除回流損失

在油田注水開發(fā)中，注水井配注量是動(dòng)態(tài)變化的，為了完成配注任務(wù)，必然要求注水系統(tǒng)的泵排量不小于最大的總配注量，在運(yùn)行中通常采用回流方式控制注水系統(tǒng)壓力?；悠洪L(zhǎng)2區(qū)4個(gè)注水站均采用高壓柱塞泵，泵排量為7 308 m3/d，實(shí)際注水量為5 113 m3/d，回流量2 195 m3/d，回流損失率高達(dá)22.1%，是系統(tǒng)中最大的能量浪費(fèi)。

柱塞泵是體積泵，實(shí)際排量與沖速及每沖的排量成正比，變頻調(diào)速是降低和消除回流損失的有效手段。為注水電機(jī)安裝變頻器和PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器以干線壓力為測(cè)量信號(hào)，與設(shè)定的壓力進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制泵排量。

變頻調(diào)速雖可大量節(jié)能，但電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)往往造成通風(fēng)散熱不好而燒毀電機(jī)，這就是有些注水泵安裝了變頻調(diào)速裝置之后現(xiàn)場(chǎng)操作人員也不愿意使用的原因。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是電機(jī)工作頻率優(yōu)化，再配以適當(dāng)直徑的柱塞，不但可以控制電機(jī)的溫升，而且可以進(jìn)一步降低電機(jī)損耗，提高泵機(jī)組效率。

以化六注4#泵為例，電機(jī)額定功率110 kW，工頻運(yùn)行時(shí)泵出口壓力14.2 MPa、泵排量20.1 m3/h、運(yùn)行功率98.87 kW，直接改成變頻狀態(tài)后運(yùn)行頻率為20 Hz、泵出口壓力13.8 MPa、泵流量8.04 m3/h、運(yùn)行功率42.76 kW，節(jié)電率56.75%。但變頻運(yùn)行0.5 h后電機(jī)的溫度上升了16℃，操作人員擔(dān)心燒壞電機(jī)而切換回工頻運(yùn)行。

電機(jī)散熱主要是通風(fēng)，與通風(fēng)量成正比，與溫差成正比。

電機(jī)溫度變化是一個(gè)熱平衡過(guò)程，轉(zhuǎn)速下降造成通風(fēng)減少，電機(jī)溫度就會(huì)上升，溫度上升增加了溫差以達(dá)到新的平衡。因?yàn)橥L(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，對(duì)應(yīng)的溫差就與轉(zhuǎn)速成反比。

采用北京長(zhǎng)森公司的CSIPTS系統(tǒng)軟件仿真化六注4#泵電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)果如圖3所示，對(duì)應(yīng)于42.76 kW的運(yùn)行功率，電機(jī)損耗最低點(diǎn)(3.26 kW)是頻率31 Hz，電機(jī)溫升最低點(diǎn)(49.2 ℃)是頻率45 Hz，31～45 Hz均屬于頻率優(yōu)化段，本文取中點(diǎn)38 Hz。

圖3 化六注4#泵電機(jī)仿真結(jié)果

新柱塞直徑按式(1)計(jì)算：

(1)

原柱塞直徑Dl=55 mm，原工作頻率Fl=20 Hz，新工作頻率Fn=38 Hz，由式(1)計(jì)算新的柱塞直徑Dn=39.9 mm，圓整后為40 mm。

按照仿真結(jié)果，電機(jī)工作在38 Hz時(shí)溫升51 ℃，遠(yuǎn)低于B級(jí)絕緣電機(jī)允許的80 ℃溫升。電機(jī)工作在20 Hz時(shí)溫升是121 ℃，這需要更換允許溫升125 ℃的H級(jí)絕緣電機(jī)才能工作。

4.3 降低管線損失

化一注、化一轉(zhuǎn)、化四轉(zhuǎn)等3座注水站的6條注水干線在區(qū)域上交叉重疊，平均注水半徑達(dá)到7.6 km，平均管網(wǎng)損失達(dá)13%。其中化一注末端管線長(zhǎng)11.9 km，注水壓力由13 MPa下降到9.7 MPa，壓力損失達(dá)3.3 MPa；化四轉(zhuǎn)末端管線長(zhǎng)8.2 km，注水壓力由15.5 MPa下降到11.5 MPa，壓力損失高達(dá)4 MPa。

通過(guò)CSIPTS系統(tǒng)軟件對(duì)化一注仿真分析，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)效率低的主要原因是有3條干線由于管徑細(xì)導(dǎo)致摩阻損失過(guò)大所致(如表4)，按優(yōu)化方案實(shí)施后化一注的管線損失率可下降3.7%。

按照仿真優(yōu)化方案，新鋪?zhàn)⑺删€4.8 km，并

對(duì)14個(gè)配水間歸屬重新劃分(化一注末端配水間有4個(gè)改至化四轉(zhuǎn)、2個(gè)改至化一轉(zhuǎn)；化一轉(zhuǎn)末端4個(gè)配水間改至化一注；化四轉(zhuǎn)末端4個(gè)配水間改至化一轉(zhuǎn))。平均注水半徑由7.6 km減少到5.1 km，沿程壓力損失控制在1.5 MPa以內(nèi)。

5 實(shí)施效果分析

措施實(shí)施后，2015-11，再次對(duì)長(zhǎng)2區(qū)4座注水系統(tǒng)進(jìn)行效率監(jiān)測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到合格或優(yōu)良(如表5)。

表5 措施后注水系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)

化子坪長(zhǎng)2區(qū)注水系統(tǒng)效率由33.1%提高到55.6%，提高了22.5%；注水單耗由8.8 kW·h/m3下降到6.2 kW·h/m3，年節(jié)電485×104kW·h，節(jié)約電費(fèi)￥315萬(wàn)元。

6 結(jié)論

1) 注水系統(tǒng)優(yōu)化評(píng)價(jià)技術(shù)通過(guò)對(duì)各節(jié)點(diǎn)效率指標(biāo)的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，能直接找到效率低下的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)仿真分析找到問(wèn)題并提出優(yōu)化改造方案。

2) 注水站回流損失是造成注水系統(tǒng)效率低下的主要原因，利用變頻系統(tǒng)調(diào)節(jié)泵速可大量節(jié)約電能。注水站變頻改造之前一定要進(jìn)行仿真優(yōu)化，選取適當(dāng)?shù)闹睆胶捅盟?，切不可讓電機(jī)和注水泵在低速狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)行。

3) 油田在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)將注水站布置在注水轄區(qū)的中心，但在油田發(fā)展過(guò)程中注水區(qū)域會(huì)發(fā)生變化，因此需要及時(shí)仿真分析調(diào)整管網(wǎng)并清洗管線，控制注水半徑范圍不大于5 km，管網(wǎng)壓力損失不大于1 MPa。

[1] 王紅麗，王奎升．淺談國(guó)內(nèi)注水系統(tǒng)的節(jié)能問(wèn)題[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2002，31(5)：7-10.

[2] 梁光川，鄭云萍．油田地面注水系統(tǒng)效率分析[J]．西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，23(2)：62-65.

[3] 任福深，陳素麗，楊萍萍，等.壓差驅(qū)動(dòng)往復(fù)式水力增壓泵研究與應(yīng)用[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2015，44(9)：18-21.

[4] 陶桂紅，劉鵬，王侃，等.注水泵診斷控制系統(tǒng)研制[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2015，44(6)：86-88.

[5] SY/T6569—2003，油田注水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[S].

[6] SY/T6275—2007，油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范[S].

[7] Q/SYCQ3404—2010，低滲透油田注水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)范[S].

[8] 翟全良，蔣青蓮，李蛟真，等.變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在采油注水泵站的應(yīng)用[J]．內(nèi)蒙古石油化工，2009(19)：68-69.

Study on Efficiency Optimization of Water Injection System in Low Permeability Oilfield

LI Shirong1，LEI Changsen2，JIANG Tao2，WANG Xidong1，SUI Xiaodong1，CHEN Li1

(1.No.4 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Jingbian 718500，China；2.BeijingChangsenPetroleumSci-TechCo.，Ltd.，Beijing100094，China)

In low permeability oilfield high-pressure water injection system is often used，a large and complex pipe network，system efficiency has been low reason based on the 4th production plant water injection system efficiency testing in Changqing Oilfield，evaluation and optimization.And a new method is used to evaluate the system efficiency by the process node，highlighting the factors affecting of efficiency and puts forward optimization.Water injection system efficiency was significantly improved.

water injection system；node efficiency；evaluation；optimization

1001-3482(2016)12-0087-04

2016-06-21

李世榮(1973-)，男，江蘇贛榆人，高級(jí)工程師，主要從事石油開發(fā)工作。

TE934.1

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.023