馬燕 劉紅祥 賈雙杰 艾秋順 張軍

（1.吐哈油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心節(jié)能監(jiān)測站；2.吐哈油田分公司鄯善采油廠）

1 現(xiàn)狀

注水系統(tǒng)是由注水站、配水間和注水管網(wǎng)相互聯(lián)系的一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)。其基本流程為：水源—注水站—管網(wǎng)—配水間—注水井—地層，其中地面部分的流程為：水源—注水站—管網(wǎng)—配水間—注水井井口，地下部分的流程為：注水井—地層。從注水流程可以了解到注水系統(tǒng)主要具有以下特點[1]：系統(tǒng)規(guī)模龐大；系統(tǒng)變量多、參數(shù)多；系統(tǒng)具有相關(guān)性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多樣；功能多。為了分析影響吐哈油田注水系統(tǒng)效率因素，挑選了9個注水系統(tǒng)進行測試，9個注水系統(tǒng)的評價數(shù)據(jù)如表1[2]。

表1 9個注水系統(tǒng)的評價數(shù)據(jù)

2 注水系統(tǒng)問題分析及相應(yīng)節(jié)能整改措施

通過測試、計算9個注水系統(tǒng)效率和注水系統(tǒng)效率存在問題的分析因素，確定了影響吐哈油田注水系統(tǒng)效率有以下六個方面問題，并針對相應(yīng)的注水系統(tǒng)問題提出相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)措施。

2.1 泵機組效率低

抽測的9個注水系統(tǒng)中共運行14臺注水泵，通過測試、評價，14臺運行注水泵的泵機組效率、泵效率和電動機效率如表2。

表2 抽測注水泵運行情況

表3 10臺低效率泵機組運行參數(shù)

14臺注水泵的泵機組效率平均值66.96%，與標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》指標(biāo)大于或等于72%比對，僅有4臺達到指標(biāo)，泵機組效率偏低，偏低原因主要有負(fù)荷低、泵效率低的原因。針對注水機組效率低的原因具體進行分析。對10臺低效率泵機組進行統(tǒng)計，其運行參數(shù)匯總?cè)绫?。

2.1.1 負(fù)荷低

通過表2可以看出，東成站注水系統(tǒng)、丘陵35 MPa注水系統(tǒng)、勝北25 MPa注水系統(tǒng)和鄯善聯(lián)合站25 MPa注水系統(tǒng)（溫西六區(qū)域）4個注水系統(tǒng)的注水泵運行負(fù)荷比額定偏差較大，東成站注水系統(tǒng)、丘陵35 MPa注水系統(tǒng)和勝北25 MPa注水系統(tǒng)使用了變頻控制柜裝置，有效提高了注水泵機組效率，但仍然存在一定的提升空間；鄯善聯(lián)合站25 MPa注水系統(tǒng)（溫西六區(qū)域）運行負(fù)荷低且沒有使用變頻控制柜，泵機組效率僅為52.68%。根據(jù)實際情況提出相應(yīng)的節(jié)能措施。

1）實施階梯泵改造，使泵站運行組合的種類增加[3]。為了便于管理，原設(shè)計一座泵站只配置一種型號的注水泵，在排量不匹配的注水泵站能源浪費較為嚴(yán)重。

鄯善采油廠丘陵35 MPa注水系統(tǒng)，原安裝有5ZB-12/42注水泵（額定流量13.9 m3/h）8臺，目前日注水量410 m3左右，正常開泵1～2臺，使用中常出現(xiàn)1臺不足，注水泵超負(fù)荷運行，開2臺泵供水能力過大，采用變頻控制和注水泵改崗技術(shù)，但注水泵實際運行效率偏低。針對這種情況，建議實施多型號臺階式配置改造并配置變頻控制柜，將2臺5ZB-12/42注水泵分別更換為3ZS-4/50型（35 MPa/5.5 m3/h）、3H-8/450Ⅱ型 （37 MPa/8.3 m3/h） 注水泵各l臺，這樣能根據(jù)實際注水量選擇合適額定排量注水泵搭配，改善注水泵的運行工況，提高系統(tǒng)的注水泵效，提高注水系統(tǒng)效率，達到降低能耗的目的。

溫米東成站注水系統(tǒng)，目前安裝了5ZB-12/42型注水泵（額定流量13.9 m3/h）3臺，最大日注水量300 m3左右，測試時日注水量在112 m3，正常開泵1～2臺，最大注水量是需要1.5臺的額定排量，測試的運行排量為額定排量40%，采用變頻運行，泵機組效率為63.70%。建議實施多型號臺階式配置改造并配置變頻控制柜，將1臺5ZB-12/42型注水泵更換為3ZS-29/13型（35 MPa/6.9 m3/h），根據(jù)需要注水量合理選擇注水泵投用，提高注水泵效和注水系統(tǒng)效率，達到降低能耗的目的。

2）采用變頻控制技術(shù)[4]。實現(xiàn)注水系統(tǒng)排量與壓力的自動調(diào)節(jié)，達到節(jié)能降耗目的。柱塞泵與離心泵相比，首先是其自身效率相對較高，并且當(dāng)前低壓變頻調(diào)速技術(shù)相對成熟及國產(chǎn)化，可以對其采取有效的變頻調(diào)速控制，通過調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，對泵排量及出口壓力進行調(diào)節(jié)，在滿足注水壓力需求的前提下，確保注水站在無回流狀況下運行。

鄯善聯(lián)合站25 MPa注水系統(tǒng)（溫西六區(qū)域）的運行注水量為9.17 m3/h，注水站出口壓力27.2 MPa，額定流量20.2 m3/h，額定壓力是25 MPa，工頻運行。通過運行數(shù)據(jù)與額定參數(shù)對比，注水泵效率行低的原因是實際注水量遠低于額定排量，處于“大馬拉小車”現(xiàn)象，同時沒有采取任何節(jié)能措施，工頻運行?？紤]實際注水情況，建議對鄯善聯(lián)合站25 MPa注水系統(tǒng)（溫西六區(qū)域）B12#注水泵安裝變頻控制柜，降低運行頻率，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，達到合理調(diào)配流量作用，提高注水泵機組效率；或者更換注水泵運行，使用小的額定排量注水泵，如額定排量為13.9 m3/h注水泵。

2.1.2 泵效率低

泵機組運行效率是電動機效率與泵效的之積，泵機組效率低兩個方面的影響：一是電動機效率低；二是注水泵的效率低[5]。

玉北脫水站42 MPa注水系統(tǒng)運行的4臺注水泵，4臺注水泵機組的平均效率為64.87%，4臺注水泵中有3臺工頻運行，平均負(fù)荷在88%，基本符合額定工況運行要求，另外1臺變頻運行，運行頻率為35.0 Hz，因此玉北脫水站42 MPa注水系統(tǒng)處于高負(fù)荷運行。泵機組處于高負(fù)荷運行狀態(tài)，其運行效率達不到公司要求，原因是4臺注水泵的泵效率低，平均只有74.69%。經(jīng)過分析和檢查，發(fā)現(xiàn)造成玉北脫水站42M Pa注水系統(tǒng)泵效低的原因是注水泵嚴(yán)重腐蝕。系統(tǒng)注水的的水質(zhì)礦化度異常的高，最高可達8×104mg/L，通過處理后，注水泵入口的礦化度仍有1×104mg/L左右，造成注水泵嚴(yán)重腐蝕。注水泵缸的腐蝕程度如圖1所示。

圖1 玉北脫水站注水系統(tǒng)注水泵缸的現(xiàn)場

為了提高玉北脫水站42 MPa注水系統(tǒng)的系統(tǒng)效率，需要提高注水泵機組效率，提高注水泵效率，減少泵的腐蝕。目前魯克沁采油廠根據(jù)已經(jīng)對注水泵進行了改造，將注水泵更換為材質(zhì)最好的，目前仍然腐蝕嚴(yán)重。建議考慮改變注水系統(tǒng)的水質(zhì)，降低注水水質(zhì)的腐蝕性，可以考慮采取以下措施：犧牲陽極法，由于在注水泵缸里無法進行，考慮在注水泵前段的水罐進行補充介質(zhì)所需要的電子方法，即在水罐增加鋅塊或其他易失去電子金屬，降低介質(zhì)腐蝕性；凈化法，安裝污水升華裝置，對系統(tǒng)的水進行處理，降低系統(tǒng)礦化度，但本方法前提是降低礦化度的水注入地層不影響與地層的水融和；藥劑法，在進入注水泵的水加入防腐劑，降低水質(zhì)對注水泵缸的腐蝕；涂膜法，在注水泵的缸體和閥體等部位涂上防腐膜，能夠很好的防止垢的生成和對泵的腐蝕，同時減小運行中的機械損失，并能增加流速來提高整體效率，從而降低能量損耗。

2.2 機泵搭配不合理

功率與負(fù)荷合理匹配，避免“大馬拉小車”現(xiàn)象出現(xiàn)。注水泵廠家一般出于安全考慮，所配電動機功率偏大，造成“大馬拉小車”，電動機出力不足，無功功率損失大。因此，應(yīng)根據(jù)注水泵運行中所需的最大軸功率，選配合適功率的電動機。

西峽溝注水系統(tǒng)屬于電動機功率和負(fù)荷匹配不合理問題，西峽溝注水系統(tǒng)的注水泵型號為3ZS-4/50，其額定排量為5.9 m3/h，額定輸出壓力為14 MPa，根據(jù)注水泵額定參數(shù)計算，其需要的功率為23 kW。該泵配置的電動機型號是YVP280M-6，額定功率為55 kW。從泵的額定參數(shù)和電動機的額定參數(shù)比對，此泵配置的電動機過大，屬于“大馬拉小車”現(xiàn)象，造成泵機組運行效率低，僅有61.19%。根據(jù)注水泵的實際情況更換合適功率的電動機，建議使用37 kW或者45 kW功率的電動機。

2.3 注水系統(tǒng)壓力相差大

注水井注入壓力差別大，導(dǎo)致注水站壓力等級匹配不合理，系統(tǒng)能耗較高。為了分析注水系統(tǒng)壓力匹配問題，對抽測的9個系統(tǒng)單井壓力進行統(tǒng)計，統(tǒng)計表如表4。

吐哈油田地處哈密盆地，主力油區(qū)以火山巖層地質(zhì)為主，地質(zhì)情況復(fù)雜，地層吸水性差別較大，同一區(qū)塊注水壓力相差較大。目前各注水站都采用注水站集中增壓，配水間節(jié)流降壓注水，注水能耗較高。例如勝北注水站，所轄勝北302、勝北3-6等注水井，井口注入壓力達23.5 MPa，為滿足個別注水井注入壓力需求，注水系統(tǒng)在24 MPa壓力等級運行；而勝北注水站在用的8口井中，有6口注水井注入壓力均低于9 MPa，需在單井節(jié)流降壓，如勝北3-34、勝北4-2井注入壓力僅需4～5 MPa，節(jié)流降壓幅度達18 MPa，能源利用率不高，注水單耗較高，系統(tǒng)效率低。

表4 注水系統(tǒng)單井壓力統(tǒng)計

另外，有的油田地質(zhì)狀況復(fù)雜，注水井的注入壓力相差很大，為保證所有注水井的正常注水工作，注水管網(wǎng)來水壓力不得不采取“就高不就低”的原則，即注水管網(wǎng)壓力不能低于注水井最高注入壓力，低壓注水井的節(jié)流損失浪費能量，這樣就造成無謂的能量浪費，注水能耗較高。玉果7注水站，共有7口注水井，單井壓力大于系統(tǒng)壓力等級85%的有3口，低于系統(tǒng)壓力等級的70%有4口，基本各占一半，導(dǎo)致系統(tǒng)效率只有31.72%，系統(tǒng)單耗為0.897 6 kWh/(MPa·m3)，屬高耗能運行。

據(jù)統(tǒng)計，出現(xiàn)單井壓力范圍廣，相差的主要出現(xiàn)在吐魯番采油廠，下面將針對不同注水系統(tǒng)出現(xiàn)的單井注水壓力分布情況提出相應(yīng)的解決措施。

1）單井增壓注水技術(shù)。一個注水系統(tǒng)中，單井需要的高壓注水比例低時，適當(dāng)降低注水系統(tǒng)的壓力，而對少數(shù)高于系統(tǒng)壓力的注水井采用增壓注水泵，是注水井增注和提高系統(tǒng)效率、降低系統(tǒng)能耗的有效措施之一[6]。

勝北注水系統(tǒng)注水站出口壓力23.5 MPa，系統(tǒng)中需要此高壓井只有2口，占整個系統(tǒng)單井的25%，注水壓力分別為21.0 MPa和23.5 MPa；2口井的注水量為1.459 m3/h，占整個系統(tǒng)注水量的17.4%。其他6口注水井需要的壓力分別為8.5、8.4、6.8、5.0、4.0和0 MPa。所以根據(jù)勝北注水系統(tǒng)單井注水壓力分布，建議采用單井增壓注水技術(shù)，系統(tǒng)壓力降為8.5 MPa，對2口高壓的注水井采用增壓，提高到所需要的注水壓力。這樣大大降低了井口閥組節(jié)流損失，提高注水系統(tǒng)效率。

2）地面水力自動調(diào)壓節(jié)能注水技術(shù)。機理：利用干線壓力與低壓注水井之間的壓差，通過配水間調(diào)壓泵組，將低壓注水井閥控?fù)p失壓力轉(zhuǎn)化為增壓動力，提升來水壓力滿足高壓注水井需求。根據(jù)原理此技術(shù)適應(yīng)注水系統(tǒng)中，高壓注水井與低壓注水井比例相當(dāng)，或者高壓注水井需要的能量偏低，這樣可以降低系統(tǒng)壓力，利用地面水力自動調(diào)壓節(jié)能注水技術(shù)，把系統(tǒng)壓力與低壓注水壓力中間的能量轉(zhuǎn)換到需要高壓注水井上，提高高壓注水井需要。

果7注水系統(tǒng)和葡北注水系統(tǒng)可采用該技術(shù)。2個系統(tǒng)的注水井壓力大于注水站出口壓力70%分別有3口井和6口井，占系統(tǒng)總數(shù)分別為43%和37.5%，注水量占比為40%和38%。因此可以降低2個注水系統(tǒng)的壓力等級，通過地面水力自動調(diào)壓節(jié)能注水技術(shù)，把低于壓力等級的注水井的能量轉(zhuǎn)移到需要高于壓力等級的注水井，以提高壓力，滿足高壓注水井壓力要求。注水系統(tǒng)降低輸入能量，減少低壓井損失能量，可以很大程度上提高注水系統(tǒng)效率。

2.4 存在回流量

吐哈油田均采用高壓柱塞式注水泵注水。由于油田注水量的波動，注水泵難以調(diào)節(jié)水量部分，高壓水打回流造成能源的浪費。目前吐哈油田采油很多變頻裝置，解決了柱塞泵排量調(diào)節(jié)的問題，降低了能耗。目前因為注水系統(tǒng)運行狀況的變化沒有及時調(diào)整注水泵運行工況，仍然存在回流現(xiàn)象。抽測的9個注水系統(tǒng)中果7注水系統(tǒng)存在回流量。

抽測期間，果7注水系統(tǒng)在用的注水井有7口，注水量9.996 m3/h，而注水站的注水泵的排量為14.996 m3/h，存在5 m3/h的回流量。存在回流量的原因是果7系統(tǒng)的西面正在鉆井，鉆井附近的注水井關(guān)閉、停注，而系統(tǒng)沒有根據(jù)停住情況調(diào)整注水泵運行的頻率，降低注水泵的排量，而是直接打回流，造成了能量的損失，降低了注水系統(tǒng)的運行效率。建議根據(jù)實際現(xiàn)場注水井運行情況，及時調(diào)整注水泵的運行頻率，使注水量與注水泵排量吻合，避免出現(xiàn)打回流現(xiàn)象。

2.5 管線結(jié)垢導(dǎo)致部分注水干線及單井管線壓力損失大

吐哈油田采出水處理后回注量占油田總注水的72.33%。管道輸送處理后的油田采出污水，不可避免地產(chǎn)生結(jié)垢問題，管道結(jié)垢不但會加速管道腐蝕，而且加大了管道沿程摩阻系數(shù)，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力損失較大，注水系統(tǒng)單耗上升。如雁木西聯(lián)合站到雁20配水間φ114×13的配水支干線，管線長度3738 m，起點壓力為23.8 MPa，沿程壓降達1.8 MPa，理論計算壓力損失不應(yīng)大于0.08 MPa。建議采取污水處理裝置，提高注水的水質(zhì)質(zhì)量，或者在介質(zhì)中加入防腐劑，減少管線結(jié)構(gòu)和腐蝕。

2.6 注水泵備用系數(shù)高

當(dāng)前吐哈油田共建有注水泵182臺，常用80臺，備用86臺，停用16臺。其中丘陵注水站建有注水井244口，當(dāng)前開井94口，站內(nèi)注水泵運7備15。注水泵數(shù)量多且備用系數(shù)大，但多數(shù)沒有梯級配置，即未能體現(xiàn)節(jié)能，又增加了維修保養(yǎng)成本。建議公司范圍內(nèi)進行合理調(diào)配，資源充分利用，提高設(shè)備利用系數(shù)，起到物盡其用的目的。

3 采取措施后節(jié)能量評價

3.1 提高注水泵機組效率節(jié)能量評價

通過以上分析，泵機組效率低的主要原因有負(fù)荷低、泵效低和機泵搭配不合理等。針對每個系統(tǒng)的具體情況，提出了實施階梯泵改造、采用變頻控制技術(shù)、降低注水水質(zhì)的腐蝕性、更換合適功率的電動機等整改措施，通過整改泵機組效率將大大提高。注水泵機組效率低的系統(tǒng)有：鄯善采油廠丘陵35 MPa注水系統(tǒng)、溫米東成站注水系統(tǒng)、鄯善聯(lián)合站25 MPa注水系統(tǒng)（溫西六區(qū)域）、玉北脫水站42 MPa注水系統(tǒng)和西峽溝注水系統(tǒng)等5個系統(tǒng)。5個系統(tǒng)運行9臺注水泵，平均泵機組效率63.22%，平均輸入功率168.31 kW，低效率泵機組如果通過整改按照效率提高到吐哈注水系統(tǒng)泵機組效率平均水平81%，則5個系統(tǒng)可節(jié)約電量為291.31×104kWh。

3.2 提高系統(tǒng)效率節(jié)能量評價

1）單井增壓注水技術(shù)節(jié)能量的評價。通過分析，適合采用單井增壓注水技術(shù)的注水系統(tǒng)是勝北注水系統(tǒng)，系統(tǒng)注水站出口壓力23.5 MPa，輸入功率84.43 kW，注水量是8.367 m3/h。系統(tǒng)如果采取單井增壓注水技術(shù)，系統(tǒng)的注水壓力可以降到9 MPa，不需要增壓的注水量為6.908 m3/h，則該系統(tǒng)可節(jié)約電量為37.64×104kWh。

2）地面水力自動調(diào)壓節(jié)能注水技術(shù)節(jié)能量的評價。通過分析，適合采用地面水力自動調(diào)壓節(jié)能注水技術(shù)的注水系統(tǒng)是果7注水系統(tǒng)和葡北注水系統(tǒng)。果7注水系統(tǒng)運行參數(shù)：輸入功率143.29 kW、注水站出口壓力27.2 MPa、注水量14.996 m3/h，考慮采用地面水力自動調(diào)壓節(jié)能注水技術(shù)，系統(tǒng)壓力可以降到18 MPa；葡北注水系統(tǒng)運行參數(shù)：輸入功率141.16 kW、注水站出口壓力27.6 MPa、注水量15.135 m3/h，考慮采用地面水力自動調(diào)壓節(jié)能注水技術(shù)，系統(tǒng)壓力可以降到18 MPa。則采用此技術(shù)的2個系統(tǒng)節(jié)約電量分別為：果廠注水系統(tǒng)42.46×104kWh、葡北注水系統(tǒng)43.01×104kW。

3.3 減少回流量節(jié)能量評價

在分析9個注水系統(tǒng)中，果7注水系統(tǒng)存在回流，回流量為5 m3/h，如果通過及時調(diào)整注水泵的運行頻率，使注水量與注水泵排量吻合，避免出現(xiàn)打回流現(xiàn)象。系統(tǒng)的注水單耗為14.33 kWh/m3，此運行狀況按照運行2個月計算，則避免回流可節(jié)約電量為10.32×104kW。

通過對9個注水系統(tǒng)分析，查找出存在問題，并提出了相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)措施，通過評價分析，采取相應(yīng)節(jié)能技術(shù)措施后，9個系統(tǒng)年可節(jié)電量為424.77×104kWh。

4 結(jié)論

注水系統(tǒng)作為一個多變量、動態(tài)的系統(tǒng)，對其進行優(yōu)化無論用經(jīng)典的還是現(xiàn)代的優(yōu)化理論去求解，都會遇到很大的困難。因此對注水系統(tǒng)進行多方面的研究，確定其影響因數(shù)，提出解決方案，達到提高注水系統(tǒng)效率，減低能耗的目的就更為重要。通過吐哈油田注水系統(tǒng)存在問題進行了分析探討，并提出相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)措施，采用節(jié)能技術(shù)措施后，通過評價分析，采取相應(yīng)節(jié)能技術(shù)措施后，9個系統(tǒng)年可節(jié)電量為424.77×104kWh。