張祎達(dá) 王鵬 王鐘慧 袁國(guó)清 李莊

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司

近年來(lái)，隨著“一帶一路”政策的部署和推進(jìn)，中國(guó)石油海外工程建設(shè)業(yè)務(wù)把握機(jī)遇，面對(duì)中東地區(qū)激烈的油田市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，突破了BP、美孚、阿美、殼牌、ADNOC 及KOC 等高端市場(chǎng)的油田工程建設(shè)項(xiàng)目。通過(guò)對(duì)不同地區(qū)項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)海外多數(shù)大型油田處于含水期開(kāi)發(fā)，持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)難度逐年加大，為提高采收率和采油速度，使油田長(zhǎng)期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，均采用向油層注水的方式補(bǔ)充能量，保持或提高油層壓力，維持油田的合理開(kāi)采速度。油田注水質(zhì)量的好壞也直接影響油田開(kāi)發(fā)效果，在油田含水率上升期，為提高注水質(zhì)量，不僅需要對(duì)中心處理站的采出水處理系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)容，還需對(duì)站外注水系統(tǒng)進(jìn)行逐年擴(kuò)建。

1 項(xiàng)目背景介紹

伊拉克某油田注水系統(tǒng)根據(jù)油田開(kāi)發(fā)方案，采用分壓注水方案，注水前期采用低壓注水系統(tǒng)，井口壓力2～3 MPa(G)；注水后期采用高壓注水系統(tǒng)，井口壓力為4.8～14.8 MPa(G)。注水水源為油田采出水，由于前期油田產(chǎn)生的采出水較少，注水前期采用河水作為補(bǔ)充水源。隨著油田含水率上升，處理后的油田采出水將逐步取代補(bǔ)充水源。注水系統(tǒng)地面設(shè)施主要包含注水罐、低壓喂水泵、低壓輸水管線、高壓注水泵、注水閥組、高壓注水管線、井口設(shè)施等。油田采出水和河水分別經(jīng)過(guò)處理達(dá)到油田注水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后，經(jīng)注水罐緩沖，前期通過(guò)喂水泵直接進(jìn)行低壓注水，后期再經(jīng)注水泵加壓實(shí)現(xiàn)高壓注水。

本項(xiàng)目注水罐及喂水泵設(shè)置在中心處理站內(nèi)，高壓注水泵及注水閥組設(shè)置在4 座注水增壓站內(nèi)，36 個(gè)注水井平臺(tái)分布在注水增壓站周圍。注水系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 注水系統(tǒng)流程Fig.1 Flow of water injection system

高壓注水泵電動(dòng)機(jī)設(shè)置變頻器VFD（Variablefrequency Drive），通過(guò)調(diào)節(jié)注水泵的變頻器及注水閥組的節(jié)流閥開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)控制各注水增壓站及各注水井的流量。喂水泵和注水泵的數(shù)量及參數(shù)如表1所示。

表1 高低壓注水泵設(shè)置Tab.1 Setting of high and low pressure water injection pumps

2 水力計(jì)算與分析

通過(guò)PIPENET 軟件進(jìn)行注水系統(tǒng)建模，模型中以喂水泵吸入口作為模型起始點(diǎn)，以注水井口作為模型終點(diǎn)。根據(jù)上述項(xiàng)目信息確定起始點(diǎn)所提供的流量和壓力，將最大注水壓力14.8 MPa(G)作為模型終點(diǎn)壓力輸出值，同時(shí)在單井管線上建立注水閥組節(jié)流閥的模型來(lái)控制單井注水流量，在模型上通過(guò)調(diào)節(jié)注水泵的開(kāi)啟數(shù)量及變頻頻率，從而使各注水井滿足所需的壓力和流量。

該項(xiàng)目喂水泵集中設(shè)置在一處，將水源輸至4 座增壓泵站給注水泵供水，各增壓泵站所轄注水井?dāng)?shù)不一，系統(tǒng)較為復(fù)雜，水量不易匹配。根據(jù)流體力學(xué)理論，在復(fù)雜管網(wǎng)系統(tǒng)中，考慮到管道串聯(lián)、并聯(lián)不同的水力特性，根據(jù)管路的能量和質(zhì)量平衡方程，沿管網(wǎng)內(nèi)水體流動(dòng)的方向，建立注水管網(wǎng)的水力計(jì)算模型，通過(guò)水力仿真算法能夠進(jìn)行環(huán)狀、枝狀或者環(huán)-枝狀混合管網(wǎng)的精確水力計(jì)算，摸索注水站、配水閥組、注水井的匹配規(guī)律，通過(guò)注水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)及管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，確定注水站、配水閥組及注水井等參數(shù)的匹配關(guān)系，為注水系統(tǒng)的管網(wǎng)設(shè)計(jì)和注水泵開(kāi)啟數(shù)量及頻率設(shè)置提供重要設(shè)計(jì)依據(jù)及指導(dǎo)[1]。同時(shí)，通過(guò)瞬態(tài)模擬對(duì)注水系統(tǒng)在停泵、關(guān)閥等一些容易產(chǎn)生水擊的工況進(jìn)行安全性驗(yàn)證，為系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)提供保障。

2.1 基本參數(shù)設(shè)定

基本參數(shù)設(shè)定包括流體物性、起點(diǎn)參數(shù)、終點(diǎn)參數(shù)、喂水泵特性、注水泵特性、注水管道和閥門(mén)的屬性等設(shè)置。其中，流體物性主要包括密度、黏度、飽和蒸氣壓、彈性模量等參數(shù)。注水管網(wǎng)的屬性數(shù)據(jù)包括管段參數(shù)和節(jié)點(diǎn)參數(shù)：管段參數(shù)包括管段的起點(diǎn)和終點(diǎn)的編號(hào)、管長(zhǎng)、管徑、管材以及粗糙度等參數(shù)；節(jié)點(diǎn)參數(shù)包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)、流量以及壓力數(shù)據(jù)等參數(shù)。閥門(mén)需設(shè)定閥門(mén)類型、材質(zhì)、尺寸、流量系數(shù)等參數(shù)。喂水泵及注水泵需導(dǎo)入泵性能曲線，注水泵需設(shè)置不同頻率下的性能曲線[2]。

本項(xiàng)目共含36 口注水井，其中1#注水增壓站管轄9口，2#站管轄11口，3#站管轄4口，4#站管轄12 口。單井每天最大流量為10 000 bbl，單井每天平均流量為5 700 bbl，注水井口壓力最高值為14.8 MPa(G)。注水介質(zhì)為河水/采出水，注水介質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表2 注水介質(zhì)參數(shù)Tab.2 Water injection medium parameters

注水管道地上材質(zhì)為雙相不銹鋼，地下材質(zhì)為玻璃鋼，管道特性參數(shù)如表3所示。

表3 管材特性參數(shù)Tab.3 Pipe characteristic parameters

2.2 穩(wěn)態(tài)模擬

穩(wěn)態(tài)模擬目的是通過(guò)模擬假定的注水工況，得出注水泵出口流量、配水閥組角閥流量及壓降、注水井口流量及壓力值，根據(jù)假定工況初步模擬結(jié)果，再進(jìn)行計(jì)算參數(shù)調(diào)整（包括注水泵的工作頻率和各配水閥組區(qū)角閥的壓降值），最終確定注水泵最佳運(yùn)行工況。穩(wěn)態(tài)模擬將所有注水井都考慮為要求的平均流量和要求的最大注水井壓力，參考2.1章節(jié)，為保護(hù)站外高壓玻璃鋼管線，需保證泵出口壓力小于16 MPa(G)，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)頻率，防止超壓出現(xiàn)，并同時(shí)滿足所有注水井的所需流量和壓力。根據(jù)注水井口數(shù)量、分布和單井配注量擬定的高低壓注水泵運(yùn)行工況如表4所示。

表4 擬定的高低壓注水泵運(yùn)行情況Tab.4 Proposed operation status of high and low pressure water injection pumps

通過(guò)模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)注水泵輸量、出口壓力、調(diào)頻及注水井口的匹配出現(xiàn)問(wèn)題，再通過(guò)反復(fù)調(diào)整高壓注水泵組電動(dòng)機(jī)頻率，使高壓注水泵性能曲線發(fā)生變化，從而使整個(gè)注水系統(tǒng)相互匹配，最終確定合理的穩(wěn)態(tài)模型，確定后的喂水泵、注水泵運(yùn)行工況及模擬結(jié)果如表5所示。

表5 調(diào)整后的高低壓注水泵模擬結(jié)果Tab.5 Simulation result of adjusted high and low pressure water injection pumps

2.3 瞬態(tài)模擬

瞬態(tài)模擬基于調(diào)整后注水泵運(yùn)行穩(wěn)態(tài)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行水擊模擬。根據(jù)ASME B31.4—2019 標(biāo)準(zhǔn)，水擊壓力不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)壓力的110%[3]。目前，低壓部分管道設(shè)計(jì)壓力為4 MPa(G)，管道的最大允許水擊壓力為4.4 MPa(G)。高壓部分管道設(shè)計(jì)壓力為16 MPa(G)，管道的最大允許水擊壓力為17.6 MPa(G)。

瞬態(tài)模擬水擊分析考慮兩種情況：緊急關(guān)停高壓注水泵造成的水擊壓力影響；閥門(mén)瞬時(shí)關(guān)閉產(chǎn)生的水擊壓力影響（考慮閘板松動(dòng)或損壞造成閘板瞬間關(guān)閉的極端情況）[4-5]。

2.3.1 緊急停泵

緊急停泵考慮兩種工況，工況1：考慮任意一個(gè)注水增壓站忽然失電情況下，該站內(nèi)正在工作的全部高壓注水泵忽然緊急停車；工況2：考慮所有注水增壓站忽然失電情況下，所有正在工作的高壓注水泵忽然緊急停車[6-7]。

在工況1 下，通過(guò)對(duì)4 個(gè)注水增壓站的模擬，發(fā)現(xiàn)1#注水增壓站中注水泵緊急停車是最不利情況。計(jì)算結(jié)果表明，1#注水增壓站的水擊壓力最小值是高于飽和蒸汽壓力的，未出現(xiàn)負(fù)壓情況；此時(shí)注水泵的最大進(jìn)口壓力為3.93 MPa(G)，低于設(shè)計(jì)壓力的1.1 倍（圖2）。因此，1 個(gè)注水增壓站的緊急停泵并不會(huì)出現(xiàn)汽蝕或超壓情況。

圖2 工況1高壓注水泵進(jìn)口壓力計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation results of inlet pressure of high-pressure water injection pump under working condition 1

在工況2下，計(jì)算結(jié)果表明，整個(gè)注水系統(tǒng)的水擊壓力最小值是高于飽和蒸汽壓力的，未出現(xiàn)負(fù)壓情況；注水干線最大水擊壓力值為4.55 MPa(G)，超過(guò)玻璃鋼管道的最大允許水擊壓力4.4 MPa(G)（圖3）。因此，系統(tǒng)需考慮水擊保護(hù)/消除措施以保證管網(wǎng)系統(tǒng)安全性，詳見(jiàn)2.3.3節(jié)。

圖3 工況2低壓轉(zhuǎn)水干線壓力計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation results of low-pressure water transfer main line pressure under working condition 2

2.3.2 閥門(mén)瞬間關(guān)閉

閥門(mén)瞬間關(guān)閉考慮兩種工況，工況3：考慮任意1 個(gè)注水增壓站內(nèi)的任意1 個(gè)配水閥組總閥門(mén)突然關(guān)閉（脫落）；工況4：考慮在任意1個(gè)注水井口閥門(mén)突然關(guān)閉（脫落）[8-9]。

在工況3 下，進(jìn)行瞬態(tài)模擬，經(jīng)過(guò)對(duì)4 個(gè)注水增壓站模擬，得出1#注水增壓站關(guān)閉1個(gè)配水閥組總閥門(mén)是最不利情況，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 工況3閥前壓力模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of valve inlet pressure under working condition 3

在模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在關(guān)閉閥門(mén)的瞬間，泵出口/配水閥組閥門(mén)進(jìn)口壓力會(huì)達(dá)到17.0 MPa(G)，低于1.1倍設(shè)計(jì)壓力，因此沒(méi)有水擊超壓現(xiàn)象出現(xiàn)。

在工況4 下，通過(guò)瞬態(tài)模擬得出任意1 個(gè)注水井口閥門(mén)突然關(guān)閉對(duì)注水系統(tǒng)的影響很小，最大水擊壓力不會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)壓力的1.1 倍，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 工況4閥前壓力模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of valve inlet pressure under working condition 4

2.3.3 超壓保護(hù)措施

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，從正常操作壓力到水擊壓力的形成時(shí)間在5 s 以上時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置PSV 保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行壓力泄放，投資較低；但從正常操作壓力到水擊壓力的形成時(shí)間在5 s 及以下時(shí)，PSV 可能無(wú)法及時(shí)打開(kāi)泄壓，應(yīng)考慮設(shè)置專用水擊泄壓閥。本項(xiàng)目的水擊超壓產(chǎn)生迅速，故采用水擊泄壓閥進(jìn)行防水錘保護(hù)設(shè)計(jì)。模型中設(shè)置水擊泄壓閥，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度在50%～70%，且閥前壓力可以回落到正常操作壓力時(shí)，即可認(rèn)為該水擊泄壓閥可有效消除水擊且尺寸適宜[10]。

圖6 為工況2 下低壓注水泵后設(shè)置水擊泄壓閥的計(jì)算結(jié)果。該結(jié)果顯示，水擊泄壓閥開(kāi)度在40%～65%之間波動(dòng)、閥前壓力在4 MPa(G)上下波動(dòng)（小于玻璃鋼管道的最大允許水擊壓力4.4 MPa(G)），該結(jié)果說(shuō)明水擊泄壓閥可有效消除水擊。

圖6 工況2水擊泄壓閥模擬計(jì)算結(jié)果Fig.6 Simulation calculation results of water hammer relief valve under working condition 2

3 結(jié)束語(yǔ)

在油田整體開(kāi)發(fā)方案中，依據(jù)油田產(chǎn)能及地質(zhì)情況，對(duì)油田地面工程注水系統(tǒng)提出總體設(shè)計(jì)思路，按油田產(chǎn)量年份預(yù)測(cè)規(guī)劃不同時(shí)期注水任務(wù)。為驗(yàn)證規(guī)劃的合理性和可實(shí)施性，以及保障設(shè)計(jì)的安全性，需進(jìn)一步開(kāi)展注水系統(tǒng)水力模擬計(jì)算。同時(shí)在水力模擬計(jì)算中，可分析注水泵的選型及性能參數(shù)、變頻器的控制參數(shù)、管網(wǎng)輸量與管網(wǎng)尺寸是否匹配及合理，以滿足項(xiàng)目要求的配注能力。

本文通過(guò)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模擬計(jì)算，得出管網(wǎng)水力損失，完成注水泵開(kāi)啟數(shù)量及工作頻率選擇，平衡管網(wǎng)流量、流速、管徑尺寸和壓降之間關(guān)系，滿足全部注水井口配注量及壓力要求，對(duì)于水擊超壓情況，提出設(shè)計(jì)水擊泄壓閥的措施，為下一步設(shè)計(jì)提供參考。