克拉瑪依油田提高多源注水系統(tǒng)效率方法

趙美剛　李　建　曲江濤　葉　洋（新疆油田公司采油二廠）

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克拉瑪依油田提高多源注水系統(tǒng)效率方法

趙美剛李建曲江濤葉洋（新疆油田公司采油二廠）

克拉瑪依油田西北緣區(qū)塊油藏層系多、非均質(zhì)嚴(yán)重且相互層疊，各層系注水壓力需求差異很大。地面系統(tǒng)依托統(tǒng)一系統(tǒng)壓力注水，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的能力與需求不能實(shí)時(shí)匹配、系統(tǒng)工況調(diào)節(jié)能力差、運(yùn)行能耗高。通過(guò)研發(fā)具備模擬、診斷、預(yù)測(cè)功能的注水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件，將多源復(fù)雜大型管網(wǎng)系統(tǒng)分解為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，分析影響注水系統(tǒng)效率的因素。優(yōu)化使用PCP技術(shù)、分壓注水等措施，實(shí)現(xiàn)高（25 MPa）、中（16 MPa）、低（10 MPa）三套合理地面注水體系。實(shí)現(xiàn)地面配注滿足率、系統(tǒng)效率提高，注水單耗降低。

注水效率多源分壓

注水開發(fā)是陸上稀油油田開發(fā)的主要開采方式，通過(guò)注水開發(fā)可有效補(bǔ)充地層能量，對(duì)提高原油采收率，確保油田高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)起到了積極作用。當(dāng)油田進(jìn)入中高含水開發(fā)期后，為保持油田穩(wěn)產(chǎn)，注水量增加迅速，耗電量也隨含水上升率的上升而增長(zhǎng)。當(dāng)含水率超過(guò)70%時(shí)，注水系統(tǒng)用電超過(guò)整個(gè)油田總用電量的40%，在油田地面工程各系統(tǒng)能耗中最高。

克拉瑪依油田西北緣區(qū)塊共有49個(gè)開發(fā)層系注水，注水井點(diǎn)廣、需求量大。由于油藏層系較多、非均質(zhì)嚴(yán)重且相互層疊，單井間注水量與注水壓力差別大。隨著油藏加密調(diào)整、二次開發(fā)和滾動(dòng)開發(fā)等不斷調(diào)整，逐步形成各泵站相互連通、統(tǒng)一系統(tǒng)壓力注水的注水系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行工況十分復(fù)雜。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年以前該油區(qū)注水系統(tǒng)效率為38.6%～40.6%，注水單耗為6.7～7.1 kWh/m3，系統(tǒng)效率低、能耗高，與國(guó)內(nèi)外相比差距大。

1　建立注水系統(tǒng)效率模型

根據(jù)SY/T 5265—1996《油田注水地面系統(tǒng)效率測(cè)試和單耗計(jì)算方法》規(guī)定，地面注水系統(tǒng)效率由電動(dòng)機(jī)效率、泵效和管網(wǎng)效率組成，即V=η1η2η3。其中η1、η2均為注水泵站內(nèi)參數(shù)，兩者可作為整體統(tǒng)一分析；η3為地面流程管網(wǎng)效率。

注水模擬系統(tǒng)中需要建立模型的節(jié)點(diǎn)單元，主要有注水泵、管線及管網(wǎng)、配水間管匯及注水井。

1）運(yùn)行參數(shù)分析。模擬計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工況，計(jì)算出對(duì)比工況下（設(shè)備、管線等處于優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)下）的運(yùn)行數(shù)據(jù)，找出系統(tǒng)運(yùn)行不合理的部位和環(huán)節(jié)。主要包括泵站運(yùn)行參數(shù)、管線運(yùn)行參數(shù)、系統(tǒng)效率等。

2）方案設(shè)計(jì)及模擬。根據(jù)需要進(jìn)行虛擬方案的制定，并模擬計(jì)算出虛擬方案的運(yùn)行工況，為人工制定的調(diào)整改造方案進(jìn)行工況預(yù)測(cè)。通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)單耗、效率、注水井配注滿足率等評(píng)價(jià)參數(shù)，優(yōu)選系統(tǒng)改造調(diào)整方案。

應(yīng)用注水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件進(jìn)行工況模擬，計(jì)算出連通干線上的壓力，將多源復(fù)雜大型管網(wǎng)系統(tǒng)分解為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。通過(guò)注水系統(tǒng)模擬軟件進(jìn)行工況模擬，各泵站效率值如表1。

2　注水泵站效率影響因素

1）機(jī)泵效率。注水站主要設(shè)備為離心泵，離心泵的泵效除與設(shè)備本身的狀況有關(guān)外，影響泵效的最主要因素是實(shí)際工況點(diǎn)是否在高效區(qū)運(yùn)行，實(shí)際工況點(diǎn)越靠近額定工況點(diǎn)，泵效越高。

2）站內(nèi)管網(wǎng)效率。站內(nèi)管線通常距離較短，管線沿程損失較少，所以站內(nèi)管網(wǎng)效率取決于泵出口閥門的節(jié)流損失。離心泵站中3座注水泵站的站內(nèi)管網(wǎng)效率最低，是由于注水泵配用電動(dòng)機(jī)的功率低于注水泵需求輸入功率，需通過(guò)關(guān)小泵出口閥門的方法來(lái)限制注水泵排量，以防止電動(dòng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，這樣泵的實(shí)際排量只能達(dá)到泵額定排量的72%～90%，使注水泵的能力得不到充分發(fā)揮，而且造成泵出口閥門的節(jié)流損失過(guò)大（泵管壓差高達(dá)2～4 MPa），泵站運(yùn)行效率低下。

3）注水管網(wǎng)效率。油區(qū)注水井壓力分布如圖1所示。高、中、低壓力井在地理位置上沒有明顯的劃分界限，高壓力注水井從西到東貫穿了整個(gè)轄區(qū)，在平面上呈點(diǎn)狀、狹長(zhǎng)條狀分布（深藍(lán)色為主）；中壓井部分呈片狀分布，部分與高壓力井相互穿插，也呈狹長(zhǎng)條狀分布（藍(lán)綠色為主）；低壓區(qū)基本呈片狀分布（紅色為主）。

從圖1可以看出，現(xiàn)存在注水泵壓條件下，出現(xiàn)部分高壓區(qū)欠注嚴(yán)重；部分低壓區(qū)水井節(jié)流損失較大，注水單耗相對(duì)較高的問(wèn)題。

表1　2008年注水系統(tǒng)運(yùn)行工況數(shù)據(jù)

3　提高注水系統(tǒng)效率

通過(guò)注水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件模擬工況對(duì)注水系統(tǒng)效率影響因素分析，從注水泵站、注水管網(wǎng)2方面進(jìn)行提高系統(tǒng)注水效率。

圖1　采油二廠東部油區(qū)注水井壓力分布圖

3.1泵控泵技術(shù)

泵控泵（PCP）技術(shù)原理是在原有大功率多級(jí)離心泵（主泵）前串聯(lián)一個(gè)具有較寬工作范圍的小功率前置泵，由變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)前置泵，為主泵提供前置壓力，并以主泵出口的壓力或流量作為前置泵電動(dòng)機(jī)變頻的調(diào)控信號(hào)，達(dá)到調(diào)控主泵出口壓力排量的目的。

擴(kuò)容節(jié)能，要先進(jìn)行主泵減級(jí)，降低主泵運(yùn)行功率，改造后的工況及特性曲線變化見圖2。

圖2　PCP技術(shù)應(yīng)用后的工況和特性曲線變化

如圖2所示，在注水泵進(jìn)行減級(jí)后，注水泵的特性曲線下調(diào)，需要由前置泵進(jìn)行能量補(bǔ)充，根據(jù)注水泵出口反饋的壓力或流量控制信號(hào)，前置泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)變頻，直到滿足出口排量和揚(yáng)程需求。

以泵站同輸出HC揚(yáng)程進(jìn)行比較，減級(jí)并加入PCP技術(shù)改造后，前置泵在最低頻率下（25～30 Hz）的工況為點(diǎn)E，此時(shí)系統(tǒng)輸出的揚(yáng)程為HC，排量為Q2，在工頻（50 Hz）下的工況點(diǎn)為F，此時(shí)系統(tǒng)輸出的揚(yáng)程為HC，排量為Q3，Q2、Q3均大于改造前的Q1，實(shí)現(xiàn)了泵站的擴(kuò)容。

3.2泵站節(jié)能改造對(duì)比

根據(jù)泵站改造需求及節(jié)能改造條件，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際。對(duì)更換為2000 kW大功率電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)增容至1800 kW并注水泵減1級(jí)（10級(jí)）、泵控泵技術(shù)改造并注水泵減2級(jí)（9級(jí)）3個(gè)方案，應(yīng)用注水系統(tǒng)模擬軟件進(jìn)行工況預(yù)測(cè)，見表2。

702泵站井口平均壓力低，轄區(qū)注水井井口壓力差異大，欠注水量小，未來(lái)需求水量較大。801泵站高壓力井比例大，未來(lái)需求水量小。802泵站轄區(qū)注水井井口壓力較為平均，欠注水量最大，未來(lái)需求水量也最大。確定702、801注水泵站進(jìn)行泵控泵并減2級(jí)（9級(jí)）改造，802泵站進(jìn)行更換大功率電動(dòng)機(jī)改造。

3.3系統(tǒng)分壓注水

對(duì)于注水系統(tǒng)這種多源復(fù)雜管網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單個(gè)設(shè)備、泵站或者區(qū)塊運(yùn)行效率的提高，并不能保證整個(gè)系統(tǒng)的效率提高，需系統(tǒng)考慮注水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整。

以現(xiàn)有注水系統(tǒng)為依托，根據(jù)壓力區(qū)域劃分情況，對(duì)存在欠注井嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行新建高低壓系統(tǒng)，形成高中低多套注入系統(tǒng)。達(dá)到提高高壓區(qū)注水量及滿足率；降低低壓區(qū)注水單耗，降低高壓區(qū)單位壓力單位注水量能耗。

表2　泵站改造多方案工況及能耗預(yù)測(cè)

4　實(shí)施效果

2008—2012年進(jìn)行了702、801注水泵站泵控泵技術(shù)改造，802注水泵站更換大功率電動(dòng)機(jī)改造。六區(qū)低壓系統(tǒng)，八區(qū)克上、530井區(qū)高壓分壓注水。項(xiàng)目實(shí)施后系統(tǒng)效率由2008年的40.2%提高到2012年的42.9%，注水單耗由6.55 kWh/m3下降到6.13 kWh/m3。

1）能耗效果。702、801泵站泵控泵技術(shù)改造后單泵排量分別提高了500～800 m3/d，泵站效率提高了2%～3%。802泵站改造后單泵排量提高了1000～1200 m3/d，效率提高了3%～4.5%。高壓系統(tǒng)解決老井欠注及高壓新井注水4100 m3/d，系統(tǒng)配注滿足率提高了9.2%。六區(qū)分壓改造后，系統(tǒng)效率由原來(lái)的25%提高到44.2%，注水單耗由原來(lái)的6.4kWh/m3下降到3.8 kWh/m3。

2）效益分析。702、801泵站泵控泵技術(shù)改造后，年節(jié)電約306×104kWh，年節(jié)約電費(fèi)226萬(wàn)元。六區(qū)地面系統(tǒng)分壓注水改造后，年節(jié)電218× 104kWh，年節(jié)約電費(fèi)163萬(wàn)元。八區(qū)克上及530井區(qū)高壓系統(tǒng)分壓注水改造后，提高高壓水井注水量4100 m3/d。

5　結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）應(yīng)用注水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)系統(tǒng)效率、能耗進(jìn)行分析，找出影響系統(tǒng)效率的因素。以系統(tǒng)效率高、能耗低為制約條件，從系統(tǒng)角度制定調(diào)整方案，并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)行方案，是較為科學(xué)的注水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整管理方法，該方法適用于所有復(fù)雜多源管網(wǎng)系統(tǒng)。

2）對(duì)于電動(dòng)機(jī)配置小或者泵站能力不足的大功率離心泵機(jī)組，泵控泵技術(shù)改造可以作為一種選擇。

3）注水系統(tǒng)分壓力系統(tǒng)改造效果顯著。對(duì)低壓力水井分壓，可以在不降低滿足地質(zhì)配注需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能降耗。對(duì)高壓力水井分壓，可以解決欠注問(wèn)題，提高系統(tǒng)配注滿足率和油藏開發(fā)效果。

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.11.002

2015-04-20）

趙美剛，高級(jí)工程師，1984年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院，從事油田管理工作，E-mail：ZhaomG@163.com，地址：新疆油田公司采油二廠，834008。