深層低滲透率油藏注水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化技術(shù)

王江順（中國(guó)石油中原油田分公司采油四廠）

油田開發(fā)進(jìn)入中后期，地層能量下降，注水是保持油層壓力達(dá)到油田穩(wěn)產(chǎn)的必要工藝措施。注水系統(tǒng)是油田耗電大戶，其耗電量約占油田總耗電量的30%[1]。中原油田深層、低滲透率油藏儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的39.5%[2]，中低壓注水難以有效驅(qū)動(dòng)二、三類油藏，文南油田作為井深、高溫、低滲透率的典型油藏，平均注水壓力為31.5 MPa，個(gè)別井達(dá)到40 MPa，遠(yuǎn)高于中原油田20～25 MPa平均水平，為典型的超高壓注水系統(tǒng)。文南油田注水壓力高，壓力層級(jí)復(fù)雜，對(duì)注水工程技術(shù)要求高，配套設(shè)施必須具有多樣性，以滿足不同開發(fā)單元注水需要；同時(shí)決定了注水耗電的差異性大，為注水系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)研究與應(yīng)用提供了發(fā)展空間和平臺(tái)。

1　文南油田注水系統(tǒng)節(jié)能面臨的難題

文南油田高壓、低滲透率油藏，超高壓（單井注水壓力最高40 MPa）注水難度大，壓力層級(jí)多樣，注水工藝技術(shù)復(fù)雜的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行注水開發(fā)的油田中具有典型代表意義，要實(shí)現(xiàn)注水能耗損失最小化，系統(tǒng)平穩(wěn)、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，主要面臨以下三個(gè)難題。

1.1　超高壓工藝復(fù)雜，地層注水配注差異大，機(jī)泵高效組合與配注要求矛盾突出

機(jī)泵設(shè)計(jì)容量大，電動(dòng)機(jī)功率與泵實(shí)際出力不匹配，部分機(jī)泵出現(xiàn)負(fù)荷不足現(xiàn)象。隨著油田穩(wěn)油控水開發(fā)方向的轉(zhuǎn)變，注水量總體呈下降趨勢(shì)，部分機(jī)泵由于設(shè)計(jì)容量過大，出現(xiàn)負(fù)荷不足現(xiàn)象，能耗浪費(fèi)嚴(yán)重。如文二污水站3臺(tái)離心泵，目前僅使用5號(hào)離心泵，4號(hào)泵與5號(hào)泵排量相同，但配用電動(dòng)機(jī)功率比5號(hào)泵多240 kW，每天要多耗電5670 kWh。3號(hào)泵排量為650 m3/h，配套電動(dòng)機(jī)功率為2500 kW，因能耗高年運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)率為13%。二次增壓柱塞泵配套電動(dòng)機(jī)90%以上的裝機(jī)功率為110 kW，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際機(jī)泵負(fù)荷80%以上為70～80 kW，單臺(tái)日多耗電50 kWh。

注水干壓波動(dòng)穩(wěn)定困難，注水泵排量與配注需求難以動(dòng)態(tài)匹配，只能通過節(jié)流、打回流或泵間開滿足配注需要，泵機(jī)組效率低。文二污水站外供水受注水工藝現(xiàn)狀制約，注水干線壓力控制在9.5±0.5 MPa范圍內(nèi)，但受注水井動(dòng)態(tài)調(diào)整開關(guān)井、配注調(diào)整、洗井以及二級(jí)增壓泵的間開等不確定因素的影響，文二污水站高壓離心泵外供水量始終處于動(dòng)態(tài)變化之中，這就使注水干壓的平穩(wěn)控制靠人工來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較困難。在油田注水開發(fā)過程中，配注水量要隨時(shí)滿足注采井組動(dòng)態(tài)調(diào)配的需求，二次增壓泵站由于采用的是柱塞泵，排量不可調(diào)，為適應(yīng)注水量的變化，在沒有調(diào)速措施的情況下，只能通過節(jié)流、打回流以及間開泵的方法控制流量和壓力，調(diào)整注水量，必然造成泵壓與閥組管壓之間產(chǎn)生較大的波動(dòng)，增加了注水系統(tǒng)的能耗。

1.2　地層物性差異大，注水壓力層級(jí)多，導(dǎo)致各級(jí)配套管網(wǎng)壓力匹配困難

文南油田注水井中99%以上采用二次增壓注水。由于增注泵站所有增壓注水泵對(duì)應(yīng)一套配水閥組，一套提壓流程導(dǎo)致全站注水壓力在10 MPa以上的注水井共同使用一個(gè)高壓水源。由于各井壓力差別大，當(dāng)有1口井注水壓力較高時(shí)，整個(gè)配水閥組的注水壓力也需提高，其他閥組閘門節(jié)流損失嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)表明，注水站平均匯管壓力34.8 MPa，井口注水壓力31.5 MPa，壓降損失3.3 MPa，個(gè)別井壓降損失高達(dá)25.0 MPa。

1.3　一、二次注水壓力匹配與能耗變化關(guān)系，缺乏規(guī)律性研究和理論指導(dǎo)

文南油田注水系統(tǒng)使用的多級(jí)離心泵和柱塞泵兩種類型的注水泵，其工作原理和特性曲線完全不同，決定了壓力、排量等工況變化而引發(fā)的能耗變化也不相同，相互配合標(biāo)定注水系統(tǒng)干壓高效運(yùn)行區(qū)間在國(guó)內(nèi)油田尚無(wú)可借鑒的成熟性理論和經(jīng)驗(yàn)。

2　注水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

2.1　配水閥組壓力分級(jí)配套技術(shù)

創(chuàng)新運(yùn)用了木桶原理（即增壓泵站最高注水壓力及匯管壓力取決于該站控制水井中注水壓力最高的注水井），自主設(shè)計(jì)了超高壓增注泵站三級(jí)分壓注水流程，緩解了注水井壓力級(jí)差大無(wú)法合理匹配，壓力損失大的問題，實(shí)現(xiàn)了單井注水壓力變化的動(dòng)態(tài)調(diào)整。主要包括配水閥組壓力等級(jí)選擇技術(shù)、壓力分級(jí)改造工藝配套技術(shù)和能耗損失評(píng)價(jià)技術(shù)。

2.1.1配水閥組壓力等級(jí)選擇技術(shù)

由于注水站配水閥組原設(shè)計(jì)壓力為35 MPa，不能滿足部分高壓井（壓力大于35 MPa）注水壓力需要，導(dǎo)致76個(gè)井組欠注，欠注井占開井?dāng)?shù)的29%，日欠注水量1309 m3，欠注水量占日注水量的11%。

文南油田現(xiàn)有注水工藝為兩個(gè)壓力等級(jí)，配套壓力分別為10 MPa（干線來(lái)水直供，為小于10 MPa的水井供水）、35 MPa（二次增注泵提壓，為10～35 MPa的水井供水）。為了解決上述問題，最佳的供水壓力系統(tǒng)應(yīng)為10 MPa、25 MPa、35 MPa、45 MPa四級(jí)分壓供水系統(tǒng)，能夠滿足不同注水井啟動(dòng)壓力需要，閥組節(jié)流損失最小。但是通過調(diào)查，全廠69%的注水井啟動(dòng)壓力在30 MPa以上，單井最高注水啟動(dòng)壓力40.2 MPa。因此，按照綜合效益最大的原則，只需再增加一套超高壓45 MPa供水壓力系統(tǒng)，為35～45 MPa的水井供水，既可以解決超高壓井的欠注問題，也可以滿足目前注水生產(chǎn)需要。其工藝技術(shù)流程見圖1。

2.1.2壓力分級(jí)改造工藝配套技術(shù)

基于增注站供水壓力層級(jí)增加，該技術(shù)為原單匯管增壓注水流程中無(wú)法解決的問題提供了技術(shù)支持。例如，同壓力等級(jí)下水量變化后注水泵無(wú)法動(dòng)態(tài)調(diào)整和注水井壓力發(fā)生變化后供水壓力不匹配等問題，在后期方案設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中進(jìn)行綜合考慮，提高注水泵利用率，實(shí)現(xiàn)供水流程靈活調(diào)整。

圖1　增注站分壓注水改造工藝

配套一：將注水泵出口設(shè)計(jì)為雙出口流程，泵出口分別與35 MPa、45 MPa供水系統(tǒng)相連。每一臺(tái)泵可以根據(jù)不同匯管供水量需求，實(shí)現(xiàn)不同匯管壓力下的優(yōu)化開泵組合，提高泵利用效率。

配套二：根據(jù)歷年來(lái)的壓力變化趨勢(shì)和跨度范圍，將單井一套供水流程優(yōu)化設(shè)計(jì)成兩套或三套供水流程。當(dāng)注水井啟動(dòng)壓力發(fā)生變化后，通過將單井切換到對(duì)應(yīng)供水壓力等級(jí)的閥組供水，在工藝上滿足單井壓力變化后的供水壓力靈活調(diào)整。

配套三：以注水泵水表為起點(diǎn)，由近到遠(yuǎn)，按照壓力等級(jí)高—中—低的順序梳理布置三套配水閥組，優(yōu)化減少管網(wǎng)拐彎和輸送距離，降低壓力損耗。

2.1.3能耗損失評(píng)價(jià)技術(shù)

在對(duì)單井進(jìn)行壓力歸位調(diào)整時(shí)，如何進(jìn)行注水井壓力歸位選擇和流程規(guī)劃，通過實(shí)踐測(cè)試研究，總結(jié)制定了“以滿足地質(zhì)配注要求為前提，以能耗損失最低為標(biāo)尺”的原則，進(jìn)行注水井壓力歸位調(diào)整。

能耗損失最低評(píng)價(jià)選擇依據(jù)是閥組節(jié)流能耗損失計(jì)算公式，即

式中：Pe為節(jié)流能耗損失，kWh；Qn為注水泵實(shí)際注水量，m3； P2為匯管壓力，MPa； P1為注水井啟動(dòng)壓力，MPa；DHb為注水泵標(biāo)準(zhǔn)單耗，kWh/(m3· MPa)。

2.1.4改造效果

近幾年已對(duì)25座增壓注水站進(jìn)行了壓力分級(jí)改造，對(duì)完成分壓改造增壓注水站的注水井依據(jù)注水壓力進(jìn)行歸位調(diào)整，有效地降低了閥組節(jié)流損失，使閥組效率提高到85.8%，節(jié)能效果明顯。

2.2　文二污水站機(jī)泵容量?jī)?yōu)化匹配

注水泵正確的流量選擇是首先確定工藝操作下的液體正常、最大及最小流量，選泵時(shí)一般以最大流量為基礎(chǔ)，并考慮最小流量的要求。注水泵排量選擇時(shí)最佳效率點(diǎn)位于額定流量點(diǎn)和正常流量點(diǎn)之間[3]。經(jīng)過近5年的日注水量統(tǒng)計(jì)，最大為12 780 m3，最小為7256 m3（排除管線故障和檢修等特殊情況），正常在10 000～12 000m3之間。隨著注采結(jié)構(gòu)的調(diào)整，油田開發(fā)逐漸向Ⅱ、Ⅲ類低滲透率油層轉(zhuǎn)移，油田注水難度逐年增加，注水量增加的上行阻力較大。一次增壓系統(tǒng)文二污水站共有5臺(tái)注水泵，其中1#、2#為柱塞泵，3#、4#、5#泵為高壓離心注水泵，注水生產(chǎn)狀況為高壓離心注水泵和高壓柱塞泵配合使用。具體機(jī)泵參數(shù)及能耗測(cè)試情況見表1。

表1　文二污水站機(jī)泵參數(shù)及能耗測(cè)試

通過測(cè)試，3#、5#泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，存在磨損嚴(yán)重、效率低等問題，特別是3#離心泵實(shí)際日排量達(dá)到13 000 m3左右，與近幾年生產(chǎn)規(guī)模不匹配，存在容量過大能耗浪費(fèi)的問題；4#注水泵機(jī)組與5#泵排量雖然同為500 m3/h，但由于配用電動(dòng)機(jī)功率較大，其單耗較5#泵高了0.17 kWh/m3。

改造及效果：結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況和設(shè)備現(xiàn)狀，將3#離心泵排量由650 m3/h降容為500 m3/h，更新3#、5#注水泵為6×8DBB高效離心注水泵，將3#注水泵配用電動(dòng)機(jī)由2500 kW減容為2000 kW，將4#注水泵配用電動(dòng)機(jī)由2240 kW減容為2000 kW。改造后，3#、4#注水泵運(yùn)行平均單耗下降了0.52 kWh/m3和0.12 kWh/m3，按照往年3#、4#注水泵平均運(yùn)行87 d和49 d，日注水量11 500 m3，電價(jià)0.79元/kWh計(jì)算，近3年累計(jì)節(jié)約電量177×104kWh，節(jié)約電費(fèi)139.8萬(wàn)元。

2.3　增壓泵站機(jī)泵優(yōu)化匹配

文南油田共有二次增壓注水站38座，配水閥組76套，安裝增壓泵164臺(tái)，增壓注水泵均為柱塞往復(fù)泵，型號(hào)有3H-8/45Ⅱ、3ZS-4/50、3D1-Z8/40、3ZY-8/450和3Z-8/450等多種類型。隨著配水閥組壓力分級(jí)配套技術(shù)應(yīng)用，壓力重新歸位調(diào)整后，近70臺(tái)柱塞泵對(duì)應(yīng)的配水閥組壓力等級(jí)都有所減小，其運(yùn)行壓力和流量均與其額定壓力和理論排量發(fā)生了變化，普遍存在容量過大、效率偏低的現(xiàn)狀。

改造及效果：經(jīng)過調(diào)查及分析，將負(fù)載率過低的51臺(tái)110 kW柱塞泵電動(dòng)機(jī)減容至90 kW，空載損耗平均減少2.06 kW，日平均空載耗電量由175.1 kWh下降為124.5 kWh，日平均減少耗電50.6 kWh，平均節(jié)電率為29%。

2.4　注水變頻自動(dòng)調(diào)控技術(shù)

動(dòng)態(tài)調(diào)水、動(dòng)態(tài)關(guān)井、影響鉆井關(guān)井、影響油水井作業(yè)關(guān)井、待作業(yè)關(guān)井等多種原因的關(guān)井造成增壓注水站增注泵的理論排量和實(shí)際注水量不匹配，而現(xiàn)有柱塞泵均為容積泵，其排量不可調(diào)，部分增注泵經(jīng)常處于負(fù)荷不足的運(yùn)行狀態(tài)[4]。由于增注泵排量大，注水井注水壓力上升較快，超過注水管網(wǎng)允許的最高壓力而被迫停泵。為完成注水量需要頻繁啟停增壓泵，能量損失很大，造成泵機(jī)組效率低，設(shè)備損壞嚴(yán)重。通過應(yīng)用增壓泵變頻調(diào)速技術(shù)，有效地解決了增注泵的理論排量和實(shí)際注水量不匹配的問題。

2.4.1技術(shù)原理

變頻調(diào)速技術(shù)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制、高效、高精度、節(jié)能的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)調(diào)速技術(shù)，其啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)正好能夠滿足大功率電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況要求。變頻自動(dòng)控制裝置和注水泵電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)組合，變頻器通過壓力傳感器取樣，可隨壓力變化自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)工作頻率，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；采用閉環(huán)控制使泵輸出壓力始終保持在設(shè)定值上[5]，從而穩(wěn)定了注水壓力，實(shí)現(xiàn)自控穩(wěn)壓恒流注水。主要技術(shù)原理見圖2。

圖2　注水變頻控制原理

2.4.2實(shí)際生產(chǎn)過程中的應(yīng)用原則

◇在同一注水壓力范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)刭|(zhì)配注水量約等于1臺(tái)泵實(shí)際排量時(shí)，采用泵工頻控制方式運(yùn)行；

◇當(dāng)?shù)刭|(zhì)配注水量為1臺(tái)泵實(shí)際排量50%～90%時(shí)，采用泵恒壓變頻控制方式運(yùn)行；

◇當(dāng)?shù)刭|(zhì)配注水量小于1臺(tái)泵實(shí)際排量50%時(shí)，不適于變頻控制（普通電動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇與電動(dòng)機(jī)同軸，頻率低于28 Hz，電動(dòng)機(jī)溫升高），需調(diào)整小排量泵運(yùn)行；

◇當(dāng)?shù)刭|(zhì)配注水量大于1臺(tái)泵實(shí)際排量但小于2臺(tái)泵實(shí)際排量時(shí)，1臺(tái)泵工頻控制方式運(yùn)行，1臺(tái)泵變頻控制方式運(yùn)行；

◇當(dāng)?shù)貙游芰?，需要控制保持一定壓力的注水量時(shí)，采用定頻恒流控制方式，即手動(dòng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)頻率；當(dāng)單位時(shí)間注水量與地質(zhì)配注量相等時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間保持設(shè)定頻率運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定注水，減少間開頻繁啟動(dòng)對(duì)地下管柱和設(shè)備的沖擊。

改造及效果：增注泵變頻調(diào)速柜采用的變頻調(diào)速技術(shù)為當(dāng)前最有效、最先進(jìn)的節(jié)能降耗技術(shù)之一，截至目前共安裝變頻調(diào)速柜68臺(tái)。

3　經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1　增注泵站分壓注水技術(shù)

共有25座增注泵站采用了分壓注水技術(shù)，單井歸位調(diào)整38口井，投入1130萬(wàn)元。按日注水量9300 m3，平均匯管壓力下降2.3 MPa，注水標(biāo)耗0.45 kWh/(MPa·m3)計(jì)算，2012—2016年累計(jì)節(jié)約電量1756.6×104kWh，節(jié)約電費(fèi)1 387.7萬(wàn)元。

3.2　一、二次注水壓力節(jié)能匹配技術(shù)

在注水系統(tǒng)應(yīng)用該成果，將文二聯(lián)一次注水干壓由9.3 MPa提高到11 MPa左右，提高了注水系統(tǒng)整體能效水平，注水單耗下降0.32 kWh/m3。日注水量按11 500 m3計(jì)算，2016年節(jié)約電量134.32×104kWh，節(jié)約電費(fèi)106.1萬(wàn)元。

3.3　機(jī)泵容量?jī)?yōu)化匹配技術(shù)

3.3.1文二污水站機(jī)泵容量?jī)?yōu)化匹配

2011年，投入設(shè)備及施工費(fèi)用160萬(wàn)元。將3#離心泵排量由650 m3/h降容為500 m3/h，更新3#、5#注水泵為6×8DBB高效離心注水泵，將3#注水泵配用電動(dòng)機(jī)由2500 kW減容為2000 kW，將4#注水泵配用電動(dòng)機(jī)由2240 kW減容為2000 kW。改造后，3#、4#注水泵運(yùn)行平均單耗下降了0.52 kWh/m3和0.12 kWh/m3。按照往年3#、4#注水泵平均運(yùn)行87 d和49 d，日注水量11 500 m3，電價(jià)0.79元/kWh計(jì)算，2012—2016年累計(jì)節(jié)約電量177×104kWh，節(jié)約電費(fèi)139.8萬(wàn)元。

3.3.2二次增壓泵電動(dòng)機(jī)容量匹配

2012—2016年投入153萬(wàn)元，對(duì)51臺(tái)柱塞泵電動(dòng)機(jī)由110 kW降容為90 kW，單臺(tái)日節(jié)約電量50 kWh，累計(jì)節(jié)電465×104kWh，節(jié)約電費(fèi)367.4萬(wàn)元。

3.4　注水泵變頻自動(dòng)調(diào)控技術(shù)

共推廣應(yīng)用增注泵變頻控制柜89臺(tái)，投入1068萬(wàn)元。按單臺(tái)平均綜合節(jié)電率15%，年開泵時(shí)率210 d，單泵日耗電1300 kWh計(jì)算，2012—2016年累計(jì)節(jié)約電量1825×104kWh，節(jié)約電費(fèi)1441.75萬(wàn)元。

3.5　綜合效益

合計(jì)共投入2511萬(wàn)元，5年累計(jì)節(jié)約電量4 357.92×104kWh，同時(shí)還有潛在的增注增油效果，折算標(biāo)準(zhǔn)煤5 355.8 t；以電價(jià)0.79元/kWh計(jì)算，年可節(jié)約電費(fèi)3 442.75萬(wàn)元，投入產(chǎn)出比為1∶1.37，投資回收期為3.65年。

4　結(jié)論

注水系統(tǒng)地面配套技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，具有量大、面寬、節(jié)點(diǎn)多的特點(diǎn)，在油田開發(fā)狀況變動(dòng)時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行改造和優(yōu)化調(diào)整。文南油田注水地面配套本著“優(yōu)質(zhì)高效、工藝配套、節(jié)能降耗”的原則，創(chuàng)新研究了壓力分級(jí)配套、注水壓力節(jié)能匹配等四項(xiàng)技術(shù)，解決了油田超高壓注水系統(tǒng)的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了高壓、特低滲透率油藏的高效、經(jīng)濟(jì)、平穩(wěn)注水，在油田注水開發(fā)中具有廣泛推廣價(jià)值。

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