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(cè)中心節(jié)能監(jiān)測(cè)站;2.吐哈油田分公司鄯善采油廠)
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(gè)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(diǎn)[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(gè)注水系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,9個(gè)注水系統(tǒng)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)如表1[2]。
表1 9個(gè)注水系統(tǒng)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)
通過(guò)測(cè)試、計(jì)算9個(gè)注水系統(tǒng)效率和注水系統(tǒng)效率存在問(wèn)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(gè)方面問(wèn)題,并針對(duì)相應(yīng)的注水系統(tǒng)問(wèn)題提出相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)措施。
抽測(cè)的9個(gè)注水系統(tǒng)中共運(yùn)行14臺(tái)注水泵,通過(guò)測(cè)試、評(píng)價(jià),14臺(tái)運(yùn)行注水泵的泵機(jī)組效率、泵效率和電動(dòng)機(jī)效率如表2。
表2 抽測(cè)注水泵運(yùn)行情況
表3 10臺(tái)低效率泵機(jī)組運(yùn)行參數(shù)
14臺(tái)注水泵的泵機(jī)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(cè)規(guī)范》指標(biāo)大于或等于72%比對(duì),僅有4臺(tái)達(dá)到指標(biāo),泵機(jī)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(duì)注水機(jī)組效率低的原因具體進(jìn)行分析。對(duì)10臺(tái)低效率泵機(jī)組進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其運(yùn)行參數(shù)匯總?cè)绫?。
2.1.1 負(fù)荷低
通過(guò)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(gè)注水系統(tǒng)的注水泵運(yùn)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(jī)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(yùn)行負(fù)荷低且沒(méi)有使用變頻控制柜,泵機(jī)組效率僅為52.68%。根據(jù)實(shí)際情況提出相應(yīng)的節(jié)能措施。
1)實(shí)施階梯泵改造,使泵站運(yùn)行組合的種類增加[3]。為了便于管理,原設(shè)計(jì)一座泵站只配置一種型號(hào)的注水泵,在排量不匹配的注水泵站能源浪費(fèi)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(tái),目前日注水量410 m3左右,正常開泵1~2臺(tái),使用中常出現(xiàn)1臺(tái)不足,注水泵超負(fù)荷運(yùn)行,開2臺(tái)泵供水能力過(guò)大,采用變頻控制和注水泵改崗技術(shù),但注水泵實(shí)際運(yùn)行效率偏低。針對(duì)這種情況,建議實(shí)施多型號(hào)臺(tái)階式配置改造并配置變頻控制柜,將2臺(tái)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(tái),這樣能根據(jù)實(shí)際注水量選擇合適額定排量注水泵搭配,改善注水泵的運(yùn)行工況,提高系統(tǒng)的注水泵效,提高注水系統(tǒng)效率,達(dá)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(tái),最大日注水量300 m3左右,測(cè)試時(shí)日注水量在112 m3,正常開泵1~2臺(tái),最大注水量是需要1.5臺(tái)的額定排量,測(cè)試的運(yùn)行排量為額定排量40%,采用變頻運(yùn)行,泵機(jī)組效率為63.70%。建議實(shí)施多型號(hào)臺(tái)階式配置改造并配置變頻控制柜,將1臺(tái)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(dá)到降低能耗的目的。
2)采用變頻控制技術(shù)[4]。實(shí)現(xiàn)注水系統(tǒng)排量與壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié),達(dá)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(duì)較高,并且當(dāng)前低壓變頻調(diào)速技術(shù)相對(duì)成熟及國(guó)產(chǎn)化,可以對(duì)其采取有效的變頻調(diào)速控制,通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,對(duì)泵排量及出口壓力進(jìn)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(wú)回流狀況下運(yùn)行。
鄯善聯(lián)合站25 MPa注水系統(tǒng)(溫西六區(qū)域)的運(yùn)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(yùn)行。通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)與額定參數(shù)對(duì)比,注水泵效率行低的原因是實(shí)際注水量遠(yuǎn)低于額定排量,處于“大馬拉小車”現(xiàn)象,同時(shí)沒(méi)有采取任何節(jié)能措施,工頻運(yùn)行??紤]實(shí)際注水情況,建議對(duì)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(yùn)行頻率,調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,達(dá)到合理調(diào)配流量作用,提高注水泵機(jī)組效率;或者更換注水泵運(yùn)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(jī)組運(yùn)行效率是電動(dòng)機(jī)效率與泵效的之積,泵機(jī)組效率低兩個(gè)方面的影響:一是電動(dòng)機(jī)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(yùn)行的4臺(tái)注水泵,4臺(tái)注水泵機(jī)組的平均效率為64.87%,4臺(tái)注水泵中有3臺(tái)工頻運(yùn)行,平均負(fù)荷在88%,基本符合額定工況運(yùn)行要求,另外1臺(tái)變頻運(yùn)行,運(yùn)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(yùn)行。泵機(jī)組處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),其運(yùn)行效率達(dá)不到公司要求,原因是4臺(tái)注水泵的泵效率低,平均只有74.69%。經(jīng)過(guò)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(dá)8×104mg/L,通過(guò)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(chǎng)
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(jī)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(duì)注水泵進(jìn)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(yáng)極法,由于在注水泵缸里無(wú)法進(jìn)行,考慮在注水泵前段的水罐進(jìn)行補(bǔ)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(duì)系統(tǒng)的水進(jìn)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(jìn)入注水泵的水加入防腐劑,降低水質(zhì)對(duì)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(duì)泵的腐蝕,同時(shí)減小運(yùn)行中的機(jī)械損失,并能增加流速來(lái)提高整體效率,從而降低能量損耗。
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(dòng)機(jī)功率偏大,造成“大馬拉小車”,電動(dòng)機(jī)出力不足,無(wú)功功率損失大。因此,應(yīng)根據(jù)注水泵運(yùn)行中所需的最大軸功率,選配合適功率的電動(dòng)機(jī)。
西峽溝注水系統(tǒng)屬于電動(dòng)機(jī)功率和負(fù)荷匹配不合理問(wèn)題,西峽溝注水系統(tǒng)的注水泵型號(hào)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(jì)算,其需要的功率為23 kW。該泵配置的電動(dòng)機(jī)型號(hào)是YVP280M-6,額定功率為55 kW。從泵的額定參數(shù)和電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)比對(duì),此泵配置的電動(dòng)機(jī)過(guò)大,屬于“大馬拉小車”現(xiàn)象,造成泵機(jī)組運(yùn)行效率低,僅有61.19%。根據(jù)注水泵的實(shí)際情況更換合適功率的電動(dòng)機(jī),建議使用37 kW或者45 kW功率的電動(dòng)機(jī)。
注水井注入壓力差別大,導(dǎo)致注水站壓力等級(jí)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(wèn)題,對(duì)抽測(cè)的9個(gè)系統(tǒng)單井壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)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(dá)23.5 MPa,為滿足個(gè)別注水井注入壓力需求,注水系統(tǒng)在24 MPa壓力等級(jí)運(yùn)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(dá)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(jì)
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(lái)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(fèi)能量,這樣就造成無(wú)謂的能量浪費(fèi),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(jí)85%的有3口,低于系統(tǒng)壓力等級(jí)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(yùn)行。
據(jù)統(tǒng)計(jì),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(duì)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(gè)注水系統(tǒng)中,單井需要的高壓注水比例低時(shí),適當(dāng)降低注水系統(tǒng)的壓力,而對(duì)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(gè)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(gè)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(duì)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(dòng)調(diào)壓節(jié)能注水技術(shù)。機(jī)理:利用干線壓力與低壓注水井之間的壓差,通過(guò)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(dòng)力,提升來(lái)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(dòng)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(gè)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(gè)注水系統(tǒng)的壓力等級(jí),通過(guò)地面水力自動(dòng)調(diào)壓節(jié)能注水技術(shù),把低于壓力等級(jí)的注水井的能量轉(zhuǎn)移到需要高于壓力等級(jí)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。
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(dòng),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(fèi)。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(wèn)題,降低了能耗。目前因?yàn)樽⑺到y(tǒng)運(yùn)行狀況的變化沒(méi)有及時(shí)調(diào)整注水泵運(yùn)行工況,仍然存在回流現(xiàn)象。抽測(cè)的9個(gè)注水系統(tǒng)中果7注水系統(tǒng)存在回流量。
抽測(cè)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(méi)有根據(jù)停住情況調(diào)整注水泵運(yùn)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(yùn)行效率。建議根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)注水井運(yùn)行情況,及時(shí)調(diào)整注水泵的運(yùn)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。
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(wèn)題,管道結(jié)垢不但會(huì)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(zhǎng)度3738 m,起點(diǎn)壓力為23.8 MPa,沿程壓降達(dá)1.8 MPa,理論計(jì)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。
當(dāng)前吐哈油田共建有注水泵182臺(tái),常用80臺(tái),備用86臺(tái),停用16臺(tái)。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(yùn)7備15。注水泵數(shù)量多且備用系數(shù)大,但多數(shù)沒(méi)有梯級(jí)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(jìn)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。
通過(guò)以上分析,泵機(jī)組效率低的主要原因有負(fù)荷低、泵效低和機(jī)泵搭配不合理等。針對(duì)每個(gè)系統(tǒng)的具體情況,提出了實(shí)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(dòng)機(jī)等整改措施,通過(guò)整改泵機(jī)組效率將大大提高。注水泵機(jī)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(gè)系統(tǒng)。5個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行9臺(tái)注水泵,平均泵機(jī)組效率63.22%,平均輸入功率168.31 kW,低效率泵機(jī)組如果通過(guò)整改按照效率提高到吐哈注水系統(tǒng)泵機(jī)組效率平均水平81%,則5個(gè)系統(tǒng)可節(jié)約電量為291.31×104kWh。
1)單井增壓注水技術(shù)節(jié)能量的評(píng)價(jià)。通過(guò)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(dòng)調(diào)壓節(jié)能注水技術(shù)節(jié)能量的評(píng)價(jià)。通過(guò)分析,適合采用地面水力自動(dòng)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(yùn)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(dòng)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(yùn)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(dòng)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(gè)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。
在分析9個(gè)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(guò)及時(shí)調(diào)整注水泵的運(yùn)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(yùn)行狀況按照運(yùn)行2個(gè)月計(jì)算,則避免回流可節(jié)約電量為10.32×104kW。
通過(guò)對(duì)9個(gè)注水系統(tǒng)分析,查找出存在問(wèn)題,并提出了相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)措施,通過(guò)評(píng)價(jià)分析,采取相應(yīng)節(jié)能技術(shù)措施后,9個(gè)系統(tǒng)年可節(jié)電量為424.77×104kWh。
注水系統(tǒng)作為一個(gè)多變量、動(dòng)態(tài)的系統(tǒng),對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化無(wú)論用經(jīng)典的還是現(xiàn)代的優(yōu)化理論去求解,都會(huì)遇到很大的困難。因此對(duì)注水系統(tǒng)進(jìn)行多方面的研究,確定其影響因數(shù),提出解決方案,達(dá)到提高注水系統(tǒng)效率,減低能耗的目的就更為重要。通過(guò)吐哈油田注水系統(tǒng)存在問(wèn)題進(jìn)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(guò)評(píng)價(jià)分析,采取相應(yīng)節(jié)能技術(shù)措施后,9個(gè)系統(tǒng)年可節(jié)電量為424.77×104kWh。