杏北油田注水系統(tǒng)注水泵啟停布局優(yōu)化方法

姜懷

（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所）

1 注水系統(tǒng)運行現(xiàn)狀及存在問題

杏北油田共建有17座注水站、64臺注水泵，負(fù)責(zé)6 048口注水井的供水工作。隨著開發(fā)程度的不斷深入、油田規(guī)模不斷擴大，注水井實注水量發(fā)生變化。2018年底，杏北油田實際運行注水泵27臺，日均泵水量為20.5×104m3。

1.1 注水井水量變化幅度較大

受鉆關(guān)、管道維修、開發(fā)調(diào)整和管道保運等因素的綜合影響［1］，杏北油田注水量波動較為明顯見表1，2018年普通注水管網(wǎng)水量波動范圍為4.8×104～6.3×104m3/d，深度注水管網(wǎng)水量波動范圍為7.6×104～9.6×104m3/d，三采注水管網(wǎng)水量波動范圍為3.4×104～6.1×104m3/d。為確保系統(tǒng)供需平穩(wěn)，需要調(diào)整注水泵啟停布局，滿足生產(chǎn)需求。

表1 2018年杏北油田注水系統(tǒng)注水量變化情況 單位：104m3/d

1.2 注水系統(tǒng)缺少連續(xù)調(diào)節(jié)能力

杏北油田建有2臺D200型注水泵、17臺D250型注水泵、37臺D300型注水泵、8臺D400型注水泵，具備±4 800 m3/d、±6 000 m3/d、±7 200 m3/d和±9 600 m3/d四種梯度的排量調(diào)節(jié)能力。當(dāng)下游注水井水量發(fā)生變化時，由于離心泵無連續(xù)調(diào)速技術(shù)，只能采取大小泵啟停的方式，實現(xiàn)水量的階梯式調(diào)節(jié)，無法實現(xiàn)供需關(guān)系的連續(xù)同步調(diào)整，致使某些水量變化區(qū)間系統(tǒng)供過于求，管網(wǎng)壓力及運行能耗階段升高［2］。

由表2可以看出，2018年，杏北油田普通注水網(wǎng)日注水量由年初的6.3×104m3下降至年底的4.8×104～4.9×104m3。由于上游注水泵能力固定不變，造成系統(tǒng)供過于求，管網(wǎng)壓力從15.6 MPa上升至16.2 MPa，為緩解這一問題，需要探尋注水泵啟停布局優(yōu)化方法。

表2 2018年杏北油田普通注水系統(tǒng)注水量與管網(wǎng)壓力變化情況

2 注水泵啟停布局優(yōu)化思路及實施效果

2.1 優(yōu)化思路

結(jié)合上下游水量需求，杏北油田采取“大排量、低揚程、高負(fù)荷”的思路，優(yōu)化調(diào)整注水泵啟停布局，控制注水泵運行臺數(shù)，提高注水泵運行負(fù)荷。在滿足開發(fā)水量需求和壓力需求的基礎(chǔ)上，降低管網(wǎng)運行壓力，控制注水能耗，節(jié)約運行成本。

2.2 調(diào)整措施

2.2.1 啟運大排量注水泵，控制注水泵運行數(shù)量

離心泵的效率與運行工況密切相關(guān)，在額定工況范圍內(nèi)，排量越高，效率越高，這是由其結(jié)構(gòu)的固有特性決定的［3］。根據(jù)《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》（GB/T 31453—2015）規(guī)定，排量低于100 m3/h的注水泵，泵效限定值大于53%；排量在400 m3/h以上的注水泵，泵效限定值大于72%見表3。

表3 《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》注水離心泵監(jiān)測指標(biāo)

杏北油田不同規(guī)格注水泵的運行參數(shù)差異較大見表4，注水泵排量越低，泵水單位耗電量越高。D400型注水泵平均單位耗電量為5.80 kW·h/m3，D200型注水泵平均單位耗電量為6.49 kW·h/m3，后者是前者的1.1倍。因此，啟運大排量注水泵有利于降低運行能耗。

表4 不同規(guī)格注水泵運行參數(shù)對比

杏二十二注水站原運行3臺注水泵，區(qū)域泵水量為21 090 m3/d，平均單位耗電量為6.21 kW·h/m3。為降低運行能耗，優(yōu)化注水泵運行方式，其停運了1臺D250型注水泵和1臺D300型注水泵，啟運了1臺D400型注水泵，多余的水量由系統(tǒng)分擔(dān)。布局調(diào)整后，杏二十二注水站區(qū)域單位耗電量下降至5.56 kW·h/m3見表5，日均節(jié)電3×104kW·h，運行成本得到顯著下降。

表5 杏二十二注水站注水泵調(diào)整前后能耗變化

2.2.2 啟運低揚程注水泵，降低管網(wǎng)運行壓力

杏北油田建有普通注水井1 978口，主要向基礎(chǔ)和一次加密井網(wǎng)注入水質(zhì)指標(biāo)為“雙20”的普通污水，平均實注壓力為10.9 MPa；建有深度注水井3 007口，主要向二、三次加密井網(wǎng)注入水質(zhì)指標(biāo)為“雙5”的深度污水，平均實注壓力為11.6 MPa見表6。

杏北油田建有普通注水泵21臺，其中7臺處于運行狀態(tài)，主要向普通注水管網(wǎng)供水，平均泵出口壓力為16.1 MPa，出站管線壓力為15.8 MPa，注水井閥組壓力為14.9 MPa，閥組損失壓力為3.8 MPa；建有深度注水泵30臺，其中12臺處于運行狀態(tài)，主要向深度注水管網(wǎng)供水，平均泵出口壓力為15.9 MPa，出站管線壓力為15.4 MPa，注水井閥組壓力為14.6 MPa，閥組損失壓力為3.0 MPa見表7，各環(huán)節(jié)壓力損失較大［4］。

為降低供給壓力，提高能源利用率，杏北油田先后在24臺注水泵開展減級。由表8可以得知，與非減級泵對比，減級后注水泵區(qū)域泵出口壓力下降了0.4 MPa，管線壓力下降了0.3 MPa。因此，啟運低揚程注水泵有利于控制系統(tǒng)壓力，減少壓差損失。

表6 杏北油田普通和深度注水井實注壓力分級 單位：口

表7 杏北油田普通和深度注水系統(tǒng)各節(jié)點壓力損失情況 單位：MPa

表8 各種規(guī)格注水泵減級前后效果對比 單位：MPa

2.2.3 提高系統(tǒng)負(fù)荷，降低運行能耗

注水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力與泵水單位耗電量均隨系統(tǒng)負(fù)荷變化而變化，由表9可以得知，當(dāng)系統(tǒng)運行負(fù)荷提高至107%時，管網(wǎng)壓力為15.1 MPa，運行單位耗電量為5.8 kW·h/m3，即注水負(fù)荷越高，管網(wǎng)壓力越低，泵水單位耗電量越低。因此，提高系統(tǒng)負(fù)荷有利于降低運行能耗。

表9 2018年杏北油田注水系統(tǒng)主要參數(shù)變化

提高系統(tǒng)負(fù)荷的措施主要有兩點：

一是優(yōu)化供注關(guān)系，增強井網(wǎng)聯(lián)通。

杏一～三區(qū)西部三采區(qū)塊進入后續(xù)水驅(qū)階段，所需水由深度水轉(zhuǎn)為普通水［5］。為緩解普通注水系統(tǒng)供過于求的問題，將該區(qū)塊所轄的三采注水站和進入后續(xù)水驅(qū)的注入站的高壓來水管道分別與普通管網(wǎng)開放式連通，增加普通網(wǎng)用水需求。管網(wǎng)連通后，停運了1臺D300型注水泵，普通網(wǎng)負(fù)荷從86%提高至94%，注水單位耗電量從5.96 kW·h/m3下降至5.85 kW·h/m3見表10，供需問題得到有效緩解。

表10 杏北油田普通注水系統(tǒng)管網(wǎng)連通前后參數(shù)變化

二是高含水關(guān)井控液，避免注水泵集中布局。

杏一～三區(qū)西部開發(fā)區(qū)塊管轄各類注水站3座，分別是杏七注水站、杏十九注水站和杏二十五注水站，該區(qū)塊運行注水泵5臺，注水泵布局較為集中。通過開展站間調(diào)水高含水關(guān)井等方法，停運杏二十五注水站1臺D200型注水泵，區(qū)域負(fù)荷從94%提高至100%，單位耗電量從5.85 kW·h/m3下降至5.78 kW·h/m3見表11。

表11 西部開發(fā)區(qū)塊注水泵布局調(diào)整前后運行情況

3 結(jié)論

3.1 確定了注水系統(tǒng)注水泵啟停布局優(yōu)化方法

2018 年，杏北油田通過啟運大排量注水泵，在杏二十二注水站區(qū)塊減少1臺注水泵運行，有效控制了注水泵運行數(shù)量；通過啟運低揚程注水泵，使注水站平均泵出口壓力下降了0.4 MPa，管線壓力下降了0.3 MPa，有效降低了系統(tǒng)壓力；通過優(yōu)化管網(wǎng)連通、均衡區(qū)域布局的方式，在杏一～三區(qū)塊減少2臺注水泵運行，累計提高運行負(fù)荷14%，注水系統(tǒng)運行能耗顯著降低。綜上所述，“大排量、低揚程、高負(fù)荷”的注水泵布局優(yōu)化方法，可以在滿足油藏開發(fā)水量需求和壓力需求的基礎(chǔ)上，優(yōu)化系統(tǒng)運行，降低生產(chǎn)能耗。

3.2 產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益

2018 年，杏北油田推行“大排量、低揚程、高負(fù)荷”的注水泵啟停布局方法，與2017年同期對比，注水系統(tǒng)全年累計減少3臺注水泵運行，累計節(jié)電2 489×104kW·h，按照工業(yè)電費0.638元/（kW·h）計算，年節(jié)約運行費用1 588×104元，該方法可行，且效益可觀。

4 注水系統(tǒng)下一步優(yōu)化方向

優(yōu)化匹配注水泵排量，增強系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。針對普通注水系統(tǒng)注水泵額定排量較高、下游注水需求相對較低的矛盾，杏北油田下一步將對各注水站注水泵規(guī)格進行調(diào)整，增加小排量注水泵比例，根據(jù)下游注水需求匹配注水泵運行見表12。

表12 杏北油田普通注水系統(tǒng)注水泵配備情況

應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，精細(xì)調(diào)控運行參數(shù)。原注水泵運行方式難以滿足后續(xù)水驅(qū)精細(xì)開發(fā)的注水需求，需要引進高壓變頻調(diào)速技術(shù)，根據(jù)下游需求調(diào)整注水泵排量。此外，為配套變頻技術(shù)，杏北油田正在開發(fā)注水系統(tǒng)仿真優(yōu)化運行軟件，通過水力計算，給出當(dāng)前注水量下各注水泵的最佳運行排量，為后續(xù)注水系統(tǒng)精細(xì)管理提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。