螺桿增壓注水裝置的研發(fā)及應(yīng)用

王治寧 杜宇東 杜鑫 楊劍（長(zhǎng)慶油田分公司第八采油廠）

1 概述

長(zhǎng)慶油田采油八廠主要開采的層系主要是三疊系延長(zhǎng)組油藏和侏羅系延安組油藏，開發(fā)的層系均屬于“三低”油藏，油藏物性差，地層能量低[1]。因此，油田注水就顯得尤為重要。目前常規(guī)注水主要通過(guò)注水站利用往復(fù)式注水泵將高壓水通過(guò)管網(wǎng)、配水間及閥組注入地層來(lái)補(bǔ)充地層壓力[2]。注水站多選用額定壓力20 MPa 注水泵，干線壓力一般控制在16～19 MPa，受泵機(jī)組能量損失、站內(nèi)回流能量損失、注水干線能量損失、注水閥組能量損失、單井注水管線能量損失的影響，部分距注水站較遠(yuǎn)區(qū)塊的注水管線壓力下降較為明顯，存在注不夠或注不進(jìn)的現(xiàn)象。采油八廠目前共有注水井952口，其中注不夠井42 口，注不進(jìn)井26 口，日欠注約800 m3。

水井欠注不僅影響單井產(chǎn)量，而且對(duì)該區(qū)塊的開發(fā)也會(huì)造成一定影響。目前常用解決欠注及注不進(jìn)的主要措施有采取酸化增注措施和建設(shè)局部增壓橇[3]，一是通過(guò)改善或提高地層吸水能力，二是通過(guò)提高末端壓力來(lái)解決欠注、注不進(jìn)問(wèn)題。由于酸化增注措施費(fèi)用較高（20 萬(wàn)元/井次），必須由專業(yè)隊(duì)伍實(shí)施，而且施工所用酸腐蝕性較高，且對(duì)會(huì)對(duì)地層造成一定影響，施工后措施液處理難度大等造成該措施實(shí)施有一定的局限性。局部增壓橇建設(shè)還需鋪設(shè)管線等，建設(shè)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高（設(shè)備費(fèi)用30 萬(wàn)元/臺(tái)），且需要安排專人看護(hù)，不適用現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人值守。因此需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)高效增壓注水、安裝簡(jiǎn)單、管理方便的注水裝置。

采油八廠于2017 年開始與新鄉(xiāng)夏烽公司合作研發(fā)的螺桿增壓裝置，經(jīng)過(guò)多次室內(nèi)外反復(fù)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成功，該裝置具有占地面積小，智能化程度高，安裝簡(jiǎn)潔，效率高，可有效解決邊遠(yuǎn)井欠注問(wèn)題。

2 油田地面注水工藝流程

從水源井到注水井，地面注水工藝系統(tǒng)通常包括供水站、注水站（含水處理）、配水間和注水井[4]，油田注水系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 油田注水系統(tǒng)

1）注水泵站工藝流程。注水泵站主要作用是將來(lái)水升壓，以滿足注水井對(duì)壓力的要求。工藝流程是來(lái)水進(jìn)站→計(jì)量→水質(zhì)處理→儲(chǔ)水罐→進(jìn)泵加壓→輸出高壓水，注水泵站流程見(jiàn)圖2。

圖2 注水泵站流程

2）注水井工藝流程。配水間是用來(lái)調(diào)節(jié)、控制和計(jì)量注水井的操作間，一般分為單井配水間和多井配水間。主要設(shè)施為分水器、正常注水和備用旁通管匯、壓力表、流量計(jì)，單井閥組流程見(jiàn)圖3。

圖3 單井閥組流程

3 螺桿增壓注水泵

3.1 工作原理

新研發(fā)的螺桿增壓注水泵，采用大扭矩輸出的交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)螺桿泵工作，將高壓水通過(guò)螺桿泵增至更高壓力注入水井，實(shí)現(xiàn)增注的效果。螺桿增壓裝置組成有交流伺服永磁同步電動(dòng)機(jī)、高壓動(dòng)密封裝置和螺桿泵及智能控制系統(tǒng)。螺桿增壓裝置的結(jié)構(gòu)有臥式和立式兩種。

臥式螺桿增壓裝置（圖4），可滿足2～3 口注水井，不影響注水井測(cè)調(diào)通道，安裝不需要放噴等作業(yè)，施工方便。該裝置的優(yōu)點(diǎn)如下。

圖4 臥式螺桿增壓裝置

1） 臥式增壓注水裝置無(wú)需動(dòng)管柱和起井作業(yè)，只需改變進(jìn)出口的管線即可，施工過(guò)程簡(jiǎn)單方便，可實(shí)現(xiàn)單井和多井同時(shí)注入。

2）進(jìn)水口是管線高壓來(lái)水時(shí)，不用泄壓，設(shè)備可以接力式增壓，采用先進(jìn)的高壓密封技術(shù)，無(wú)泄漏。

3）壓力、排量調(diào)節(jié)方便、范圍寬，可設(shè)置出口壓力值，自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)恒壓注水。

立式螺桿增壓裝置（圖5）安裝在注水井大四通上，與井口直接相連，省略地面安裝，安全環(huán)保。該裝置的缺點(diǎn)：因直接安裝在注水井口，無(wú)法反洗井，維護(hù)、更換設(shè)備時(shí)需泄壓同時(shí)無(wú)測(cè)調(diào)通道[4]。

圖5 立式螺桿增壓裝置

3.2 主要特點(diǎn)

3.2.1 安全方面

1）占地面積小，維護(hù)簡(jiǎn)單，操作安全方便。

2）進(jìn)水口是低壓自然供水時(shí)，可省去高壓遠(yuǎn)程輸送環(huán)節(jié)的一系列造價(jià)昂貴的高壓儀表、高壓管線、高壓閥門、高壓泵等設(shè)備，大大降低費(fèi)用，而且高壓部分在井下（螺桿泵出口以下），地面無(wú)高壓，地面配套簡(jiǎn)單，無(wú)安全隱患。

3）進(jìn)水口是管線高壓來(lái)水時(shí)，不用泄壓，設(shè)備可以直接增壓，采用先進(jìn)的高壓密封技術(shù)，無(wú)泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

4）螺桿泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速可調(diào)，泵的出口壓力可隨泵的級(jí)數(shù)增加而增加，吸入性能好，流量均勻連續(xù)，振動(dòng)小，噪音低。

3.2.2 節(jié)能高效

1）采用永磁同步電動(dòng)機(jī)專用控制器對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子速度、位置以及定子電流進(jìn)行三閉環(huán)控制，精確控制電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，柔性平滑驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其功率因數(shù)達(dá)到0.9 以上，大大降低系統(tǒng)損耗，電動(dòng)機(jī)節(jié)能高效，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)綜合效率最大化運(yùn)行[5]。

2）可進(jìn)行超高壓力增注，地面增壓泵增注一般不會(huì)超過(guò)35 MPa，該技術(shù)可在井下增加來(lái)水壓力25 MPa。例如來(lái)水壓力為15 MPa，井下可增壓至40 MPa，而且井口只需要25 MPa 壓力等級(jí)井口。

3.2.3 智能方便

注水系統(tǒng)壓力、排量調(diào)節(jié)方便、范圍寬，可設(shè)置出口壓力值，自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)；實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化操作以及GPRS 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，便于集中化管理；控制器具備過(guò)流、過(guò)載以及出口壓力異常等保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

蘆29-108 井為王盤山長(zhǎng)8 油藏注水井，采用菱形反九點(diǎn)法注水，對(duì)應(yīng)的油井共5 口，分別是蘆29-107、蘆28-109、蘆28-108、蘆30-108、蘆30-107。該井由樊學(xué)作業(yè)區(qū)學(xué)六注水站注水，注水管線長(zhǎng)度4 km。王盤山長(zhǎng)8 油藏注水壓力為17 MPa，原始地層壓力17.5 MPa，因此，大部分水井欠注嚴(yán)重，影響地層壓力保持水平。該注水井于2012 年8 月8 日 投注，配注20 m3，日注10 m3左右，投注后即注不進(jìn)，已多次實(shí)施酸化增注措施，平均有效期不足3 個(gè)月[6-7]。

4.1 第一次試驗(yàn)

2017 年7 月12—16 日，在定邊采油作業(yè)區(qū)蘆29-108 井第一次試驗(yàn)運(yùn)行，其中，轉(zhuǎn)速150 r/min，日注水14 m3。運(yùn)行24 h 后井口壓力從0 MPa 達(dá)到19.5 MPa。試驗(yàn)效果很好，但是運(yùn)行幾天后，高壓旋轉(zhuǎn)密封（盤根）失效。

盤根承壓能力強(qiáng)，但密封效果差，需要漏失一定的水散熱，并且盤根預(yù)壓松，漏水多，預(yù)壓太緊，則電流大發(fā)熱厲害。

4.2 第二次試驗(yàn)

針對(duì)第一次實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)盤根刺漏的問(wèn)題，分別實(shí)驗(yàn)了橡膠+盤根的復(fù)合密封結(jié)構(gòu)、聚四氟乙烯密封結(jié)構(gòu)，均因承壓能力（10 MPa）和耐久性差無(wú)法正常運(yùn)行，最終借鑒了磁力泵的原理將容易泄露的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為零泄漏的靜密封結(jié)構(gòu)（圖6），徹底解決了泄露導(dǎo)致壓力無(wú)法達(dá)到要求的問(wèn)題[8-10]。

圖6 磁力泵結(jié)構(gòu)

4.3 第三次試驗(yàn)

2018 年8 月10 日完成第三代樣機(jī)生產(chǎn)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行正常后到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)安裝。運(yùn)行轉(zhuǎn)速為300 r/min，電流為1.6 A，日注水量19 m3，進(jìn)口壓力15.8 MPa，出口壓力19.2 MPa。

2019 年8 月19 日， 在 定 邊 采 油 作 業(yè) 區(qū) 元307-189 注水井?dāng)U大試驗(yàn)第二套裝置，運(yùn)行轉(zhuǎn)速為223 r/min，電流為7.2 A，瞬時(shí)流量0.83 m3/h，每天注入19.92 m3，進(jìn)口壓力14.5 MPa，出口壓力19.4 MPa，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。

表1 螺桿增壓注水運(yùn)行情況

設(shè)備使用效果評(píng)價(jià)：第三代產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)滿足配注要求，試驗(yàn)取得成功。電流只有1.6 A，實(shí)際運(yùn)行功率2.35 kW，節(jié)能效果顯著。采用了閉環(huán)控制，以壓力為控制點(diǎn)，避免停水后螺桿泵干磨等情況發(fā)生，降低了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)?？稍谑謾C(jī)APP 上直接遠(yuǎn)程監(jiān)控、啟停、調(diào)排量等操作，操作簡(jiǎn)單，管理方便。

4.4 擴(kuò)大應(yīng)用情況

2019 年7 月至2020 年6 月，我廠共計(jì)安裝末端螺桿增壓裝置8 套，均運(yùn)行正常，單日消減欠注量164 m3，螺桿泵增壓注水運(yùn)行情況見(jiàn)表1。

5 效益評(píng)價(jià)

螺桿增壓注水裝置，費(fèi)用38 萬(wàn)，可帶1～3 口井，整泵質(zhì)保2 年；單井日耗電量平均35 kWh，年累計(jì)耗電12 775 kWh，電費(fèi)約0.83 萬(wàn)元。水井增注措施費(fèi)用20 萬(wàn)元/井次，常規(guī)酸化增注有效期2～6個(gè)月，年措施費(fèi)用約40 萬(wàn)元。一年可收回投資成本，投資回報(bào)率100%。

1）采用了閉環(huán)控制，設(shè)備進(jìn)出口均以壓力為控制點(diǎn)，避免來(lái)水不足或系統(tǒng)停水后螺桿泵干磨，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。

2）滿足無(wú)人值守運(yùn)行，可滿足場(chǎng)站系統(tǒng)監(jiān)控和手機(jī)APP 遠(yuǎn)程控制，可以遠(yuǎn)程直接操作，能做到監(jiān)控，啟動(dòng)，停止，調(diào)排量等操作，操作簡(jiǎn)單，管理方便。

3）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需安裝高壓管線，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)高壓刺漏的安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論

1）該設(shè)備的成功運(yùn)行，解決了油田注水系統(tǒng)末端注水井因壓力損耗造成的欠注和注不進(jìn)問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)行滿足油田注水配注要求，效果良好，是一種值得推廣的末端注水裝置。

2）該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)便；無(wú)需單獨(dú)安裝分水器和鋪設(shè)高壓注水管線，降低投資的同時(shí)減少現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)。

3）該裝置控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，以壓力為控制點(diǎn)，避免停水后螺桿泵干磨。其遠(yuǎn)程控制功能可以在手機(jī)APP 可以直接操作，能做到監(jiān)控、啟停和調(diào)排量等操作，該功能操作簡(jiǎn)單，管理方便，同時(shí)可按照用戶要求進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。