海上平臺離心式注水泵擴容改造應用分析

劉帥，李明海，王新柱 (中海石油 (中國) 有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

1 項目概述

某海上采油平臺所轄開發(fā)油藏具有密度低、粘度低、地飽壓差較大的特點，為未飽和油藏。根據(jù)油藏特性，在生產(chǎn)開發(fā)期間，注水量不足引起注采不平衡，地層能量下降造成油藏大規(guī)模脫氣，電泵泵效降低，油井產(chǎn)能下降，影響油井產(chǎn)量和最終采收率。ODP設(shè)計上采用的注水泵為一用一備模式，設(shè)計最大注水量為2 400 m3/d。受油藏滾動開發(fā)影響，注水井數(shù)量由初始設(shè)計的3口逐步調(diào)整增加至6口，注水的需求量由2 250 m3/d增加至3 650 m3/d[1]。為了滿足注采平衡需求，實現(xiàn)增產(chǎn)增注的目的，需要對注水系統(tǒng)進行擴容增注適應性改造。

注水系統(tǒng)擴容增注改造以實現(xiàn)注水量增加為目的，以現(xiàn)場實踐應用效果為參照，從工藝、設(shè)備、結(jié)構(gòu)等角度進行改造嘗試，最終實現(xiàn)由單串集輸注水到雙串分列注水的適應性改造，達到了增注增產(chǎn)的目的。

2 注水工藝流程改造

2.1 注水工藝設(shè)計現(xiàn)狀

平臺注水系統(tǒng)包括1個注水緩沖罐、2臺注水增壓泵、2臺注水泵，一條供6口井注水管匯。原有工藝流程設(shè)計為注入水從注水緩沖罐6寸管出口連接到兩臺離心式注水增壓泵入口，注入水增壓泵增壓至3 MPa后進入到兩臺注水泵入口，注水泵把注水水源提高到21 MPa注入本平臺的注水井。注水增壓泵主要是為了給注水泵提供穩(wěn)定的壓頭，注水增壓泵出口設(shè)計有壓力控制管線進行注水泵入口壓力控制，注水泵出口設(shè)計有液位控制閥管線實現(xiàn)注水緩沖罐液位控制。

2.2 注水工藝流程的制約因素分析

雙串運行測試過程中，在整個工藝設(shè)計上，工藝流程上的三個壓力節(jié)點成為增注的限制因素。

注水增壓泵進口管線分流氣蝕影響泵效。原始設(shè)計工藝流程上，注水緩沖罐出口一條6寸管線輸送的水量被兩臺注水增壓泵分流，離心式注水增壓泵進水量不足，造成雙串運行時注水增壓泵氣蝕，泵效降低，達不到增注增壓效果。

注水增壓泵出口管線匯輸引起壓頭損耗。雙串運行時，注水增壓泵出口管線處于聯(lián)通狀態(tài)，給兩臺注水泵供給水源，由于離心泵運轉(zhuǎn)時受泵效影響壓頭不一致，造成兩臺泵出口在匯輸管線處輸水量不一致，造成離心泵壓頭損耗，注水泵出口得不到足夠水量。

注水泵出口管線匯集輸損傷設(shè)備，注水量受制約。兩臺注水泵在設(shè)計上出口共用一條注水管匯。當雙串運行共用一條6寸出口管線時，兩臺注水增壓泵在變頻調(diào)整過程中，會出現(xiàn)某臺低頻泵泵效低水壓不足的情況，泵體在做功過程中產(chǎn)生的熱量無法隨注水介質(zhì)流動傳遞到下游，造成泵出口管線局部高溫，對注水泵機封等部件造成高溫損傷，降低其使用壽命。出口單條管線在流量上被管線設(shè)計最大允許流量所制約，無法釋放注水增注能力。

2.3 工藝流程改造應用分析

2.3.1 注水緩沖罐出口管線H型通道改造解決給水問題

注水緩沖罐出口至注水增壓泵進口只有一條6寸管線供兩臺注水增壓泵使用，水源進液量受制約，影響離心式注水增壓泵泵效。通過現(xiàn)場調(diào)研，最終采取H型管道設(shè)計。在原有的注水緩沖罐底部開孔增加一路6寸出口管線，將增加的出口管線與原有設(shè)計的管線使用管線閥門連通，改造完成后，兩臺注水增壓泵進口管線實現(xiàn)擴容共享功能，既可以實現(xiàn)雙串運行期間可以互不干擾獨立運行，也可以實現(xiàn)單泵運行期間進口水源管線的自由切換。

2.3.2 注水管匯分列運行工藝流程改造解決增注問題

注水泵出口管線在運行期間共用一條6寸出口，兩臺離心式注水泵同時運行時，受泵出口共享壓頭影響，低頻低泵效離心泵會出現(xiàn)泵不出液的問題，影響泵效和設(shè)備使用安全。

通過現(xiàn)場調(diào)研和注水井水量分析，現(xiàn)場設(shè)計增加一路注水管匯，使當前注水井能夠?qū)崿F(xiàn)兩路注水功能。同時在保留原有集中注水功能的前提下，對兩臺泵出口進行工藝管線改造，實現(xiàn)雙串互聯(lián)互通，整個工藝改造完成后，注水泵輸水方式由單泵集輸轉(zhuǎn)變?yōu)殡p串分列集輸方式。

2.3.3 注水能力擴容形勢下的兩用一備模式前瞻性改造

在注水工藝改造過程中，考慮到未來油藏滾動開發(fā)需求，調(diào)整井項目伴隨的注水量增加，注水系統(tǒng)雙串運行將成為一種常態(tài)。注水系統(tǒng)泵組兩用一備需要體現(xiàn)預留接入口，為未來改造提供便利。

現(xiàn)場在注水系統(tǒng)擴容增注改造中，在注水緩沖罐出口和注水管匯區(qū)改造時預留備用接口，為兩用一備模式下的備用泵接入提供便利，改造設(shè)計更具前瞻性。

3 注水設(shè)備功能優(yōu)化

3.1 注水系統(tǒng)設(shè)備性能情況

某平臺設(shè)有注水增壓泵為WHPA-P-4101A/B ，型號KDY120-110×3。WHPA-P-4101A/B性能參數(shù)如表1所示。

表1 WHPA-P-4101A/B性能參數(shù)

某平臺注水泵為WHPA-P-4102A/B，型號KDY100-150×8。WHPA-P-4102A/B性能參數(shù)如表2所示。

表2 WHPA-P-4102A/B性能參數(shù)

3.2 注水設(shè)備頻繁故障問題適應性改造

自注水系統(tǒng)投用6個月以來，注水泵總計出現(xiàn)21次故障問題，其中17此機械密封故障，稀油站穿孔滲漏4次故障。造成注水時效低，注水量不達標。

3.2.1 離心式注水泵機械密封故障問題分析及處理措施

注水系統(tǒng)運轉(zhuǎn)以來，共計發(fā)生17次機械密封故障，其中6次抱軸器斷裂故障。

現(xiàn)場通過拆解分析查找到機械密封頻繁故障原因：(1)抱緊環(huán)材質(zhì)缺陷;(2)部分多級離心泵的軸向力平衡處理不到位，造成機械密封承受壓力過高;(3)螺栓強度不足，造成抱軸器連接松脫斷裂。處理措施：(1)將抱軸器材質(zhì)更換為雙相鋼，耐海水腐蝕能力優(yōu)于316 L；(2)抱軸器的整體厚度增加2 mm；(3)螺栓材質(zhì)更換為A4-80。

3.2.2 注水泵稀油站冷卻器冷卻效果差及穿孔原因分析及處理措施

注水泵稀油站功能用于提供冷卻油至各軸承箱，然后利用甩油環(huán)的飛濺潤滑的方式來冷卻軸瓦及軸承。隨注水壓力及注水量的提升，泵組需要不斷提頻，軸承的溫度也隨之升高，冷卻效果欠佳，稀油站冷卻器頻繁穿孔使得冷卻效果惡化，泵的時效變差。兩套冷卻器的使用時間不超過4個月出現(xiàn)四次穿孔故障。

現(xiàn)場分析故障原因：(1)兩套稀油站是串聯(lián)模式，二者無法并聯(lián)使用；(2)冷卻器是列管式油冷卻器，通過脹管工藝消除銅管與管板的間隙，起到密封和緊固作用，可靠性差, 容易脫落造成冷卻器進水；該冷卻器的選材為普通銅管，耐海水腐蝕差，容易穿孔[1]。

處理措施：(1)兩臺稀油站并聯(lián)運行實現(xiàn)冷卻功能共享；(2)冷卻器換型：風冷散熱器，該散熱器由翅片式散熱器、齒輪泵，冷卻風扇，過濾器以及其他輔助元件構(gòu)成

4 測試數(shù)據(jù)

注水系統(tǒng)中壓變壓器共有4臺設(shè)備，兩臺900 KW的注水泵和兩臺220 KW的注水增壓泵，6300 V中壓變壓器容量為2000 KVA。注水設(shè)備一用一備模式下，滿負荷運行的總功率為1120 kW，中壓變壓器容量可以滿足設(shè)備運轉(zhuǎn)需求。但雙串運行系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，4臺注水設(shè)備一起用，滿負荷的總功率將為2 240 kW(有功功率)，以變壓器功率因數(shù)為0.85計算，需要變壓器容量為2635 kVA，而中壓變壓器的容量為2 000 kVA，變壓器將超負荷運行。

為了驗證注水系統(tǒng)變壓器最大容量情況下的注水設(shè)備運轉(zhuǎn)信息，現(xiàn)場進行了一次變壓器最大容量下的運轉(zhuǎn)測試，驗證了變壓器容量受限情況下的注水水量信息。

通過實際運轉(zhuǎn)測試，雙串運行期間，注水泵及注水增壓泵在提頻過程中，雙串運行51HZ已經(jīng)達到中壓變壓器符合極限，計算注水泵功率只能達到滿負荷功率的85%。由于測試時注水工藝流程擴容增注改造尚未進行，雙串運行情況下受離心泵出口壓頭影響，現(xiàn)場測試只有133 m3/h。根據(jù)油藏推測最大注水量3 650 m3/d，也就是152 m3/h注水量的要求，當前變壓器容量無法滿足后期注水需求，需要對中壓變壓器進行擴容改造。

在經(jīng)濟成本和施工條件限制得綜合考量下，現(xiàn)場對2 000 kVA中壓變壓器進行更換升級，將原有的2 000 kVA中壓變壓器進行移位拆除，使用其他平臺備用兩臺容量1 600 kVA中壓變壓器進行替換，使注水增壓泵和注水泵滿負荷運行時中壓變壓器滿足容量要求

5 結(jié)語

某平臺注水系統(tǒng)通過工藝流程改造、設(shè)備優(yōu)化升級、變壓器擴容等系列改造實現(xiàn)了單串集輸?shù)诫p串分列運行的運行模式的調(diào)整，解決了注水系統(tǒng)瓶頸問題。從工程總體設(shè)計的角度而言，建議對大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備在設(shè)備選址上應規(guī)避平臺底層甲板等受限位置，減少后期現(xiàn)場改造帶來的舷外作業(yè)風險高、難度大的施工困擾。設(shè)備材質(zhì)選型與實際工況不符是現(xiàn)場適應性改造面對的主要問題，在設(shè)備選型時需要平衡經(jīng)濟性和適應性的關(guān)系。某平臺注水系統(tǒng)擴容增注改造過程也驗證了現(xiàn)場系統(tǒng)適應性改造是一項涉及安全、工藝、機械、電氣、儀表、結(jié)構(gòu)等各個專業(yè)的綜合工程，結(jié)合實際統(tǒng)籌考慮才能為問題處理提供一套完善的解決方案。