加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)管理提高注水系統(tǒng)效率

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（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

注水開(kāi)發(fā)油田注水耗能是油田生產(chǎn)過(guò)程中的重要用能單元[1-3]。以某油田某采油廠為例，2020 年采油廠注水系統(tǒng)用電達(dá)7.54×108kWh，平均日用電達(dá)209.4×104kWh，占采油廠總用電量的49.2%。在注足水的前提下，進(jìn)一步降低注水用電、降低注水系統(tǒng)能耗，是采油廠實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行質(zhì)量的關(guān)鍵，圍繞如何減少注水過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)損失、提升注水系統(tǒng)運(yùn)行效率成為一項(xiàng)十分重要的研究課題[4-6]。

1 采油廠注水系統(tǒng)現(xiàn)狀

某采油廠作業(yè)區(qū)目前在用離心泵注水站7 座，共有離心泵27 臺(tái)，目前開(kāi)泵15 臺(tái)，普通水系統(tǒng)平均泵效78.58%、深度水系統(tǒng)平均泵效71.54%、聚驅(qū)水系統(tǒng)平均泵效75.93%；平均管網(wǎng)壓力15.56 MPa，其中普通水高壓注水系統(tǒng)平均管網(wǎng)壓力15.5 MPa，普通水低壓注水系統(tǒng)平均管網(wǎng)壓力15.43 MPa，深度水平均管網(wǎng)壓力15.59 MPa。平均泵壓16.31 MPa，平均管網(wǎng)總壓損5.45 MPa，注水單耗5.95 kWh/m3。

2 采油廠注水節(jié)點(diǎn)分析

按照注水系統(tǒng)效率計(jì)算方法，注水過(guò)程的主要節(jié)點(diǎn)有電動(dòng)機(jī)、注水泵、站內(nèi)工藝流程、注水支干線、配水間、單井注水管線和注水井口等六部分，通過(guò)對(duì)各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況分析，掌握影響注足水和系統(tǒng)效率的主要因素，提出并實(shí)施有針對(duì)地改進(jìn)措施，提升注水系統(tǒng)運(yùn)行效率[7-9]。

2.1 注水站綜合效率分析

經(jīng)測(cè)試高壓注水泵機(jī)組平均運(yùn)行效率為72.48%，其中電動(dòng)機(jī)平均運(yùn)行效率為95.5%，平均注水泵泵效率為75.9%，站內(nèi)工藝流程壓力損失平均為0.78 MPa，2020 年全區(qū)注水站綜合運(yùn)行效率為68.5%。注水站綜合效率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 注水站綜合效率統(tǒng)計(jì)

注水泵機(jī)組在額定狀態(tài)下運(yùn)行效率較高，并且泵型越大銘牌效率越高，注水泵機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)普遍低于銘牌參數(shù)，泵干壓差較高。主要原因是泵出口壓力高于額定揚(yáng)程，在這種工況下出口排量調(diào)節(jié)閥沒(méi)有牌完全開(kāi)啟狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流不再發(fā)生變化，導(dǎo)致泵干壓差較大，泵效較低。

2.2 注水管網(wǎng)效率分析

作業(yè)區(qū)內(nèi)平均管網(wǎng)效率74.6%，從注水支干線到配水間、注水井（注聚井除外）壓力損失分布來(lái)看，注水支干線平均壓力損失0.9 MPa，配水間平均閥控?fù)p失1.3 MPa，單井注水管線平均壓力損失0.8 MPa，合計(jì)為3.0 MPa。配水間、注水井管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 配水間、注水井管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

注水支干線的負(fù)荷較低，流速都在經(jīng)濟(jì)流速內(nèi)（1.2 m/s），負(fù)荷重、流速快導(dǎo)致的壓力損失相對(duì)合理，因此造成注水管線壓力損失較大的主要原因是管線結(jié)垢，使摩阻增加、過(guò)流面積變小，從而促使管內(nèi)液體流速增加，加劇了壓力損失變大，從而使注水管網(wǎng)效率降低［10］。

2.2.1 注水干線壓力損失分析

作業(yè)區(qū)內(nèi)在用注水干線29 條，平均干壓14.0 MPa，配水間平均來(lái)水壓力13.1 MPa，平均壓力損失0.9 MPa，給23 座配水間供水，目前總井745 口，開(kāi)井524 口，注水量每天7.56×104m3。其中干線損耗大于1.5 MPa 的3 條，占10.3%，給3 座配水間供水，總井76 口，開(kāi)井53 口，日注水量5 705 m3。與2019 年對(duì)比，干線數(shù)量降低7 條，注水間減少135 口，說(shuō)明注水干線滾動(dòng)更換取得明顯成效。干線損耗在1.0～1.5 MPa 的10 條，占34.5%，給6 座配水間供水，總井250 口，開(kāi)井172 口，日注水量21 878 m3。干線損耗小于1.0 的16 條，占55.2%，給11 座配水間供水，總井419 口，開(kāi)井299 口，日注水量46 248 m3。干線損耗大于2.0 MPa 的3 條，占10.3%，給3 座配水間供水，總井76 口，開(kāi)井53 口，日注水量5 705 m3。

2.2.2 注水支干線（配水間）壓力損失分析

作業(yè)區(qū)在用注水支干線（配水間）131 條（座），合計(jì)支干線長(zhǎng)度47.28 km，平均末端（配水間）來(lái)水壓力13.1 MPa，平均壓力損失0.9 MPa。注水井總數(shù)745，開(kāi)井524 口，平均日注水量73 831 m3。其中，壓力損失大于2 MPa 的注水干線16 條，占12.2%，開(kāi)井71 口，日注水量7 512 m3。壓力損失在1.5～2 MPa 的注水干線8 條，占6.1%，開(kāi)井39 口，日注水量6 751 m3。壓力損失在1.0～1.5 MPa 的注水干線27 條，占20.6%，開(kāi)井113 口，日注水量14 657 m3。壓力損失小于1.0 MPa的注水干線80 條，占61.1%，開(kāi)井301 口，日注水量44 911 m3。

壓力損失大于1.0 MPa 的51 條支干線，其中日欠注水量大于20%的20 條，平均壓力損失1.6 MPa，日欠注水量24.78%，開(kāi)井89 口，日注水量9 897 m3。

2.2.3 配水間閥控壓力損失狀況分析

分析6 座注水站所對(duì)應(yīng)的配水間的閥控?fù)p失情況，平均配水間閥控?fù)p失1.3 MPa，其中5 座注水站對(duì)應(yīng)的配水間閥控?fù)p失比較合理，有利于調(diào)配，4#注水站閥控?fù)p失偏低，需要進(jìn)一步優(yōu)化。配水間閥控?fù)p失統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 配水間閥控?fù)p失統(tǒng)計(jì)

2.2.4 單井注水管線壓力損失狀況分析

從單井注水管線壓力損失統(tǒng)計(jì)情況看，壓力損失大于2 MPa 的單井管線有34 條，占6.5%，平均壓力損失2.9 MPa，日注水量5 419 m3。壓力損失在1.5～2 MPa 的單井管線有30 條，占5.7%，平均壓力損失1.7 MPa，日注水量5 139 m3。壓力損失在1.0～1.5 MPa 的單井注水管線62 條，占11.8%，平均壓力損失1.2 MPa，日注水量9 024 m3。壓力損失在0.5～1.0 MPa 的單井注水管線137 條，占26.1%，平均壓力損失0.7 MPa，日注水量19 595 m3。壓力損失小于0.5 MPa 的單井注水管線261 條，占49.8%，平均壓力損失0.3 MPa，日注水量36 557 m3。

壓力損失大于1.0 MPa 的126 條單管線，其中日欠注水量大于10%的54 條，平均壓力損失1.9 MPa，日欠注水量46.9%。

2.2.5 注水井油壓狀況分析

從注水井油壓來(lái)看，高壓井仍然較多，目前油壓大于12 MPa 的水井有324 口，占61.8%，日注水量48 800 m3，占注水總量的66.1%，其中油壓大于13 MPa 的水井有152 口，占19%，日注水量20 655 m3，占注水總量的30%，這說(shuō)明注水井注入壓力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

通過(guò)以上分析可以看出，一方面采油廠注水系統(tǒng)存在著注水需求壓力相對(duì)供水壓力不足的問(wèn)題，使部分注水井欠注，有效注水量難以增加；另一方面，存在著注水泵額定揚(yáng)程相對(duì)注水壓力較低的問(wèn)題，使注水泵泵效降低，耗電量增加。

3 優(yōu)化改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)化原則

以滿足作業(yè)區(qū)注水需求，有效降低能耗為原則。根據(jù)注水地面節(jié)點(diǎn)狀況，通過(guò)確定合理注水干壓，優(yōu)化泵型組合與開(kāi)泵臺(tái)數(shù)，降低泵干壓差，減少沿程壓力損失，保留適當(dāng)?shù)拈y控?fù)p失，使注水系統(tǒng)效率最優(yōu)化。首先以注水站為核心，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的注水井油壓分布情況，在保證80%的注水井能夠正常注水的情況下，確定合理的注水干壓；其次，根據(jù)各注水站的泵型和泵況，確定開(kāi)泵臺(tái)數(shù)和型號(hào)，使供水量與需求量基本相匹配，注水泵在合理區(qū)內(nèi)運(yùn)行；再次，控制泵干壓差，對(duì)站內(nèi)沒(méi)有完全開(kāi)啟的閥門(mén)進(jìn)行嚴(yán)格的考核，使站內(nèi)工藝流程造成的壓力損失降到最低；最后采取管線除垢或更換管線，增加管線過(guò)流面積，減少沿程壓力損失。

3.2 優(yōu)化具體措施

3.2.1 開(kāi)發(fā)優(yōu)化運(yùn)行軟件

通過(guò)開(kāi)發(fā)應(yīng)用注水系統(tǒng)地面工程分析優(yōu)化運(yùn)行軟件，實(shí)現(xiàn)注水系統(tǒng)地面工程分析優(yōu)化運(yùn)行軟件與現(xiàn)有工程開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)掛接，實(shí)現(xiàn)資源共享，動(dòng)態(tài)管理，通過(guò)計(jì)算分析，確定注水干壓、開(kāi)泵臺(tái)數(shù)和型號(hào)匹配，使注水開(kāi)發(fā)生產(chǎn)運(yùn)行科學(xué)、規(guī)范、合理。

3.2.2 優(yōu)化注水站機(jī)泵組合

各注水站泵型相對(duì)單一，供水量與注水量不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)匹配，時(shí)常因少量增加注水，需要增開(kāi)1臺(tái)注水泵，導(dǎo)致泵效降低，單耗增加，電量上升。通過(guò)優(yōu)選開(kāi)泵組合，調(diào)節(jié)注水量，穩(wěn)定注水干壓。在1#、3#、6#注水站通過(guò)泵型優(yōu)化減少開(kāi)泵臺(tái)數(shù)3 臺(tái)，開(kāi)泵功率同比降低2 800 kW，可實(shí)現(xiàn)日節(jié)電3×104kWh。注水泵優(yōu)化措施見(jiàn)表4。

表4 注水泵優(yōu)化運(yùn)行措施

3.2.3 實(shí)施注水管網(wǎng)綜合治理

措施一：實(shí)施注水干線滾動(dòng)更換。2020 年，回收利用φ245 mm 管線2 km，滾動(dòng)更換壓力損失大于2 MPa 的注水干線3 條。實(shí)施效果：干壓損失降低1.0 MPa，區(qū)域減少欠注井30 口，日增注水量1 300 m3。

措施二：實(shí)施除垢措施以及更換部分注水支干線。對(duì)壓力損失大于1.0 MPa、日欠注量大于15%的20 條配水間支干線進(jìn)行除垢或更換作業(yè)。實(shí)施效果：配水間來(lái)水壓力增加0.6 MPa，減少欠注井20 口，日增注水量2 000 m3。

措施三：對(duì)欠注水量較多的單井管線進(jìn)行除垢或更換。對(duì)單井管線壓力損失大于1.0 MPa、日欠注量大于10%的54 條單井管線進(jìn)行除垢或更換作業(yè)。實(shí)施效果：減少欠注井40 口，日增注水量1 800 m3。

措施四：強(qiáng)化注水井洗井、管線沖洗作業(yè)。做好罐車(chē)洗井的組織協(xié)調(diào)，完善管理制度，將洗井效果和工作量考核相結(jié)合，提升罐車(chē)洗井效率和洗井質(zhì)量。實(shí)施效果：注水井洗井和管線沖洗有機(jī)結(jié)合，減少單井管線壓力損失0.5 MPa。

4 節(jié)能效果分析

通過(guò)加強(qiáng)注水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)管理，實(shí)施上述各項(xiàng)優(yōu)化措施，經(jīng)測(cè)試作業(yè)區(qū)注水系統(tǒng)效率得到明顯提升，泵干壓差和注水單耗明顯降低，注水泵效率、注水管網(wǎng)效率和注水系統(tǒng)效率得到提升，優(yōu)化措施前后對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 采油廠注水系統(tǒng)優(yōu)化措施前后對(duì)比

從表5 中可以看出，實(shí)施加強(qiáng)注水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)管理后，注水泵開(kāi)泵臺(tái)數(shù)減少了3 臺(tái)，平均泵效提升了0.6%，泵干壓差降低了0.5%，管網(wǎng)效率提升了0.7%，注水系統(tǒng)提升了1.9%，平均日耗電量減少了4.9 萬(wàn)千瓦時(shí)，注水系統(tǒng)年耗電量減少了1 785×104kWh，注水單耗下降了0.56 kWh/m3，節(jié)能降耗效果明顯。

5 結(jié)論

1）實(shí)踐證明，通過(guò)開(kāi)展注水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分析，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化管理，采取優(yōu)化注水泵開(kāi)泵組合、注水管網(wǎng)綜合治理、沖洗管線等各節(jié)點(diǎn)優(yōu)化管理措施，注水系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)值能夠得到進(jìn)一步改善，有利于提升注水系統(tǒng)效率、提升注水泵效和管網(wǎng)效率，降低泵干壓差和注水單耗，實(shí)現(xiàn)注水系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

2）因注水泵出水量與單井注水量存在一定的誤差，可以利用水力仿真模擬軟件對(duì)注水泵的優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)仿真模型計(jì)算的結(jié)果，調(diào)節(jié)各系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而提高注水節(jié)能效果。

3）應(yīng)加大新能源的替代研究，利用風(fēng)能、光能轉(zhuǎn)換的綠電替代現(xiàn)有的工業(yè)用電，也可以大幅度降低注水系統(tǒng)的電能消耗。