杏北油田地面系統(tǒng)節(jié)能降耗方法研究

王德偉（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

杏北油田地面系統(tǒng)共有轉(zhuǎn)油站49 座、脫水站7座、注水站15 座、污水處理站31 座，集輸系統(tǒng)天然氣消耗占比達(dá)88%，注水系統(tǒng)電量消耗占總耗電34%，污水系統(tǒng)清水用量占總用量的37%，是節(jié)能挖潛的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效，降低油田生產(chǎn)成本，地面系統(tǒng)圍繞“水、電、氣”三個(gè)重要因素[1]，重點(diǎn)開展以下3 方面舉措，提升運(yùn)行效率，降低生產(chǎn)能耗。

1 形成集輸系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法

1.1 創(chuàng)建精細(xì)化摻水管控模式

杏北油田地處高寒地區(qū)，采出油屬高凝、高黏原油[2]，集輸過程中需要全過程加熱保溫，隨著油田進(jìn)入高含水開發(fā)階段，含水率逐年升高，摻水需求隨之下降，為控制能耗規(guī)模，需要開展邊界條件技術(shù)研究，創(chuàng)建低常溫集輸運(yùn)行模式。

油井產(chǎn)液集輸過程中，隨著溫度下降，油滴會(huì)發(fā)生絮凝導(dǎo)致流通面積減小，當(dāng)溫度下降到某一點(diǎn)時(shí)，回壓出現(xiàn)“陡增”現(xiàn)象。杏1-丁4-640 井回油壓力升高至0.80 MPa 時(shí)井口有刺漏現(xiàn)象，抽油泵工作負(fù)荷增加，需要及時(shí)沖洗管線，因此認(rèn)為單井回油壓力低于0.80 MPa 為安全值。杏1-丁4-640 井降溫過程中井口回壓變化曲線見圖1。

開展采油井平穩(wěn)集輸技術(shù)條件研究，選取39口井開展停摻水回油溫度臨界值試驗(yàn)，其中I 類井停摻集輸效果較好，停摻后平均回壓0.45 MPa，基層管理難度較小，因此認(rèn)為回油溫度28℃可作為集輸邊界條件。生產(chǎn)井不加熱集輸邊界條件分類情況見表1。

表1 生產(chǎn)井不加熱集輸邊界條件分類情況Tab.1 Classification situation of unheated gathering boundary conditions in production well

綜上，以采油井回油溫度28 ℃，回油壓力0.8 MPa 為邊界條件，當(dāng)井口采出液溫度大于或等于28 ℃時(shí)，現(xiàn)場采取停摻集輸，利用井口出油溫度實(shí)現(xiàn)集輸生產(chǎn)；當(dāng)井口采出液溫度小于28 ℃時(shí)，現(xiàn)場采取摻水集輸，通過計(jì)算確定最佳摻水量，保障摻水后實(shí)現(xiàn)28 ℃集輸。單井摻水量優(yōu)化方法見圖2，在滿足生產(chǎn)需求基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了井、間、站全過程精細(xì)定參、精準(zhǔn)節(jié)能。

圖2 單井摻水量優(yōu)化方法Fig.2 Optimization method for single well water content

杏北油田自2018 年推廣實(shí)施精細(xì)化摻水運(yùn)行模式以來，在總井?dāng)?shù)量增加的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)耗氣得到顯著控制。全年平均優(yōu)化加熱爐171 臺(tái)次，與措施前對(duì)比累計(jì)節(jié)氣2 300×104m3，為集輸節(jié)氣工作做出了突出的貢獻(xiàn)。轉(zhuǎn)油站生產(chǎn)能耗變化情況見表2。

表2 轉(zhuǎn)油站生產(chǎn)能耗變化情況Tab.2 Changes in production energy consumption of oil transfer stations

1.2 研發(fā)了加熱爐提效手段

針對(duì)加熱爐提效難的問題，研發(fā)了加熱爐運(yùn)行提效系列方法，結(jié)合能耗動(dòng)態(tài)控制圖，實(shí)現(xiàn)了加熱爐分區(qū)管理，形成了加熱爐“監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)、提升”閉環(huán)管理體系，有效提升運(yùn)行效率[3]。

一是研發(fā)加熱爐能耗動(dòng)態(tài)特征分析圖版。以降低加熱爐耗氣量為目標(biāo)，研制能耗動(dòng)態(tài)控制圖，將加熱爐的運(yùn)行情況劃分合理區(qū)、結(jié)垢區(qū)、低效高散熱區(qū)、設(shè)備檢查區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)五個(gè)區(qū)域，加熱爐不同區(qū)域特征分析見表3。根據(jù)不同區(qū)域加熱爐運(yùn)行狀態(tài)，制定針對(duì)性的提效手段，保障加熱爐高效運(yùn)行。

表3 加熱爐不同區(qū)域特征分析Tab.3 Analysis of different area characteristics of heating furnace

二是研制加熱爐運(yùn)行管理平臺(tái)。為便捷有效監(jiān)測(cè)加熱爐運(yùn)行狀態(tài)，基于python 語言研發(fā)加熱爐運(yùn)行檢測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)加熱爐主要節(jié)點(diǎn)參數(shù)直觀顯示，從而指導(dǎo)加熱爐分區(qū)專項(xiàng)管理，為加熱爐分析、措施提供指導(dǎo)方法。

三是實(shí)施加熱爐爐況優(yōu)化。針對(duì)加熱爐排煙溫度高、運(yùn)行爐效低的問題，引進(jìn)爐況優(yōu)化技術(shù)。該技術(shù)主要是通過中心處理控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加熱爐排煙溫度、煙氣氧含量等參數(shù)，并通過調(diào)控裝置精確調(diào)整煙道擋板及合風(fēng)開度來調(diào)節(jié)排煙溫度和控制煙氣氧含量，達(dá)到提高加熱爐運(yùn)行熱效率的目的。

對(duì)不達(dá)標(biāo)加熱爐應(yīng)用提效技術(shù)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)整加熱爐運(yùn)行溫度、氧含量、燃?xì)饬髁康冗\(yùn)行參數(shù)，提高加熱爐運(yùn)行效率，先后對(duì)7 座中轉(zhuǎn)站安裝加熱爐優(yōu)化裝置，平均單臺(tái)爐效提高10.68%。應(yīng)用加熱爐爐況技術(shù)前后運(yùn)行情況對(duì)比見表4。通過強(qiáng)化低常溫集輸，推行加熱爐精細(xì)管理等工作，在井、站規(guī)模不斷擴(kuò)大前提下，集輸系統(tǒng)同期對(duì)比實(shí)現(xiàn)節(jié)氣473×104m3，噸液耗氣控制在1.60 m3/t，同期對(duì)比下降0.09 m3/t，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 應(yīng)用加熱爐爐況技術(shù)前后運(yùn)行情況對(duì)比Tab.4 Comparison of operation situation before and after applying heating furnace condition technology

2 制定注水泵啟停布局優(yōu)化方法

2.1 適時(shí)優(yōu)化調(diào)整機(jī)泵運(yùn)行

為滿足油田開發(fā)水量需求和壓力需求，同時(shí)保障上、下游水量平衡，制定了“大排量，低揚(yáng)程，高負(fù)荷”的注水泵啟停布局優(yōu)化辦法[4]，分區(qū)域、分系統(tǒng)實(shí)施機(jī)泵優(yōu)化。

大排量：運(yùn)行大泵，減少注水泵運(yùn)行數(shù)量。杏北油田建設(shè)有普通、深度以及三采三套注水管網(wǎng)，目前全廠共有注水泵58 臺(tái)，其中D400 型注水泵5臺(tái)，D300 型注水泵28 臺(tái)，D250 型注水泵24 臺(tái)，D155 型注水泵1 臺(tái)，在額定工況范圍內(nèi)，排量越高，效率越高，單耗越低。注水系統(tǒng)各管網(wǎng)機(jī)泵排量情況對(duì)比見表5，D400 型是D155 型注水泵單耗的1.07 倍，因此啟運(yùn)大排量注水泵，有助于降低運(yùn)行單耗。

表5 注水系統(tǒng)各管網(wǎng)機(jī)泵排量情況Tab.5 Displacement of pump in each pipe network of water injection system

針對(duì)深度網(wǎng)區(qū)域站庫低負(fù)荷問題，通過監(jiān)測(cè)注水泵運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)調(diào)整。例如杏十七注原運(yùn)行D200 型注水泵2 臺(tái)，通過調(diào)整機(jī)泵運(yùn)行，停運(yùn)2 臺(tái)小排量注水泵，啟運(yùn)1 臺(tái)D400 型注水泵，降低單耗0.03 kWh/m3，年累計(jì)節(jié)電539×104kWh。停泵前后注水系統(tǒng)能耗變化情況見表6。

低揚(yáng)程：運(yùn)行低揚(yáng)程泵，降低管網(wǎng)運(yùn)行壓力。杏北油田注水系統(tǒng)平均泵壓16.1 MPa，出站管壓15.8 MPa，注水井閥組壓力14.9 MPa，閥組損失3.8 MPa，為降低供給壓力，提高能量利用率，實(shí)施分壓降壓管理。針對(duì)純油區(qū)，平均注入壓力11.5 MPa，因此運(yùn)行11 級(jí)注水泵保水量；針對(duì)過渡帶，平均注入壓力10.2 MPa，因此運(yùn)行10 級(jí)注水泵降管壓；按照上述方式，區(qū)域泵壓下降0.4 MPa，管壓下降0.3 MPa，有效減少壓差損失。各種規(guī)格注水泵減級(jí)前后效果對(duì)比見表7。

表7 各種規(guī)格注水泵減級(jí)前后效果對(duì)比Tab.7 Comparison of the effects of various specifications of water injection pumps before and after reduction

高負(fù)荷：提高運(yùn)行負(fù)荷，降低泵水單耗。注水泵負(fù)荷與泵水單耗情況呈線性規(guī)律，注水單耗隨著機(jī)泵負(fù)荷上升而下降，因此提高運(yùn)行負(fù)荷有助于降低單耗。注水泵單耗隨注水泵負(fù)荷變化曲線見圖3。

圖3 注水泵單耗隨注水泵負(fù)荷變化曲線Fig.3 Curve of unit consumption of water injection pump changing with water injection pump load

針對(duì)普通網(wǎng)壓力高的問題，優(yōu)化杏二十五注地區(qū)機(jī)泵運(yùn)行，停運(yùn)2#D300 型注水泵，啟運(yùn)4#D250型注水泵，措施后注水系統(tǒng)日節(jié)電2.5×104kWh，管網(wǎng)供過于求問題得到緩解，全年累計(jì)節(jié)電155×104kWh。杏二十五注大泵換小泵調(diào)整前后注水系統(tǒng)能耗變化情況見表8。

表8 杏二十五注大泵換小泵調(diào)整前后注水系統(tǒng)能耗變化情況Tab.8 Changes of energy consumption of the water injection system before and after the adjustment of large pump changing small pump for Xing 25 injection pump

2.2 構(gòu)建節(jié)能決策信息平臺(tái)

應(yīng)用仿真建模優(yōu)化軟件[5]，將3 087 km 注水管網(wǎng)形成仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，結(jié)合注水井生產(chǎn)需求，迭代計(jì)算得到注水泵最優(yōu)啟泵布局。打破專業(yè)界限，開發(fā)注水系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控平臺(tái)，整合污水、注水以及油藏生產(chǎn)數(shù)據(jù)，充分利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高分析決策效率，為機(jī)泵啟停布局優(yōu)化提供可靠保障。

通過優(yōu)化運(yùn)行，注水系統(tǒng)結(jié)合上、下游水量需求，適時(shí)調(diào)整注水泵啟停布局，最大程度控制注水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，年均優(yōu)化調(diào)整注水泵運(yùn)行15 臺(tái)次，管網(wǎng)運(yùn)行壓力控制在15 MPa 以內(nèi)，泵水單耗控制在5.95 kWh/m3以內(nèi)，年累計(jì)節(jié)電1 315×104kWh，累計(jì)創(chuàng)效838 萬元。

3 完善含油污水均衡調(diào)配方法

隨著開發(fā)方式日益多元化，杏北油田含油污水水量平衡難度日益增大。受三采開發(fā)規(guī)模不斷擴(kuò)大的影響，杏北油田“三采產(chǎn)水過剩、深度水源不足”的矛盾不斷突出[6]。為保證三采污水完全有效回注，降低對(duì)污水系統(tǒng)的影響，開展杏北油田含油污水平衡調(diào)配試驗(yàn)研究，明確三采污水的回注方向及深度水源的補(bǔ)給思路，動(dòng)態(tài)優(yōu)化污水調(diào)配，水量平衡得到持續(xù)保障。

3.1 調(diào)整為普通水可行性

對(duì)聚驅(qū)后井網(wǎng)地層孔滲性分析和杏四～六面積現(xiàn)場注入試驗(yàn)，注入普通水對(duì)地層吸水能力和油井產(chǎn)液能力等影響不大，確定了水質(zhì)調(diào)整可行性。該成果直接應(yīng)用于杏一～二區(qū)東部、杏四～六面積等11 個(gè)三采后區(qū)塊，日減少深度用水量3.5×104m3。

由于杏一污水站水質(zhì)無法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，影響下游杏十九深度注水站注水水質(zhì)，按照上述方式，結(jié)合杏一～三區(qū)進(jìn)入后續(xù)水驅(qū)階段，對(duì)杏二十五注水站地區(qū)水源進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化污水調(diào)運(yùn)方向，等量調(diào)整深度水源，將杏二十五聯(lián)由深度注水調(diào)整為普通注水，日減少深度用水量0.41×104m3，保證區(qū)域出水水質(zhì)。杏十九注水站水質(zhì)調(diào)整示意圖見圖4。

圖4 杏十九注水站水質(zhì)調(diào)整示意圖Fig.4 Schematic diagram of water quality adjustment at Xing 19 water injection station

3.2 深度水源技術(shù)界限和時(shí)機(jī)

通過開展含聚污水深度處理界限室內(nèi)研究，配制不同含聚濃度的污水，模擬深度過濾流程工藝及濾速，確定三采區(qū)塊采出液作為深度水源處理的技術(shù)界限即為含聚濃度小于或等于150 mg/L。該成果直接應(yīng)用于杏四～六面積、杏一～二區(qū)東部等7 個(gè)低含聚污水三采區(qū)塊，有效降低清水用量。

其中，2001 年進(jìn)行三采開發(fā)杏四～六面積，進(jìn)入后續(xù)水驅(qū)后區(qū)域內(nèi)采出水含聚濃度低于150 mg/L，隨著杏三～四區(qū)東部三采開發(fā)逐步受效，污水含聚濃度逐年上升，無法作為深度水源，對(duì)區(qū)域內(nèi)深度水源不足問題進(jìn)行污水調(diào)配，將杏二脫水站的原水及聚杏Ⅱ-1 污水站的低含聚污水調(diào)整至杏八深及新杏十八深度污水站處理，補(bǔ)充杏三～四區(qū)東部深度水水源，2022 年日節(jié)約清水用量0.8×104m3。

2005 年進(jìn)行杏一～二區(qū)東部三采開發(fā)，進(jìn)入后續(xù)水驅(qū)后將聚杏六污水站的低含聚污水調(diào)整至新杏十八深度污水站及杏十八深度污水站，補(bǔ)充杏三～四區(qū)東部深度水水源，2022 年日節(jié)約清水用量0.6×104m3。

2018 年進(jìn)行杏七區(qū)中部三采開發(fā)，由于前置水驅(qū)階段采出水含聚濃度在150 mg/L 以下，區(qū)域內(nèi)杏二十七三元污水站處理后污水可作為深度水源進(jìn)行回注，2022 年日節(jié)約清水用量1.6×104m3。

3.3 供注平衡關(guān)系

根據(jù)不同水質(zhì)產(chǎn)水量、不同井網(wǎng)注水需求量和清水補(bǔ)充量，制定水量平衡圖板及供注水關(guān)系圖板。并在此基礎(chǔ)上，將“分質(zhì)處理、平衡水量、均衡負(fù)荷”[7]的思路，量化為水質(zhì)調(diào)運(yùn)的約束條件，建立污水調(diào)運(yùn)仿真運(yùn)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)污水調(diào)配的智能化，為污水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整提供技術(shù)保障。

結(jié)合三采開發(fā)階段，指導(dǎo)水質(zhì)調(diào)整。隨著杏七區(qū)東部含聚濃度不斷上升，無法繼續(xù)作為深度水源，利用礦間管網(wǎng)，平衡區(qū)域水量，實(shí)現(xiàn)日7 000 m3污水的等量調(diào)配，三采產(chǎn)水得到有效回注[8]，深度水源得到有效補(bǔ)給。水量平衡關(guān)系見圖5。

圖5 水量平衡關(guān)系Fig.5 Water balance relationship

通過應(yīng)用“分質(zhì)處理、平衡水量、均衡負(fù)荷”的水量調(diào)整思路，以注水界限為指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)高含劑污水回注方向動(dòng)態(tài)調(diào)整[9-10]，以含聚濃度界限為依據(jù)保證深度水源動(dòng)態(tài)補(bǔ)給，以污水調(diào)運(yùn)仿真運(yùn)行系統(tǒng)為依托提升污水調(diào)運(yùn)質(zhì)量，2022 年累計(jì)調(diào)運(yùn)各類污水1 582×104m3，節(jié)省清水1 095×104m3，為“系統(tǒng)化”水量平衡調(diào)配、水質(zhì)持續(xù)向好提供有力支撐。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

杏北油田地面系統(tǒng)多措并舉，在集輸、注水、污水各系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行方法研究，集輸上以進(jìn)間溫度作為邊界條件進(jìn)行精細(xì)化摻水管控模式及采取加熱爐提效手段，持續(xù)推進(jìn)完善形成集輸系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法；注水上通過應(yīng)用大排量注水泵、啟運(yùn)低揚(yáng)程注水泵、提高運(yùn)行負(fù)荷、應(yīng)用仿真建模優(yōu)化軟件等手段均衡產(chǎn)注平衡形成注水泵啟停布局優(yōu)化方法；污水通過以注水界限指導(dǎo)高含劑污水回注方向動(dòng)態(tài)調(diào)整，以含聚濃度界限為依據(jù)保證深度水源動(dòng)態(tài)補(bǔ)給，以污水調(diào)運(yùn)仿真運(yùn)行系統(tǒng)為依托提升污水調(diào)運(yùn)質(zhì)量，形成含油污水均衡調(diào)配方法。推行以來，地面系統(tǒng)能效水平得到了進(jìn)一步的提升，生產(chǎn)能耗顯著下降，為低成本開發(fā)運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。