基于PIPENET的伊拉克油田注水系統(tǒng)設計與分析

張祎達 王鵬 王鐘慧 袁國清 李莊

中國石油工程建設有限公司北京設計分公司

近年來，隨著“一帶一路”政策的部署和推進，中國石油海外工程建設業(yè)務把握機遇，面對中東地區(qū)激烈的油田市場競爭環(huán)境，突破了BP、美孚、阿美、殼牌、ADNOC 及KOC 等高端市場的油田工程建設項目。通過對不同地區(qū)項目進行對比，發(fā)現(xiàn)海外多數(shù)大型油田處于含水期開發(fā)，持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)難度逐年加大，為提高采收率和采油速度，使油田長期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，均采用向油層注水的方式補充能量，保持或提高油層壓力，維持油田的合理開采速度。油田注水質量的好壞也直接影響油田開發(fā)效果，在油田含水率上升期，為提高注水質量，不僅需要對中心處理站的采出水處理系統(tǒng)進行升級擴容，還需對站外注水系統(tǒng)進行逐年擴建。

1 項目背景介紹

伊拉克某油田注水系統(tǒng)根據(jù)油田開發(fā)方案，采用分壓注水方案，注水前期采用低壓注水系統(tǒng)，井口壓力2～3 MPa(G)；注水后期采用高壓注水系統(tǒng)，井口壓力為4.8～14.8 MPa(G)。注水水源為油田采出水，由于前期油田產(chǎn)生的采出水較少，注水前期采用河水作為補充水源。隨著油田含水率上升，處理后的油田采出水將逐步取代補充水源。注水系統(tǒng)地面設施主要包含注水罐、低壓喂水泵、低壓輸水管線、高壓注水泵、注水閥組、高壓注水管線、井口設施等。油田采出水和河水分別經(jīng)過處理達到油田注水水質標準后，經(jīng)注水罐緩沖，前期通過喂水泵直接進行低壓注水，后期再經(jīng)注水泵加壓實現(xiàn)高壓注水。

本項目注水罐及喂水泵設置在中心處理站內，高壓注水泵及注水閥組設置在4 座注水增壓站內，36 個注水井平臺分布在注水增壓站周圍。注水系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 注水系統(tǒng)流程Fig.1 Flow of water injection system

高壓注水泵電動機設置變頻器VFD（Variablefrequency Drive），通過調節(jié)注水泵的變頻器及注水閥組的節(jié)流閥開度，實現(xiàn)控制各注水增壓站及各注水井的流量。喂水泵和注水泵的數(shù)量及參數(shù)如表1所示。

表1 高低壓注水泵設置Tab.1 Setting of high and low pressure water injection pumps

2 水力計算與分析

通過PIPENET 軟件進行注水系統(tǒng)建模，模型中以喂水泵吸入口作為模型起始點，以注水井口作為模型終點。根據(jù)上述項目信息確定起始點所提供的流量和壓力，將最大注水壓力14.8 MPa(G)作為模型終點壓力輸出值，同時在單井管線上建立注水閥組節(jié)流閥的模型來控制單井注水流量，在模型上通過調節(jié)注水泵的開啟數(shù)量及變頻頻率，從而使各注水井滿足所需的壓力和流量。

該項目喂水泵集中設置在一處，將水源輸至4 座增壓泵站給注水泵供水，各增壓泵站所轄注水井數(shù)不一，系統(tǒng)較為復雜，水量不易匹配。根據(jù)流體力學理論，在復雜管網(wǎng)系統(tǒng)中，考慮到管道串聯(lián)、并聯(lián)不同的水力特性，根據(jù)管路的能量和質量平衡方程，沿管網(wǎng)內水體流動的方向，建立注水管網(wǎng)的水力計算模型，通過水力仿真算法能夠進行環(huán)狀、枝狀或者環(huán)-枝狀混合管網(wǎng)的精確水力計算，摸索注水站、配水閥組、注水井的匹配規(guī)律，通過注水系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)及管網(wǎng)結構，確定注水站、配水閥組及注水井等參數(shù)的匹配關系，為注水系統(tǒng)的管網(wǎng)設計和注水泵開啟數(shù)量及頻率設置提供重要設計依據(jù)及指導[1]。同時，通過瞬態(tài)模擬對注水系統(tǒng)在停泵、關閥等一些容易產(chǎn)生水擊的工況進行安全性驗證，為系統(tǒng)的安全性設計提供保障。

2.1 基本參數(shù)設定

基本參數(shù)設定包括流體物性、起點參數(shù)、終點參數(shù)、喂水泵特性、注水泵特性、注水管道和閥門的屬性等設置。其中，流體物性主要包括密度、黏度、飽和蒸氣壓、彈性模量等參數(shù)。注水管網(wǎng)的屬性數(shù)據(jù)包括管段參數(shù)和節(jié)點參數(shù)：管段參數(shù)包括管段的起點和終點的編號、管長、管徑、管材以及粗糙度等參數(shù)；節(jié)點參數(shù)包括節(jié)點編號、流量以及壓力數(shù)據(jù)等參數(shù)。閥門需設定閥門類型、材質、尺寸、流量系數(shù)等參數(shù)。喂水泵及注水泵需導入泵性能曲線，注水泵需設置不同頻率下的性能曲線[2]。

本項目共含36 口注水井，其中1#注水增壓站管轄9口，2#站管轄11口，3#站管轄4口，4#站管轄12 口。單井每天最大流量為10 000 bbl，單井每天平均流量為5 700 bbl，注水井口壓力最高值為14.8 MPa(G)。注水介質為河水/采出水，注水介質參數(shù)如表2所示。

表2 注水介質參數(shù)Tab.2 Water injection medium parameters

注水管道地上材質為雙相不銹鋼，地下材質為玻璃鋼，管道特性參數(shù)如表3所示。

表3 管材特性參數(shù)Tab.3 Pipe characteristic parameters

2.2 穩(wěn)態(tài)模擬

穩(wěn)態(tài)模擬目的是通過模擬假定的注水工況，得出注水泵出口流量、配水閥組角閥流量及壓降、注水井口流量及壓力值，根據(jù)假定工況初步模擬結果，再進行計算參數(shù)調整（包括注水泵的工作頻率和各配水閥組區(qū)角閥的壓降值），最終確定注水泵最佳運行工況。穩(wěn)態(tài)模擬將所有注水井都考慮為要求的平均流量和要求的最大注水井壓力，參考2.1章節(jié)，為保護站外高壓玻璃鋼管線，需保證泵出口壓力小于16 MPa(G)，通過變頻器調節(jié)電動機頻率，防止超壓出現(xiàn)，并同時滿足所有注水井的所需流量和壓力。根據(jù)注水井口數(shù)量、分布和單井配注量擬定的高低壓注水泵運行工況如表4所示。

表4 擬定的高低壓注水泵運行情況Tab.4 Proposed operation status of high and low pressure water injection pumps

通過模擬計算，發(fā)現(xiàn)注水泵輸量、出口壓力、調頻及注水井口的匹配出現(xiàn)問題，再通過反復調整高壓注水泵組電動機頻率，使高壓注水泵性能曲線發(fā)生變化，從而使整個注水系統(tǒng)相互匹配，最終確定合理的穩(wěn)態(tài)模型，確定后的喂水泵、注水泵運行工況及模擬結果如表5所示。

表5 調整后的高低壓注水泵模擬結果Tab.5 Simulation result of adjusted high and low pressure water injection pumps

2.3 瞬態(tài)模擬

瞬態(tài)模擬基于調整后注水泵運行穩(wěn)態(tài)模型基礎上進行水擊模擬。根據(jù)ASME B31.4—2019 標準，水擊壓力不應超過設計壓力的110%[3]。目前，低壓部分管道設計壓力為4 MPa(G)，管道的最大允許水擊壓力為4.4 MPa(G)。高壓部分管道設計壓力為16 MPa(G)，管道的最大允許水擊壓力為17.6 MPa(G)。

瞬態(tài)模擬水擊分析考慮兩種情況：緊急關停高壓注水泵造成的水擊壓力影響；閥門瞬時關閉產(chǎn)生的水擊壓力影響（考慮閘板松動或損壞造成閘板瞬間關閉的極端情況）[4-5]。

2.3.1 緊急停泵

緊急停泵考慮兩種工況，工況1：考慮任意一個注水增壓站忽然失電情況下，該站內正在工作的全部高壓注水泵忽然緊急停車；工況2：考慮所有注水增壓站忽然失電情況下，所有正在工作的高壓注水泵忽然緊急停車[6-7]。

在工況1 下，通過對4 個注水增壓站的模擬，發(fā)現(xiàn)1#注水增壓站中注水泵緊急停車是最不利情況。計算結果表明，1#注水增壓站的水擊壓力最小值是高于飽和蒸汽壓力的，未出現(xiàn)負壓情況；此時注水泵的最大進口壓力為3.93 MPa(G)，低于設計壓力的1.1 倍（圖2）。因此，1 個注水增壓站的緊急停泵并不會出現(xiàn)汽蝕或超壓情況。

圖2 工況1高壓注水泵進口壓力計算結果Fig.2 Calculation results of inlet pressure of high-pressure water injection pump under working condition 1

在工況2下，計算結果表明，整個注水系統(tǒng)的水擊壓力最小值是高于飽和蒸汽壓力的，未出現(xiàn)負壓情況；注水干線最大水擊壓力值為4.55 MPa(G)，超過玻璃鋼管道的最大允許水擊壓力4.4 MPa(G)（圖3）。因此，系統(tǒng)需考慮水擊保護/消除措施以保證管網(wǎng)系統(tǒng)安全性，詳見2.3.3節(jié)。

圖3 工況2低壓轉水干線壓力計算結果Fig.3 Calculation results of low-pressure water transfer main line pressure under working condition 2

2.3.2 閥門瞬間關閉

閥門瞬間關閉考慮兩種工況，工況3：考慮任意1 個注水增壓站內的任意1 個配水閥組總閥門突然關閉（脫落）；工況4：考慮在任意1個注水井口閥門突然關閉（脫落）[8-9]。

在工況3 下，進行瞬態(tài)模擬，經(jīng)過對4 個注水增壓站模擬，得出1#注水增壓站關閉1個配水閥組總閥門是最不利情況，模擬結果如圖4所示。

圖4 工況3閥前壓力模擬結果Fig.4 Simulation results of valve inlet pressure under working condition 3

在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，在關閉閥門的瞬間，泵出口/配水閥組閥門進口壓力會達到17.0 MPa(G)，低于1.1倍設計壓力，因此沒有水擊超壓現(xiàn)象出現(xiàn)。

在工況4 下，通過瞬態(tài)模擬得出任意1 個注水井口閥門突然關閉對注水系統(tǒng)的影響很小，最大水擊壓力不會超過設計壓力的1.1 倍，模擬結果如圖5所示。

圖5 工況4閥前壓力模擬結果Fig.5 Simulation results of valve inlet pressure under working condition 4

2.3.3 超壓保護措施

根據(jù)經(jīng)驗，從正常操作壓力到水擊壓力的形成時間在5 s 以上時，可以通過設置PSV 保護系統(tǒng)進行壓力泄放，投資較低；但從正常操作壓力到水擊壓力的形成時間在5 s 及以下時，PSV 可能無法及時打開泄壓，應考慮設置專用水擊泄壓閥。本項目的水擊超壓產(chǎn)生迅速，故采用水擊泄壓閥進行防水錘保護設計。模型中設置水擊泄壓閥，當閥門開度在50%～70%，且閥前壓力可以回落到正常操作壓力時，即可認為該水擊泄壓閥可有效消除水擊且尺寸適宜[10]。

圖6 為工況2 下低壓注水泵后設置水擊泄壓閥的計算結果。該結果顯示，水擊泄壓閥開度在40%～65%之間波動、閥前壓力在4 MPa(G)上下波動（小于玻璃鋼管道的最大允許水擊壓力4.4 MPa(G)），該結果說明水擊泄壓閥可有效消除水擊。

圖6 工況2水擊泄壓閥模擬計算結果Fig.6 Simulation calculation results of water hammer relief valve under working condition 2

3 結束語

在油田整體開發(fā)方案中，依據(jù)油田產(chǎn)能及地質情況，對油田地面工程注水系統(tǒng)提出總體設計思路，按油田產(chǎn)量年份預測規(guī)劃不同時期注水任務。為驗證規(guī)劃的合理性和可實施性，以及保障設計的安全性，需進一步開展注水系統(tǒng)水力模擬計算。同時在水力模擬計算中，可分析注水泵的選型及性能參數(shù)、變頻器的控制參數(shù)、管網(wǎng)輸量與管網(wǎng)尺寸是否匹配及合理，以滿足項目要求的配注能力。

本文通過穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模擬計算，得出管網(wǎng)水力損失，完成注水泵開啟數(shù)量及工作頻率選擇，平衡管網(wǎng)流量、流速、管徑尺寸和壓降之間關系，滿足全部注水井口配注量及壓力要求，對于水擊超壓情況，提出設計水擊泄壓閥的措施，為下一步設計提供參考。