酒東油田提高注水系統(tǒng)效率的方法探索

摘要：注水開發(fā)是目前國內(nèi)油田通常采用的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)工藝，隨著注水規(guī)模、注水壓力增加，注水能耗已成為油田開發(fā)中占比最大的能源消耗單元。深入分析影響酒東油田注水系統(tǒng)效率的因素，明確影響注水系統(tǒng)效率的關鍵因素，從而制定符合酒東油田開發(fā)需求的提高注水系統(tǒng)效率的方法。實驗結果表明，注水系統(tǒng)效率從56.53%提升至82.16%。

關鍵詞：油田地面；注水系統(tǒng)；管網(wǎng)；提效

中圖分類號：TE357.6 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）06-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.065

Exploration of Methods to Improving the Eefficiency of Water Injection System in Jiudong Oilfield

HOU Fan1， XIAO Lu2， ZHENG Yehua2， DENG Lei3

（1.School of Earth Science and Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China;

2. Yumen Oilfield Public Affairs Center， Jiuquan 735000， China; 3. PetroChina Yumen Oilfield Company， Yumen 735100， China）

Abstract： Water injection development is currently a commonly used stable and increased production process in domestic oilfields. With the increase of water injection scale and pressure， water injection energy consumption has become the largest energy consumption unit in oilfield development. In-depth analysis of the factors affecting the efficiency of water injection system in Jiudong Oilfield， clarification of the key factors affecting the efficiency of water injection system， so as to formulate the method of improving the efficiency of water injection system in line with the development needs of Jiudong Oilfield. The experimental results show that the efficiency of water injection system is improved from 56.53% to 82.16%.

Keywords： oilfield surface; water injection system; pipelinenetwork; improving efficiency

注水驅(qū)油屬于油田開發(fā)二次采油工藝，油田開發(fā)進入中后期，注水壓力和含水率大幅提升，注水量大幅增加，耗電量急劇上升。注水用電量占油田生產(chǎn)總用電量的33%～56%[1]，注水耗電成本超過總生產(chǎn)成本的60%[2]。玉門油田老君廟采油廠酒東作業(yè)區(qū)（以下簡稱酒東油田）地層物性較差，目的層深度超過3 500 m，且敏感性強，速敏表現(xiàn)明顯，儲層的非均質(zhì)性較強。在注水開發(fā)過程中，注水壓力高（井口壓強為25～35 MPa），注水難度大。注水系統(tǒng)采用“低壓供水，單井增壓”模式，注水系統(tǒng)效率較低，平均為56.53%。

1 油田注水系統(tǒng)簡介

酒東油田累計建設低壓供水管線17 km，均采用酸酐環(huán)氧玻璃鋼材質(zhì)，管線結垢和腐蝕情況得到有效控制，日常運行壓強在1.5 MPa以下。處理工藝流程核心技術采用氣浮+改性纖維球過濾器，投加聚氯化鋁（Poly Aluminum Chloride，PAC）、聚丙烯酰胺（Polyacrylic Amide，PAM）和NaOH等藥劑，對廢水中的懸浮物、膠體、分散油以及浮油的絮凝效果較好，經(jīng)過濾后產(chǎn)出凈化水達標率僅為40%左右。

2 注水系統(tǒng)效率影響因素分析

2.1 理論因素分析

酒東注水系統(tǒng)能源的能量平衡原理為

W0=D1+D2+D3+W3（1）

式中：W0為注水系統(tǒng)的總能耗；D1為機械損失；D2為水泵損失；D3為管網(wǎng)機械損失；W3進入水井有效功。為降低W0，須降低能量損失∑D或降低W3。然而，進入水井有效功只與注水壓力和流量有關，是一個根據(jù)地質(zhì)、井筒情況變化的相對固定值。為達到節(jié)能的目，只能降低∑D。

2.1.1 注水泵能耗分析

注水泵的耗電量在能耗中占比最大，因此為降低能耗并提高經(jīng)濟效益，需要提高水泵的效率。在實際運行過程中，要對注水全流程展開分析，明確影響注水泵工作的原因，提高注水泵運行效率。注水系統(tǒng)常用離心泵和柱塞泵。目前，注水站常用離心泵供水，離心泵具有高效工作范圍窄和容量大的特點。酒東油田低壓供水使用的水泵為多級離心泵。

如果注水泵額定流量大于所需流量，閥門節(jié)流可以調(diào)節(jié)的揚程比變頻調(diào)速的揚程大，因此閥門節(jié)流所需的供水功率也比變頻調(diào)速所需的大。閥門節(jié)流要在管網(wǎng)的進口處增加阻力，造成能量損失，經(jīng)濟性差[3]。

2.1.2 注水管網(wǎng)耗能分析

注水管網(wǎng)的能量損失主要是水力損失和流量損失。管徑越大，注水壓力越小，流速越慢，水力損失越小，管線摩阻越小，能耗越小，反之則越大。酒東油田注入水經(jīng)分析，鹽、懸浮物等指標相對較高，管線內(nèi)壁結構情況嚴重，導致管線內(nèi)徑縮小，能耗增大。

2.2 注水系統(tǒng)效率實際因素分析

經(jīng)確認酒東油田使用電機非低效高耗型號，測試其效率介于97%～99%，電機效率對注水系統(tǒng)效率影響不大。

酒東油田采用“低壓供水，單井增壓”注水模式，低壓供水管網(wǎng)供水給單井緩沖罐，凈化水在沉降罐暫儲過程中氧化變質(zhì)，造成二次污染，產(chǎn)生雜質(zhì)，堵塞管線與地層，增大注水流程管線摩阻，加大注水難度，降低注水泵效率。同時，沉降罐為人工補水，液位保障能力差，不能保障注水泵穩(wěn)定供水。酒東油田采出水處理合格率較低，且管線結構堵塞嚴重，管線能量損失為主要因素。

酒東注水系統(tǒng)效率的主要影響因素為注水泵損失，具體原因如下。一是設備輕載運行，偏離機泵高效運行區(qū)，當泵排量低于50%額定排量時，泵效率將大幅下降。酒東油田產(chǎn)能建設設計中注水壓強為42 MPa，額定日注水量為30 m3/d，額定注水壓強為50 MPa，理論排量為3 m3/h，實際生產(chǎn)中注水壓強為35 MPa，部分注水井目的層物性差注水難度大，很難達到理論排量，因此出現(xiàn)設備裕量過大，導致設備在輕載狀況下運行。二是采用變頻控制，當頻率低至20 Hz時，潤滑系統(tǒng)運行效果不理想，導致系統(tǒng)效率降低。三是皮帶張力，曲軸與連桿連接處的軸瓦摩擦，十字頭與箱體十字頭套的摩擦，盤根與柱塞桿的摩擦及其潤滑情況都是機泵傳動效率的主要影響因素。

酒東油田兩個油藏同時開發(fā)，且兩個油藏水型分別為氯化鈣型和碳酸氫鈉型。采出水處理易生成碳酸鹽垢，造成采出注水管線和井筒結垢嚴重、地層堵塞、管線摩阻增大均降低注水系統(tǒng)效率。

3 提高注水泵效率的方法

3.1 確保注水泵工作在高效的區(qū)域

注水泵的排量大于單井所需的注水量，因此注水泵的排量與注水量無法完全匹配，導致注水泵的工作效率很低。對注水泵進行改造，將部分單井注水泵28 mm柱塞更換成21 mm柱塞，額定功率為55 kW的電機更換為35 kW的電機，改造后理論排量由原來的72 m3/d降至36 m3/d，更接近設計日注水量、額定注水壓強、額功率，使機泵在高效區(qū)間運行。適當減小柱塞直徑，配合泵速的降低，實現(xiàn)排量的控制，減少汽蝕和水擊現(xiàn)象的發(fā)生，減小泵噪聲和管路振動，從而提高注水泵效率。

3.2 對注水泵進行技術改造

對注水泵進行曲軸中心強制潤滑改造，實現(xiàn)方法如下：曲軸直接帶動潤滑油泵，油泵將潤滑油打入油孔，對曲軸，連桿、十字頭等各部件的摩擦副進行強制潤滑，代替之前依靠慣性甩動潤滑泵內(nèi)部件的潤滑工作原理，當改善低頻率運行時潤滑油不足的問題后，注水泵噪聲和振動減小，在頻率降至18～20 Hz時仍能滿足各部件的潤滑需求，注水泵效率提高了3%～5%。

3.3 加強注水機組維護保養(yǎng)

為提高注水泵運行效率，需要加強注水泵的維護和保養(yǎng)。具體方法如下：首先，及時更換機械密封、閥座、閥片等密封件和過流件；其次，監(jiān)測潤滑油質(zhì)量和油量，及時更換乳化的潤滑油，按照要求過濾加注潤滑油；再次，定期檢查皮帶和傳動裝置，保證張力合適；最后，及時調(diào)整和維修將振動量控制在允許范圍內(nèi)。

3.4 運用數(shù)字化手段提效

利用酒東油田數(shù)字化采集與監(jiān)控網(wǎng)絡，完成水井數(shù)字化改造。實時監(jiān)測注水系統(tǒng)流量、泵前壓力、泵后壓力以及機油溫度等數(shù)據(jù)，并具備遠程調(diào)頻功能，實現(xiàn)精細注水，及時發(fā)現(xiàn)注水井停泵、頻率不匹配、管線破損等情況，提高注水系統(tǒng)效率。

4 提高注水管網(wǎng)效率的方法

4.1 對注水管網(wǎng)進行優(yōu)化設計

優(yōu)化設計地面注水管網(wǎng)的布局，采取適用于現(xiàn)場生產(chǎn)的供水和注水工藝，密閉改造酒東油田實施的供水流程，簡化了注水工藝，形成泵對泵密閉供水模式，避免所注水因氧化增加懸浮物含量，從而減少水體結垢和泥沙出現(xiàn)，防止管網(wǎng)被腐蝕。

對管網(wǎng)的參數(shù)進行優(yōu)化設計。一方面，對注水管網(wǎng)各個管段的壁厚和管徑等參數(shù)優(yōu)化設計，保證參數(shù)的合理性和經(jīng)濟性。另一方面，在滿足注水壓力和注水量的前提下，應盡量減少管線長度，降低能量損失。

4.2 注水管網(wǎng)與注水泵相互匹配

在充分考慮注水井壓力、來水壓力以及所需要的注水量等參數(shù)的情況下，酒東油田選擇了3SE100-3/50型柱塞泵，并結合變頻調(diào)速技術，保證注水泵泵管的壓強差小于0.5 MPa，有效降低沿程壓頭損耗。

4.3 管線材質(zhì)減小管道內(nèi)的摩擦阻力

酒東油田注水管網(wǎng)采用酸酐環(huán)氧玻璃鋼管線，供水沿程摩阻為0.008 MPa/100 m，最遠程供水管線末端壓強可保持為0.6 MPa。

4.4 優(yōu)化注水水質(zhì)

根據(jù)酒東油田來水水質(zhì)特點，處理工藝為加藥沉淀法，具有投資少、易于操作、處理效果好的特點。根據(jù)離子去除的難易程度、濃度的高低，采用一級沉淀法處理三相來水，去除鈣、鎂離子。在原有流程中增加斜板沉降器一臺，在堿性環(huán)境下添加碳酸根使鈣、鎂離子形成不容的碳酸鈣和碳酸鎂沉淀。系統(tǒng)優(yōu)化后，結垢現(xiàn)象大幅減少，凈化水懸浮物控制在20 mg/L以下，水質(zhì)達標率提升至80%以上。

4 提效成果

酒東注水系統(tǒng)實施提高注水系統(tǒng)效率方法前后的能效對比如表1所示。

實施提高注水系統(tǒng)效率方法后，注水系統(tǒng)相較實施前各項參數(shù)均有所改善，其中注水系統(tǒng)機組損失率43.45%降低至17.84%，注水系統(tǒng)效率從56.53%提升至82.16%，注水系統(tǒng)效率顯著提高，能夠達到提效節(jié)能效果。

5 結論

本研究對酒東油田注水系統(tǒng)的能耗進行分步分析。酒東油田的能量損失由柱塞泵選型不匹配潤滑強度不足、站內(nèi)外輸泵運行參數(shù)不合理、出口壓力高未在經(jīng)濟區(qū)域運行、注水水質(zhì)較差管線結垢引起，系統(tǒng)效率提升空間較大。針對注水系統(tǒng)進行優(yōu)化，調(diào)整離心泵節(jié)流工藝，對柱塞泵采取強制潤滑改造，從而有效降低注水泵能耗損失，提高注水泵運行效率。通過預脫鹽提升注水水質(zhì)，非金屬管網(wǎng)減少管線摩阻，降低泵管壓差，提升管網(wǎng)運行效率。實施提高注水系統(tǒng)效率方法后，注水系統(tǒng)機組損失率43.45%降低至17.84%，注水系統(tǒng)效率從56.53%提升至82.16%，提效節(jié)能效果顯著。

參考文獻

1 李 彥，孫重斌，張兆民，等.淺析注水系統(tǒng)的節(jié)能方法[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2014（5）：255-255.

2 TREBBAU G L，NUNEZ G J，CAIRA R L，et al. Microbial stimulation of lake maracaibo oil wells[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition.1999.

3 姬忠禮，鄧志安，趙會軍.泵和壓縮機[M].北京：石油工業(yè)出版社，2015：20.

作者簡介：侯凡（1990—），男，陜西鎮(zhèn)安人，工程師。研究方向：油氣田開發(fā)。