克拉瑪依油田提高多源注水系統效率方法

趙美剛　李　建　曲江濤　葉　洋（新疆油田公司采油二廠）

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克拉瑪依油田提高多源注水系統效率方法

趙美剛李建曲江濤葉洋（新疆油田公司采油二廠）

克拉瑪依油田西北緣區塊油藏層系多、非均質嚴重且相互層疊，各層系注水壓力需求差異很大。地面系統依托統一系統壓力注水，系統各環節的能力與需求不能實時匹配、系統工況調節能力差、運行能耗高。通過研發具備模擬、診斷、預測功能的注水系統數值模擬軟件，將多源復雜大型管網系統分解為若干個相對獨立的子系統，分析影響注水系統效率的因素。優化使用PCP技術、分壓注水等措施，實現高（25 MPa）、中（16 MPa）、低（10 MPa）三套合理地面注水體系。實現地面配注滿足率、系統效率提高，注水單耗降低。

注水效率多源分壓

注水開發是陸上稀油油田開發的主要開采方式，通過注水開發可有效補充地層能量，對提高原油采收率，確保油田高產、穩產起到了積極作用。當油田進入中高含水開發期后，為保持油田穩產，注水量增加迅速，耗電量也隨含水上升率的上升而增長。當含水率超過70%時，注水系統用電超過整個油田總用電量的40%，在油田地面工程各系統能耗中最高。

克拉瑪依油田西北緣區塊共有49個開發層系注水，注水井點廣、需求量大。由于油藏層系較多、非均質嚴重且相互層疊，單井間注水量與注水壓力差別大。隨著油藏加密調整、二次開發和滾動開發等不斷調整，逐步形成各泵站相互連通、統一系統壓力注水的注水系統，系統運行工況十分復雜。據統計，2008年以前該油區注水系統效率為38.6%～40.6%，注水單耗為6.7～7.1 kWh/m3，系統效率低、能耗高，與國內外相比差距大。

1　建立注水系統效率模型

根據SY/T 5265—1996《油田注水地面系統效率測試和單耗計算方法》規定，地面注水系統效率由電動機效率、泵效和管網效率組成，即V=η1η2η3。其中η1、η2均為注水泵站內參數，兩者可作為整體統一分析；η3為地面流程管網效率。

注水模擬系統中需要建立模型的節點單元，主要有注水泵、管線及管網、配水間管匯及注水井。

1）運行參數分析。模擬計算現場生產工況，計算出對比工況下（設備、管線等處于優化運行狀態下）的運行數據，找出系統運行不合理的部位和環節。主要包括泵站運行參數、管線運行參數、系統效率等。

2）方案設計及模擬。根據需要進行虛擬方案的制定，并模擬計算出虛擬方案的運行工況，為人工制定的調整改造方案進行工況預測。通過模擬計算對多個方案進行對比，并根據單耗、效率、注水井配注滿足率等評價參數，優選系統改造調整方案。

應用注水系統數值模擬軟件進行工況模擬，計算出連通干線上的壓力，將多源復雜大型管網系統分解為若干個相對獨立的子系統。通過注水系統模擬軟件進行工況模擬，各泵站效率值如表1。

2　注水泵站效率影響因素

1）機泵效率。注水站主要設備為離心泵，離心泵的泵效除與設備本身的狀況有關外，影響泵效的最主要因素是實際工況點是否在高效區運行，實際工況點越靠近額定工況點，泵效越高。

2）站內管網效率。站內管線通常距離較短，管線沿程損失較少，所以站內管網效率取決于泵出口閥門的節流損失。離心泵站中3座注水泵站的站內管網效率最低，是由于注水泵配用電動機的功率低于注水泵需求輸入功率，需通過關小泵出口閥門的方法來限制注水泵排量，以防止電動機超負荷運行，這樣泵的實際排量只能達到泵額定排量的72%～90%，使注水泵的能力得不到充分發揮，而且造成泵出口閥門的節流損失過大（泵管壓差高達2～4 MPa），泵站運行效率低下。

3）注水管網效率。油區注水井壓力分布如圖1所示。高、中、低壓力井在地理位置上沒有明顯的劃分界限，高壓力注水井從西到東貫穿了整個轄區，在平面上呈點狀、狹長條狀分布（深藍色為主）；中壓井部分呈片狀分布，部分與高壓力井相互穿插，也呈狹長條狀分布（藍綠色為主）；低壓區基本呈片狀分布（紅色為主）。

從圖1可以看出，現存在注水泵壓條件下，出現部分高壓區欠注嚴重；部分低壓區水井節流損失較大，注水單耗相對較高的問題。

表1　2008年注水系統運行工況數據

3　提高注水系統效率

通過注水系統數值模擬軟件模擬工況對注水系統效率影響因素分析，從注水泵站、注水管網2方面進行提高系統注水效率。

圖1　采油二廠東部油區注水井壓力分布圖

3.1泵控泵技術

泵控泵（PCP）技術原理是在原有大功率多級離心泵（主泵）前串聯一個具有較寬工作范圍的小功率前置泵，由變頻調速電動機帶動前置泵，為主泵提供前置壓力，并以主泵出口的壓力或流量作為前置泵電動機變頻的調控信號，達到調控主泵出口壓力排量的目的。

擴容節能，要先進行主泵減級，降低主泵運行功率，改造后的工況及特性曲線變化見圖2。

圖2　PCP技術應用后的工況和特性曲線變化

如圖2所示，在注水泵進行減級后，注水泵的特性曲線下調，需要由前置泵進行能量補充，根據注水泵出口反饋的壓力或流量控制信號，前置泵電動機進行自動變頻，直到滿足出口排量和揚程需求。

以泵站同輸出HC揚程進行比較，減級并加入PCP技術改造后，前置泵在最低頻率下（25～30 Hz）的工況為點E，此時系統輸出的揚程為HC，排量為Q2，在工頻（50 Hz）下的工況點為F，此時系統輸出的揚程為HC，排量為Q3，Q2、Q3均大于改造前的Q1，實現了泵站的擴容。

3.2泵站節能改造對比

根據泵站改造需求及節能改造條件，結合生產實際。對更換為2000 kW大功率電動機、電動機增容至1800 kW并注水泵減1級（10級）、泵控泵技術改造并注水泵減2級（9級）3個方案，應用注水系統模擬軟件進行工況預測，見表2。

702泵站井口平均壓力低，轄區注水井井口壓力差異大，欠注水量小，未來需求水量較大。801泵站高壓力井比例大，未來需求水量小。802泵站轄區注水井井口壓力較為平均，欠注水量最大，未來需求水量也最大。確定702、801注水泵站進行泵控泵并減2級（9級）改造，802泵站進行更換大功率電動機改造。

3.3系統分壓注水

對于注水系統這種多源復雜管網系統來說，單個設備、泵站或者區塊運行效率的提高，并不能保證整個系統的效率提高，需系統考慮注水系統的優化調整。

以現有注水系統為依托，根據壓力區域劃分情況，對存在欠注井嚴重區域進行新建高低壓系統，形成高中低多套注入系統。達到提高高壓區注水量及滿足率；降低低壓區注水單耗，降低高壓區單位壓力單位注水量能耗。

表2　泵站改造多方案工況及能耗預測

4　實施效果

2008—2012年進行了702、801注水泵站泵控泵技術改造，802注水泵站更換大功率電動機改造。六區低壓系統，八區克上、530井區高壓分壓注水。項目實施后系統效率由2008年的40.2%提高到2012年的42.9%，注水單耗由6.55 kWh/m3下降到6.13 kWh/m3。

1）能耗效果。702、801泵站泵控泵技術改造后單泵排量分別提高了500～800 m3/d，泵站效率提高了2%～3%。802泵站改造后單泵排量提高了1000～1200 m3/d，效率提高了3%～4.5%。高壓系統解決老井欠注及高壓新井注水4100 m3/d，系統配注滿足率提高了9.2%。六區分壓改造后，系統效率由原來的25%提高到44.2%，注水單耗由原來的6.4kWh/m3下降到3.8 kWh/m3。

2）效益分析。702、801泵站泵控泵技術改造后，年節電約306×104kWh，年節約電費226萬元。六區地面系統分壓注水改造后，年節電218× 104kWh，年節約電費163萬元。八區克上及530井區高壓系統分壓注水改造后，提高高壓水井注水量4100 m3/d。

5　結論及認識

1）應用注水系統動態數值模擬技術對系統效率、能耗進行分析，找出影響系統效率的因素。以系統效率高、能耗低為制約條件，從系統角度制定調整方案，并實時調節運行方案，是較為科學的注水系統優化調整管理方法，該方法適用于所有復雜多源管網系統。

2）對于電動機配置小或者泵站能力不足的大功率離心泵機組，泵控泵技術改造可以作為一種選擇。

3）注水系統分壓力系統改造效果顯著。對低壓力水井分壓，可以在不降低滿足地質配注需求的同時，實現系統節能降耗。對高壓力水井分壓，可以解決欠注問題，提高系統配注滿足率和油藏開發效果。

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.11.002

2015-04-20）

趙美剛，高級工程師，1984年畢業于江漢石油學院，從事油田管理工作，E-mail：ZhaomG@163.com，地址：新疆油田公司采油二廠，834008。