深層低滲透率油藏注水系統節能優化技術

王江順（中國石油中原油田分公司采油四廠）

油田開發進入中后期，地層能量下降，注水是保持油層壓力達到油田穩產的必要工藝措施。注水系統是油田耗電大戶，其耗電量約占油田總耗電量的30%[1]。中原油田深層、低滲透率油藏儲量占總儲量的39.5%[2]，中低壓注水難以有效驅動二、三類油藏，文南油田作為井深、高溫、低滲透率的典型油藏，平均注水壓力為31.5 MPa，個別井達到40 MPa，遠高于中原油田20～25 MPa平均水平，為典型的超高壓注水系統。文南油田注水壓力高，壓力層級復雜，對注水工程技術要求高，配套設施必須具有多樣性，以滿足不同開發單元注水需要；同時決定了注水耗電的差異性大，為注水系統節能降耗技術研究與應用提供了發展空間和平臺。

1　文南油田注水系統節能面臨的難題

文南油田高壓、低滲透率油藏，超高壓（單井注水壓力最高40 MPa）注水難度大，壓力層級多樣，注水工藝技術復雜的特點，在國內進行注水開發的油田中具有典型代表意義，要實現注水能耗損失最小化，系統平穩、高效、經濟運行，主要面臨以下三個難題。

1.1　超高壓工藝復雜，地層注水配注差異大，機泵高效組合與配注要求矛盾突出

機泵設計容量大，電動機功率與泵實際出力不匹配，部分機泵出現負荷不足現象。隨著油田穩油控水開發方向的轉變，注水量總體呈下降趨勢，部分機泵由于設計容量過大，出現負荷不足現象，能耗浪費嚴重。如文二污水站3臺離心泵，目前僅使用5號離心泵，4號泵與5號泵排量相同，但配用電動機功率比5號泵多240 kW，每天要多耗電5670 kWh。3號泵排量為650 m3/h，配套電動機功率為2500 kW，因能耗高年運轉時率為13%。二次增壓柱塞泵配套電動機90%以上的裝機功率為110 kW，而現場實際機泵負荷80%以上為70～80 kW，單臺日多耗電50 kWh。

注水干壓波動穩定困難，注水泵排量與配注需求難以動態匹配，只能通過節流、打回流或泵間開滿足配注需要，泵機組效率低。文二污水站外供水受注水工藝現狀制約，注水干線壓力控制在9.5±0.5 MPa范圍內，但受注水井動態調整開關井、配注調整、洗井以及二級增壓泵的間開等不確定因素的影響，文二污水站高壓離心泵外供水量始終處于動態變化之中，這就使注水干壓的平穩控制靠人工來實現相對比較困難。在油田注水開發過程中，配注水量要隨時滿足注采井組動態調配的需求，二次增壓泵站由于采用的是柱塞泵，排量不可調，為適應注水量的變化，在沒有調速措施的情況下，只能通過節流、打回流以及間開泵的方法控制流量和壓力，調整注水量，必然造成泵壓與閥組管壓之間產生較大的波動，增加了注水系統的能耗。

1.2　地層物性差異大，注水壓力層級多，導致各級配套管網壓力匹配困難

文南油田注水井中99%以上采用二次增壓注水。由于增注泵站所有增壓注水泵對應一套配水閥組，一套提壓流程導致全站注水壓力在10 MPa以上的注水井共同使用一個高壓水源。由于各井壓力差別大，當有1口井注水壓力較高時，整個配水閥組的注水壓力也需提高，其他閥組閘門節流損失嚴重。統計表明，注水站平均匯管壓力34.8 MPa，井口注水壓力31.5 MPa，壓降損失3.3 MPa，個別井壓降損失高達25.0 MPa。

1.3　一、二次注水壓力匹配與能耗變化關系，缺乏規律性研究和理論指導

文南油田注水系統使用的多級離心泵和柱塞泵兩種類型的注水泵，其工作原理和特性曲線完全不同，決定了壓力、排量等工況變化而引發的能耗變化也不相同，相互配合標定注水系統干壓高效運行區間在國內油田尚無可借鑒的成熟性理論和經驗。

2　注水系統節能技術研究與應用

2.1　配水閥組壓力分級配套技術

創新運用了木桶原理（即增壓泵站最高注水壓力及匯管壓力取決于該站控制水井中注水壓力最高的注水井），自主設計了超高壓增注泵站三級分壓注水流程，緩解了注水井壓力級差大無法合理匹配，壓力損失大的問題，實現了單井注水壓力變化的動態調整。主要包括配水閥組壓力等級選擇技術、壓力分級改造工藝配套技術和能耗損失評價技術。

2.1.1配水閥組壓力等級選擇技術

由于注水站配水閥組原設計壓力為35 MPa，不能滿足部分高壓井（壓力大于35 MPa）注水壓力需要，導致76個井組欠注，欠注井占開井數的29%，日欠注水量1309 m3，欠注水量占日注水量的11%。

文南油田現有注水工藝為兩個壓力等級，配套壓力分別為10 MPa（干線來水直供，為小于10 MPa的水井供水）、35 MPa（二次增注泵提壓，為10～35 MPa的水井供水）。為了解決上述問題，最佳的供水壓力系統應為10 MPa、25 MPa、35 MPa、45 MPa四級分壓供水系統，能夠滿足不同注水井啟動壓力需要，閥組節流損失最小。但是通過調查，全廠69%的注水井啟動壓力在30 MPa以上，單井最高注水啟動壓力40.2 MPa。因此，按照綜合效益最大的原則，只需再增加一套超高壓45 MPa供水壓力系統，為35～45 MPa的水井供水，既可以解決超高壓井的欠注問題，也可以滿足目前注水生產需要。其工藝技術流程見圖1。

2.1.2壓力分級改造工藝配套技術

基于增注站供水壓力層級增加，該技術為原單匯管增壓注水流程中無法解決的問題提供了技術支持。例如，同壓力等級下水量變化后注水泵無法動態調整和注水井壓力發生變化后供水壓力不匹配等問題，在后期方案設計和實施過程中進行綜合考慮，提高注水泵利用率，實現供水流程靈活調整。

圖1　增注站分壓注水改造工藝

配套一：將注水泵出口設計為雙出口流程，泵出口分別與35 MPa、45 MPa供水系統相連。每一臺泵可以根據不同匯管供水量需求，實現不同匯管壓力下的優化開泵組合，提高泵利用效率。

配套二：根據歷年來的壓力變化趨勢和跨度范圍，將單井一套供水流程優化設計成兩套或三套供水流程。當注水井啟動壓力發生變化后，通過將單井切換到對應供水壓力等級的閥組供水，在工藝上滿足單井壓力變化后的供水壓力靈活調整。

配套三：以注水泵水表為起點，由近到遠，按照壓力等級高—中—低的順序梳理布置三套配水閥組，優化減少管網拐彎和輸送距離，降低壓力損耗。

2.1.3能耗損失評價技術

在對單井進行壓力歸位調整時，如何進行注水井壓力歸位選擇和流程規劃，通過實踐測試研究，總結制定了“以滿足地質配注要求為前提，以能耗損失最低為標尺”的原則，進行注水井壓力歸位調整。

能耗損失最低評價選擇依據是閥組節流能耗損失計算公式，即

式中：Pe為節流能耗損失，kWh；Qn為注水泵實際注水量，m3； P2為匯管壓力，MPa； P1為注水井啟動壓力，MPa；DHb為注水泵標準單耗，kWh/(m3· MPa)。

2.1.4改造效果

近幾年已對25座增壓注水站進行了壓力分級改造，對完成分壓改造增壓注水站的注水井依據注水壓力進行歸位調整，有效地降低了閥組節流損失，使閥組效率提高到85.8%，節能效果明顯。

2.2　文二污水站機泵容量優化匹配

注水泵正確的流量選擇是首先確定工藝操作下的液體正常、最大及最小流量，選泵時一般以最大流量為基礎，并考慮最小流量的要求。注水泵排量選擇時最佳效率點位于額定流量點和正常流量點之間[3]。經過近5年的日注水量統計，最大為12 780 m3，最小為7256 m3（排除管線故障和檢修等特殊情況），正常在10 000～12 000m3之間。隨著注采結構的調整，油田開發逐漸向Ⅱ、Ⅲ類低滲透率油層轉移，油田注水難度逐年增加，注水量增加的上行阻力較大。一次增壓系統文二污水站共有5臺注水泵，其中1#、2#為柱塞泵，3#、4#、5#泵為高壓離心注水泵，注水生產狀況為高壓離心注水泵和高壓柱塞泵配合使用。具體機泵參數及能耗測試情況見表1。

表1　文二污水站機泵參數及能耗測試

通過測試，3#、5#泵機組運行時間長，存在磨損嚴重、效率低等問題，特別是3#離心泵實際日排量達到13 000 m3左右，與近幾年生產規模不匹配，存在容量過大能耗浪費的問題；4#注水泵機組與5#泵排量雖然同為500 m3/h，但由于配用電動機功率較大，其單耗較5#泵高了0.17 kWh/m3。

改造及效果：結合生產實際情況和設備現狀，將3#離心泵排量由650 m3/h降容為500 m3/h，更新3#、5#注水泵為6×8DBB高效離心注水泵，將3#注水泵配用電動機由2500 kW減容為2000 kW，將4#注水泵配用電動機由2240 kW減容為2000 kW。改造后，3#、4#注水泵運行平均單耗下降了0.52 kWh/m3和0.12 kWh/m3，按照往年3#、4#注水泵平均運行87 d和49 d，日注水量11 500 m3，電價0.79元/kWh計算，近3年累計節約電量177×104kWh，節約電費139.8萬元。

2.3　增壓泵站機泵優化匹配

文南油田共有二次增壓注水站38座，配水閥組76套，安裝增壓泵164臺，增壓注水泵均為柱塞往復泵，型號有3H-8/45Ⅱ、3ZS-4/50、3D1-Z8/40、3ZY-8/450和3Z-8/450等多種類型。隨著配水閥組壓力分級配套技術應用，壓力重新歸位調整后，近70臺柱塞泵對應的配水閥組壓力等級都有所減小，其運行壓力和流量均與其額定壓力和理論排量發生了變化，普遍存在容量過大、效率偏低的現狀。

改造及效果：經過調查及分析，將負載率過低的51臺110 kW柱塞泵電動機減容至90 kW，空載損耗平均減少2.06 kW，日平均空載耗電量由175.1 kWh下降為124.5 kWh，日平均減少耗電50.6 kWh，平均節電率為29%。

2.4　注水變頻自動調控技術

動態調水、動態關井、影響鉆井關井、影響油水井作業關井、待作業關井等多種原因的關井造成增壓注水站增注泵的理論排量和實際注水量不匹配，而現有柱塞泵均為容積泵，其排量不可調，部分增注泵經常處于負荷不足的運行狀態[4]。由于增注泵排量大，注水井注水壓力上升較快，超過注水管網允許的最高壓力而被迫停泵。為完成注水量需要頻繁啟停增壓泵，能量損失很大，造成泵機組效率低，設備損壞嚴重。通過應用增壓泵變頻調速技術，有效地解決了增注泵的理論排量和實際注水量不匹配的問題。

2.4.1技術原理

變頻調速技術是一種能夠實現自動化控制、高效、高精度、節能的電動機拖動調速技術，其啟動電流小、啟動轉矩大的特點正好能夠滿足大功率電動機運行工況要求。變頻自動控制裝置和注水泵電動機拖動組合，變頻器通過壓力傳感器取樣，可隨壓力變化自動調節電動機工作頻率，進而改變電動機轉速；采用閉環控制使泵輸出壓力始終保持在設定值上[5]，從而穩定了注水壓力，實現自控穩壓恒流注水。主要技術原理見圖2。

圖2　注水變頻控制原理

2.4.2實際生產過程中的應用原則

◇在同一注水壓力范圍內，當地質配注水量約等于1臺泵實際排量時，采用泵工頻控制方式運行；

◇當地質配注水量為1臺泵實際排量50%～90%時，采用泵恒壓變頻控制方式運行；

◇當地質配注水量小于1臺泵實際排量50%時，不適于變頻控制（普通電動機散熱風扇與電動機同軸，頻率低于28 Hz，電動機溫升高），需調整小排量泵運行；

◇當地質配注水量大于1臺泵實際排量但小于2臺泵實際排量時，1臺泵工頻控制方式運行，1臺泵變頻控制方式運行；

◇當地層吸水能力好，需要控制保持一定壓力的注水量時，采用定頻恒流控制方式，即手動調整電動機頻率；當單位時間注水量與地質配注量相等時，長時間保持設定頻率運行，實現穩定注水，減少間開頻繁啟動對地下管柱和設備的沖擊。

改造及效果：增注泵變頻調速柜采用的變頻調速技術為當前最有效、最先進的節能降耗技術之一，截至目前共安裝變頻調速柜68臺。

3　經濟效益分析

3.1　增注泵站分壓注水技術

共有25座增注泵站采用了分壓注水技術，單井歸位調整38口井，投入1130萬元。按日注水量9300 m3，平均匯管壓力下降2.3 MPa，注水標耗0.45 kWh/(MPa·m3)計算，2012—2016年累計節約電量1756.6×104kWh，節約電費1 387.7萬元。

3.2　一、二次注水壓力節能匹配技術

在注水系統應用該成果，將文二聯一次注水干壓由9.3 MPa提高到11 MPa左右，提高了注水系統整體能效水平，注水單耗下降0.32 kWh/m3。日注水量按11 500 m3計算，2016年節約電量134.32×104kWh，節約電費106.1萬元。

3.3　機泵容量優化匹配技術

3.3.1文二污水站機泵容量優化匹配

2011年，投入設備及施工費用160萬元。將3#離心泵排量由650 m3/h降容為500 m3/h，更新3#、5#注水泵為6×8DBB高效離心注水泵，將3#注水泵配用電動機由2500 kW減容為2000 kW，將4#注水泵配用電動機由2240 kW減容為2000 kW。改造后，3#、4#注水泵運行平均單耗下降了0.52 kWh/m3和0.12 kWh/m3。按照往年3#、4#注水泵平均運行87 d和49 d，日注水量11 500 m3，電價0.79元/kWh計算，2012—2016年累計節約電量177×104kWh，節約電費139.8萬元。

3.3.2二次增壓泵電動機容量匹配

2012—2016年投入153萬元，對51臺柱塞泵電動機由110 kW降容為90 kW，單臺日節約電量50 kWh，累計節電465×104kWh，節約電費367.4萬元。

3.4　注水泵變頻自動調控技術

共推廣應用增注泵變頻控制柜89臺，投入1068萬元。按單臺平均綜合節電率15%，年開泵時率210 d，單泵日耗電1300 kWh計算，2012—2016年累計節約電量1825×104kWh，節約電費1441.75萬元。

3.5　綜合效益

合計共投入2511萬元，5年累計節約電量4 357.92×104kWh，同時還有潛在的增注增油效果，折算標準煤5 355.8 t；以電價0.79元/kWh計算，年可節約電費3 442.75萬元，投入產出比為1∶1.37，投資回收期為3.65年。

4　結論

注水系統地面配套技術是一項系統工程，具有量大、面寬、節點多的特點，在油田開發狀況變動時，應及時進行改造和優化調整。文南油田注水地面配套本著“優質高效、工藝配套、節能降耗”的原則，創新研究了壓力分級配套、注水壓力節能匹配等四項技術，解決了油田超高壓注水系統的技術難題，實現了高壓、特低滲透率油藏的高效、經濟、平穩注水，在油田注水開發中具有廣泛推廣價值。

參考文獻：

[1]顧曉，竇守進，李國生.注水系統節能降耗技術應用[J].資源節約與環保，2008，24（3）：49-53．

[2]陳昊.中原油田低滲油藏開發實踐與認識[C]//中國石化非構造低滲透油藏開發技術文集.北京：中國石化出版社，2005：60-82．

[3]高易，王岳，耿德江.油田地面注水系統節能降耗對策[J].管道技術與設備，2008（4）：54-55．

[4]魏斌，肖博文，趙彪.注水系統節能降耗技術研究[J].石油化工與應用，2013，32（4）：75-77．

[5]梁利波，何建東，王鋒，等.高壓變頻器應用于注水系統[J].油田地面工程，2007，26（11）：25-26．