高含水油田注水系統優化淺析

趙 磊

(中海石油(中國)有限公司曹妃甸作業公司，天津 300461)

1 FPSO注水工藝流程介紹

渤海某油田FPSO注水系統流程如圖1所示。經過處理的生產水，通過注水增壓泵增壓到1.5MPa,再經過6臺并聯的核桃殼過濾器處理后，進入注水緩沖罐內穩定液位和壓力后，經過4臺并聯的注水泵增壓到12～13MPa，輸送到井口平臺回注，剩余少部分達標生產水外排。設備詳細設計和操作參數見表1。

表1 FPSO注水設備數據表

圖1 FPSO注水流程圖

2 注水系統存在的問題及優化措施

2.1 注水系統能力與油田開發需求匹配問題與優化

2.1.1 存在問題

FPSO上的注水泵是英國SULZER公司生產的12級離心泵,電機采用ABB變頻電機。FPSO有注水泵四臺，每臺泵的初始設計流量為455 m3/h，四臺注水泵的輸送能力為1820 m3/h，隨著油田的滾動開發，以及油藏類型為邊底水豐富，無水采油期普遍在3個月左右，高含水采油采油周期長，油田綜合含水的攀升較快，投產4年后，油田綜合含水已經上升到92%，原有FPSO四臺注水泵的設計最大處理量已經不能滿足注水系統要求。因此迫切需要提高注水泵生產污水的輸送能力。由于海上設施受限，因此原有設備能力擴容成為主要手段之一。

2.1.2 改造措施

經過分析(見表1)整個注水系統的瓶頸節點為注水泵，因此驗證通過增大注水泵葉輪，可以使注水泵的設計排量能夠提高9%。經計算，已有的電氣設備的功率能夠滿足提升后泵的負載，可以只針對葉輪直徑進行加大改造。

2.1.3 改造效果

在未增加新設備的情況，逐臺對注水泵進行返廠更換葉輪。完成后對單臺注水泵泵效進行測試，如圖2。單臺注水泵排量提高了9%，至495 m3/h，4臺注水泵平均每天增加了大約3840m3的生產水注入量，及FPSO處理能力得到擴容，即可實現增加油30 m3/d，為油田增產和滾動開發夯實了基礎。

圖2 改造后注水泵泵效曲線

2.2 注水系統非計劃關停時其他工藝流程連鎖保護問題與優化

2.2.1 改造前注水系統流程工藝控制存在的問題

FPSO的生產水處理流程處于滿負荷運行狀態，4臺注水泵同時上線運行，通過緩沖罐閥門LCV-4430C控制注水緩沖罐的壓力和液位穩定，確保生產水系統的穩定運行。實際生產過程中會由于某個平臺來液發生較大波動,控制系統響應不及時，油田電站PMS電源管理系統負載應急調整等種種原因，經常使得4臺注水泵同時非計劃關停，這樣就會造成大量的生產水瞬間滯留在注水緩沖罐內，需迅速將液位調節閥門LV-4430C開大緩沖，但由于注水系統控制方案的設計設計要求LV-4430C 自動PID調節過程緩慢以把保證在正常生產時的系統運行平穩，無法自動瞬間開度達到100% 的狀態，這時就需要中控控制員手動將控制器轉到手動并迅速打開LV-4430C，通過實踐，從中控員接收到報警到最終閥門被完全打開，必須需要7s內完成，超出這個時間范圍，就會因為4臺注水泵的關停，液位控制閥調整不及時，造成注水緩沖罐的壓力高高或液位高高而觸發邏輯使得生產水系統關停，處理不好甚至會造成全油田的關停，造成產量損失和增加設備故障率。

2.2.2 改造措施

對注水緩沖罐排海閥門LV-4430C調節新增高級計算控制模塊CALCA，增加LV-4430C前級控制單元，控制要求：

正常生產時，保持原有PID控制邏輯，利用液位PID模塊控制調節閥的輸出，用于穩定注水緩沖罐的液位。4臺注水泵異常關停時，高級計算模塊控制器CALCA旁通PID控制器，直接輸出給調節閥LV-4430C至某開度，為了適應各個工況，以保證流程的穩定，此調節閥開度可由中控人員自行設定至任意開度。同時需要增加異常關停的屏蔽功能，使系統可以在自動PID調節和緊急關停輸出之間自由切換，便于注水流程調試及注水泵關停恢復時操作。

邏輯控制實現思路：

(1)邏輯控制系統包括DCS控制器、液位傳感器、注水泵運行開關量信號、調節閥執行機構、I/O卡件輸入輸出接口。DCS控制器的輸出經過I/O卡輸出接口、執行機構，加到被控調節閥LV-4430C上。

(2)緩沖罐液位變送器作為PID模塊的測量量， 經PID運算后輸出4-20mA信號至調節閥閥門定位器，正常生產時會根據液位的波動，來實時控制調節閥LV-4430C 0-100%的開度，滿足現場控制要求。

(3)注水泵運行信號是從現場LCIP控制盤內的PLC通訊至DCS系統FBM224模塊，采用的接口是RS485,協議是modbus，讀取的是Boolean quantity，注水泵運行時是true，停泵時是false，新增高級控制模塊CALCA調用FBM224模塊中的Boolean quantity即可，運算邏輯如下：

因為采用的OR的邏輯運算，只要有一臺泵的運行信號是true，就會輸出1，當4臺泵全部下線時，所有運行信號全是false，就會輸出0 。

(4)調節閥的開度是0～100%，是一個實數輸出，當監測到4臺泵異常關停時需要直接把LV-4430C全開，生產水可以通過此閥門及時排放至大艙內，在不影響生產的情況下留給了中控人員充分的反應時間。在高級計算塊CALCA內增加實數輸入RI，計算塊實時自動監測到4臺泵的運行信號全部是false后，把RI直接送到調節閥LV-4430C，使得閥門從現有PID輸出值直接跳躍到RI的輸出值，此控制邏輯為了適應各個工況，此RI采用可讀寫的量，中控操作員可在HMI直接修改RI的值，可修改范圍0-100和閥門開度量程相對應，即RI的輸入值就是注水泵異常關停時高級計算塊CALCA的輸出值，也是調節閥LV-4430C的開度。

(5)考慮到注水流程調試及注水泵關停恢復時操作需要，同時增加注水泵異常關停信號的屏蔽功能，使系統可以在自動PID調節和緊急關停輸出之間自由切換。調取4 臺泵的運行信號運算結果和手動屏蔽做AND運算。

當inhibit置0時，處于屏蔽監測模式狀態，CALCA功能塊直接讀取PID運算結果輸出至調節閥LV-4430C，此時可以修改PID的SP值或者手動來調節閥門的開度以滿足控制實際需求，注水泵的運行狀態不參與運算，RI值不輸出。當inhibit置1時，處于監測模式，此時發生注水泵異常全部關停就會直接輸出RI值到調節閥LV-4430C，當需要手動干預閥門開度時，必須先inhibit此功能。等注水泵正常上線，生產流程恢復后，及時把inhibit取消，恢復實時監測模式。

2.2.3 改造效果

解決了注水系統的PID控制模式下正常運行運行與應急運行情況的參數設置矛盾問題，將應急情況下的人為強制操作轉變為自動控制，把整個過程響應時間從7s降低到2s內，經實際運行驗證，功能正常、效果理想，實現了注水系統在正常和非正常情況下的全自動運行，改造后FPSO未再發生過因為注水系統非計劃關停而未及時控制產生的生產水和原油處理系統連鎖關停現象，從本質上避免了因為注水泵關停而導致的生產水系統關停的風險，提升了設備的本質安全和提高了整個油田的生產時率。

3 FPSO注水系統優化后效果和意義

從油田投產之初，到油田中后期開發的過程中，FPSO注水系統通過控制邏輯、控制方式，設備內部結構升級調整優化工作后，提高了注水處理能力整個系統處理能力4800 m3/d，間接提高油田產量40 m3/d，并且將注水生產時率由92.5%提升至98.2%，大大提升系統運行可操作性和可靠性，以及提升自動化程度，降低了對操作人員的操作難度以及技能水平要求，提生了勞動效率，為油田后續滾動開發打下了夯實的基礎。同時對同類型高含水油田處理終端的注水系統新、改、擴建項目的設計、安裝、調試，具有一定的借鑒意義。