加強節點管理提高注水系統效率

印重

（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

注水開發油田注水耗能是油田生產過程中的重要用能單元[1-3]。以某油田某采油廠為例，2020 年采油廠注水系統用電達7.54×108kWh，平均日用電達209.4×104kWh，占采油廠總用電量的49.2%。在注足水的前提下，進一步降低注水用電、降低注水系統能耗，是采油廠實現節能降耗、降低生產成本、提高經濟運行質量的關鍵，圍繞如何減少注水過程中各節點損失、提升注水系統運行效率成為一項十分重要的研究課題[4-6]。

1 采油廠注水系統現狀

某采油廠作業區目前在用離心泵注水站7 座，共有離心泵27 臺，目前開泵15 臺，普通水系統平均泵效78.58%、深度水系統平均泵效71.54%、聚驅水系統平均泵效75.93%；平均管網壓力15.56 MPa，其中普通水高壓注水系統平均管網壓力15.5 MPa，普通水低壓注水系統平均管網壓力15.43 MPa，深度水平均管網壓力15.59 MPa。平均泵壓16.31 MPa，平均管網總壓損5.45 MPa，注水單耗5.95 kWh/m3。

2 采油廠注水節點分析

按照注水系統效率計算方法，注水過程的主要節點有電動機、注水泵、站內工藝流程、注水支干線、配水間、單井注水管線和注水井口等六部分，通過對各節點的運行狀況分析，掌握影響注足水和系統效率的主要因素，提出并實施有針對地改進措施，提升注水系統運行效率[7-9]。

2.1 注水站綜合效率分析

經測試高壓注水泵機組平均運行效率為72.48%，其中電動機平均運行效率為95.5%，平均注水泵泵效率為75.9%，站內工藝流程壓力損失平均為0.78 MPa，2020 年全區注水站綜合運行效率為68.5%。注水站綜合效率統計見表1。

表1 注水站綜合效率統計

注水泵機組在額定狀態下運行效率較高，并且泵型越大銘牌效率越高，注水泵機組主要運行參數普遍低于銘牌參數，泵干壓差較高。主要原因是泵出口壓力高于額定揚程，在這種工況下出口排量調節閥沒有牌完全開啟狀態，電動機運行電流不再發生變化，導致泵干壓差較大，泵效較低。

2.2 注水管網效率分析

作業區內平均管網效率74.6%，從注水支干線到配水間、注水井（注聚井除外）壓力損失分布來看，注水支干線平均壓力損失0.9 MPa，配水間平均閥控損失1.3 MPa，單井注水管線平均壓力損失0.8 MPa，合計為3.0 MPa。配水間、注水井管網運行數據見表2。

表2 配水間、注水井管網運行數據

注水支干線的負荷較低，流速都在經濟流速內（1.2 m/s），負荷重、流速快導致的壓力損失相對合理，因此造成注水管線壓力損失較大的主要原因是管線結垢，使摩阻增加、過流面積變小，從而促使管內液體流速增加，加劇了壓力損失變大，從而使注水管網效率降低［10］。

2.2.1 注水干線壓力損失分析

作業區內在用注水干線29 條，平均干壓14.0 MPa，配水間平均來水壓力13.1 MPa，平均壓力損失0.9 MPa，給23 座配水間供水，目前總井745 口，開井524 口，注水量每天7.56×104m3。其中干線損耗大于1.5 MPa 的3 條，占10.3%，給3 座配水間供水，總井76 口，開井53 口，日注水量5 705 m3。與2019 年對比，干線數量降低7 條，注水間減少135 口，說明注水干線滾動更換取得明顯成效。干線損耗在1.0～1.5 MPa 的10 條，占34.5%，給6 座配水間供水，總井250 口，開井172 口，日注水量21 878 m3。干線損耗小于1.0 的16 條，占55.2%，給11 座配水間供水，總井419 口，開井299 口，日注水量46 248 m3。干線損耗大于2.0 MPa 的3 條，占10.3%，給3 座配水間供水，總井76 口，開井53 口，日注水量5 705 m3。

2.2.2 注水支干線（配水間）壓力損失分析

作業區在用注水支干線（配水間）131 條（座），合計支干線長度47.28 km，平均末端（配水間）來水壓力13.1 MPa，平均壓力損失0.9 MPa。注水井總數745，開井524 口，平均日注水量73 831 m3。其中，壓力損失大于2 MPa 的注水干線16 條，占12.2%，開井71 口，日注水量7 512 m3。壓力損失在1.5～2 MPa 的注水干線8 條，占6.1%，開井39 口，日注水量6 751 m3。壓力損失在1.0～1.5 MPa 的注水干線27 條，占20.6%，開井113 口，日注水量14 657 m3。壓力損失小于1.0 MPa的注水干線80 條，占61.1%，開井301 口，日注水量44 911 m3。

壓力損失大于1.0 MPa 的51 條支干線，其中日欠注水量大于20%的20 條，平均壓力損失1.6 MPa，日欠注水量24.78%，開井89 口，日注水量9 897 m3。

2.2.3 配水間閥控壓力損失狀況分析

分析6 座注水站所對應的配水間的閥控損失情況，平均配水間閥控損失1.3 MPa，其中5 座注水站對應的配水間閥控損失比較合理，有利于調配，4#注水站閥控損失偏低，需要進一步優化。配水間閥控損失統計見表3。

表3 配水間閥控損失統計

2.2.4 單井注水管線壓力損失狀況分析

從單井注水管線壓力損失統計情況看，壓力損失大于2 MPa 的單井管線有34 條，占6.5%，平均壓力損失2.9 MPa，日注水量5 419 m3。壓力損失在1.5～2 MPa 的單井管線有30 條，占5.7%，平均壓力損失1.7 MPa，日注水量5 139 m3。壓力損失在1.0～1.5 MPa 的單井注水管線62 條，占11.8%，平均壓力損失1.2 MPa，日注水量9 024 m3。壓力損失在0.5～1.0 MPa 的單井注水管線137 條，占26.1%，平均壓力損失0.7 MPa，日注水量19 595 m3。壓力損失小于0.5 MPa 的單井注水管線261 條，占49.8%，平均壓力損失0.3 MPa，日注水量36 557 m3。

壓力損失大于1.0 MPa 的126 條單管線，其中日欠注水量大于10%的54 條，平均壓力損失1.9 MPa，日欠注水量46.9%。

2.2.5 注水井油壓狀況分析

從注水井油壓來看，高壓井仍然較多，目前油壓大于12 MPa 的水井有324 口，占61.8%，日注水量48 800 m3，占注水總量的66.1%，其中油壓大于13 MPa 的水井有152 口，占19%，日注水量20 655 m3，占注水總量的30%，這說明注水井注入壓力呈現上升趨勢。

通過以上分析可以看出，一方面采油廠注水系統存在著注水需求壓力相對供水壓力不足的問題，使部分注水井欠注，有效注水量難以增加；另一方面，存在著注水泵額定揚程相對注水壓力較低的問題，使注水泵泵效降低，耗電量增加。

3 優化改進措施

3.1 優化原則

以滿足作業區注水需求，有效降低能耗為原則。根據注水地面節點狀況，通過確定合理注水干壓，優化泵型組合與開泵臺數，降低泵干壓差，減少沿程壓力損失，保留適當的閥控損失，使注水系統效率最優化。首先以注水站為核心，根據區域內的注水井油壓分布情況，在保證80%的注水井能夠正常注水的情況下，確定合理的注水干壓；其次，根據各注水站的泵型和泵況，確定開泵臺數和型號，使供水量與需求量基本相匹配，注水泵在合理區內運行；再次，控制泵干壓差，對站內沒有完全開啟的閥門進行嚴格的考核，使站內工藝流程造成的壓力損失降到最低；最后采取管線除垢或更換管線，增加管線過流面積，減少沿程壓力損失。

3.2 優化具體措施

3.2.1 開發優化運行軟件

通過開發應用注水系統地面工程分析優化運行軟件，實現注水系統地面工程分析優化運行軟件與現有工程開發數據庫掛接，實現資源共享，動態管理，通過計算分析，確定注水干壓、開泵臺數和型號匹配，使注水開發生產運行科學、規范、合理。

3.2.2 優化注水站機泵組合

各注水站泵型相對單一，供水量與注水量不能實現動態匹配，時常因少量增加注水，需要增開1臺注水泵，導致泵效降低，單耗增加，電量上升。通過優選開泵組合，調節注水量，穩定注水干壓。在1#、3#、6#注水站通過泵型優化減少開泵臺數3 臺，開泵功率同比降低2 800 kW，可實現日節電3×104kWh。注水泵優化措施見表4。

表4 注水泵優化運行措施

3.2.3 實施注水管網綜合治理

措施一：實施注水干線滾動更換。2020 年，回收利用φ245 mm 管線2 km，滾動更換壓力損失大于2 MPa 的注水干線3 條。實施效果：干壓損失降低1.0 MPa，區域減少欠注井30 口，日增注水量1 300 m3。

措施二：實施除垢措施以及更換部分注水支干線。對壓力損失大于1.0 MPa、日欠注量大于15%的20 條配水間支干線進行除垢或更換作業。實施效果：配水間來水壓力增加0.6 MPa，減少欠注井20 口，日增注水量2 000 m3。

措施三：對欠注水量較多的單井管線進行除垢或更換。對單井管線壓力損失大于1.0 MPa、日欠注量大于10%的54 條單井管線進行除垢或更換作業。實施效果：減少欠注井40 口，日增注水量1 800 m3。

措施四：強化注水井洗井、管線沖洗作業。做好罐車洗井的組織協調，完善管理制度，將洗井效果和工作量考核相結合，提升罐車洗井效率和洗井質量。實施效果：注水井洗井和管線沖洗有機結合，減少單井管線壓力損失0.5 MPa。

4 節能效果分析

通過加強注水系統節點管理，實施上述各項優化措施，經測試作業區注水系統效率得到明顯提升，泵干壓差和注水單耗明顯降低，注水泵效率、注水管網效率和注水系統效率得到提升，優化措施前后對比見表5。

表5 采油廠注水系統優化措施前后對比

從表5 中可以看出，實施加強注水系統節點管理后，注水泵開泵臺數減少了3 臺，平均泵效提升了0.6%，泵干壓差降低了0.5%，管網效率提升了0.7%，注水系統提升了1.9%，平均日耗電量減少了4.9 萬千瓦時，注水系統年耗電量減少了1 785×104kWh，注水單耗下降了0.56 kWh/m3，節能降耗效果明顯。

5 結論

1）實踐證明，通過開展注水系統節點分析，加強節點優化管理，采取優化注水泵開泵組合、注水管網綜合治理、沖洗管線等各節點優化管理措施，注水系統各節點值能夠得到進一步改善，有利于提升注水系統效率、提升注水泵效和管網效率，降低泵干壓差和注水單耗，實現注水系統的節能降耗。

2）因注水泵出水量與單井注水量存在一定的誤差，可以利用水力仿真模擬軟件對注水泵的優化過程進行模擬計算，通過仿真模型計算的結果，調節各系統的運行參數，進而提高注水節能效果。

3）應加大新能源的替代研究，利用風能、光能轉換的綠電替代現有的工業用電，也可以大幅度降低注水系統的電能消耗。