注水井井口增壓增注技術(shù)研究與應(yīng)用

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.009

摘" " 要：針對(duì)華北油田第三采油廠注水井欠注問(wèn)題中單井油壓高、注水困難的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的增壓泵和增壓方式進(jìn)行優(yōu)選，并利用物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)，形成智能化井口增壓注水系統(tǒng)。篩選得到的往復(fù)泵利用活塞交替進(jìn)行吸入和排出，以曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，有效壓頭高，能夠滿足注水井的高壓注入需求，適用于輸送小流量、高壓力、高黏度的液體；井口增壓中單泵對(duì)單井注入，技術(shù)參數(shù)易于匹配，工況狀態(tài)接近，對(duì)注水井啟動(dòng)壓力抬高的適應(yīng)性強(qiáng)，易于達(dá)到最佳的能量利用狀態(tài)，且減少了注水泵與注水井之間的能量損耗，避免了注水管網(wǎng)大規(guī)模的提壓改造，適用于注采效果好、區(qū)域系統(tǒng)管線更換成本高的邊緣零散井；局部增壓在計(jì)量站或閥組間注水壓力的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次增壓，增壓范圍以最高油壓井為依據(jù)，適用于局部區(qū)域管線承壓強(qiáng)、相對(duì)獨(dú)立的注水困難井集中且數(shù)量較多的區(qū)塊。針對(duì)增壓泵運(yùn)行可靠性要求高、管理難度大的難題，進(jìn)行智能化井口增壓注水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)，將增壓注入、安全保護(hù)、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)調(diào)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控等集成為一體，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

關(guān)鍵詞：注水井欠注；局部增壓；井口增壓；往復(fù)泵；智能化井口

Abstract：In response to the high oil pressure of a single well and difficulty in water injection in the third oil production plant of North China Oilfield， an intelligent wellhead boosting water injection system was formed by optimizing common boosting pumps and boosting methods， and utilizing IoT cloud technology. The selected reciprocating pump utilizes pistons for alternating suction and discharge， driven by a crank connecting rod mechanism， with a high effective pressure head， which can meet the high-pressure injection requirements of water injection wells. It is suitable for transporting small flow rates， high pressure， and high viscosity liquids. In wellhead pressurization， a single pump is injected into a single well with easy matching of technical parameters and close working conditions. It has strong adaptability to increasing the starting pressure of the injection well and is easy to achieve the best energy utilization state. It also reduces energy loss between the injection pump and the injection well， avoiding large-scale pressure boosting transformation of the injection pipeline network. This method is suitable for edge scattered wells with good injection and production effects as well as the high cost of replacing regional system pipelines. Local pressurization is a secondary pressurization based on the water injection pressure between metering stations or valve groups. The pressurization range is based on the highest oil pressure well and is suitable for areas with strong pipeline pressure， relatively independent water injection difficulties and a large number of blocks. In response to the high reliability requirements and management difficulties of booster pumps， an intelligent wellhead booster water injection system was designed. With IoT cloud technology， booster injection， safety protection， data collection， automatic control， remote monitoring， etc. are integrated to achieve unmanned operation.

Keywords：under-injected injection well; local pressurization; wellhead pressurization; reciprocating pump; intelligent wellhead

由于不同油藏儲(chǔ)層滲透率以及不同注水層位吸水能力的差異性，同一注水系統(tǒng)中存在部分注水井因注水壓力低導(dǎo)致注不進(jìn)、注不夠等現(xiàn)象。若通過(guò)系統(tǒng)提壓完成這部分水井配注將面臨兩個(gè)問(wèn)題：一是站內(nèi)注水設(shè)備、管線能力無(wú)法滿足提壓要求；二是系統(tǒng)提壓將大幅增加系統(tǒng)能耗，投資改造工作量大。為了滿足油田注水井提壓增注要求，實(shí)現(xiàn)高效能、低能耗注水，開(kāi)展井口增壓增注技術(shù)研究十分必要且具有實(shí)際生產(chǎn)意義。

1" " 注水井欠注情況分析

華北油田第三采油廠（以下簡(jiǎn)稱采油三廠）有注水站18座、注水系統(tǒng)24個(gè)，日注入量1.6 × 104 m3，平均配注完成率80%。對(duì)采油三廠注水井2023年8月份生產(chǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，全廠共有注水井524口，開(kāi)井328口，其中欠注井158口，日欠注1 985.68 m3，各區(qū)域注水井欠注情況如表1所示。

對(duì)注水井欠注原因進(jìn)行分析總結(jié)可知，主要原因有以下兩點(diǎn)。

1）單井油壓低，可以完成配注，但是由于生產(chǎn)原因或管理原因未能完成。

生產(chǎn)原因主要有：作業(yè)關(guān)停井、設(shè)備維修、地面工藝管線等原因未完成配注。

管理原因主要有：流量計(jì)排量調(diào)節(jié)不及時(shí)，造成配注未完成。

2）單井油壓高，油干壓壓差≤0.5 MPa ，單井注水困難，主要分為以下4種情況。

（1）注水泵出口壓力偏低。

（2）管線壓降符合要求，干壓提升空間小，單井油壓高。

（3）管線設(shè)計(jì)能力不滿足注水量需求，管線壓降大。

（4）管線結(jié)垢導(dǎo)致管徑縮小，管線壓降大。

注水系統(tǒng)最大工作壓力由安全閥的整定壓力決定。根據(jù)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50316—2000），裝有泄壓裝置的管道其設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)小于泄壓裝置開(kāi)啟的壓力；安全閥的開(kāi)啟壓力（整定壓力）除工藝有特殊要求外，為正常最大工作壓力的1.1倍，最低為1.05倍。根據(jù)以上兩條規(guī)定可以反推注水泵最大工作壓力，如表2所示。

注水泵出口壓力偏低的情況，欠注井所在注水干線實(shí)際壓降均不大，管徑能夠滿足生產(chǎn)需求時(shí)，可以通過(guò)提高注水泵出口壓力以滿足配注完成率；管線設(shè)計(jì)能力不滿足注水量需求、管線壓降大的情況，可以通過(guò)更換管線提高注水壓力；管線結(jié)垢導(dǎo)致管徑縮小，管線壓降偏大，管線口徑不能滿足生產(chǎn)需求，可通過(guò)管線清垢減小壓降[1]。

管線壓降符合要求，干壓提升空間小，單井油壓高，欠注井?dāng)?shù)量少，可以采取酸化解堵降壓措施或井口增壓措施增加注水量，減少因注水系統(tǒng)提壓增加能耗。對(duì)于敏感性較強(qiáng)的低滲透儲(chǔ)層，增壓注水杜絕了化學(xué)增注方法中二次沉淀造成的污染，因此建議采取井口增壓措施進(jìn)行增注[2]。

2" " 增壓泵和增壓方式的優(yōu)選

2.1" " 增壓泵的優(yōu)選

現(xiàn)有的工業(yè)用泵主要有離心泵、螺桿泵、往復(fù)泵，各類泵因結(jié)構(gòu)和原理的不同，分別具備各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1.1" " 離心泵

離心是物體慣性的表現(xiàn)，葉輪被泵軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)位于葉片間的流體做功，流體受離心作用由葉輪中心被拋向外圍。當(dāng)流體到達(dá)葉輪外周時(shí)，泵殼匯集從各葉片間拋出的液體，使其在殼內(nèi)順著蝸殼形通道向逐漸擴(kuò)大的方向流動(dòng)。離心泵適用于大排量輸送流動(dòng)性好、不含固體顆粒或高纖維的介質(zhì)[3]。

目前常見(jiàn)的離心泵結(jié)構(gòu)有立式結(jié)構(gòu)、臥式結(jié)構(gòu)、單級(jí)布置、多級(jí)布置等類型。離心式增壓注水泵主要包括地面離心泵和井下潛油離心泵倒置兩種方式，耐用且方便維修，輸出排量均勻穩(wěn)定，易于調(diào)節(jié)。但存在以下問(wèn)題：

1）單井增注泵排量較小，此時(shí)離心泵效率極低，平均只能達(dá)到60%，耗能也比較大；

2）電機(jī)為異步電機(jī)，能耗高；

3）地面離心泵的增壓范圍比較小，很難滿足高壓井的壓力需求。

2.1.2" " 螺桿泵

螺桿泵依靠螺桿與襯套相互嚙合，在吸入腔和排出腔產(chǎn)生容積變化來(lái)輸送液體，是一種內(nèi)嚙合密閉式泵。由于轉(zhuǎn)子和定子的特殊幾何形狀，分別形成數(shù)個(gè)單獨(dú)的密封腔。轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)將各個(gè)密封腔內(nèi)的介質(zhì)連續(xù)、均勻地從吸入端輸送到壓出端且容積不變。由于螺桿泵的介質(zhì)是被軸向、均勻推行流動(dòng)，所以內(nèi)部流速低，壓力穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生渦流和攪動(dòng)；適合輸送高黏度、含有固體顆粒或高纖維的介質(zhì)，以及要求連續(xù)輸送和壓力穩(wěn)定的場(chǎng)合[4]。

常見(jiàn)的螺桿增壓泵有立式和臥式兩種。立式增壓注水裝置（見(jiàn)圖1）采用大扭矩輸出的交流永磁電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)螺桿泵，將螺桿泵直接伸入油管向下注水。這種注水方式施工簡(jiǎn)單、占地面積小、安全環(huán)保節(jié)能。臥式增壓注水裝置（見(jiàn)圖2）只需改變進(jìn)、出口的管道即可，可實(shí)現(xiàn)多井同時(shí)注入，且這種注水方式不影響修井和測(cè)井作業(yè)。

2.1.3" " 往復(fù)泵

往復(fù)泵是利用活塞運(yùn)動(dòng)交替進(jìn)行吸入和排出，當(dāng)活塞從最左側(cè)向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，排出閥關(guān)閉，工作腔容積擴(kuò)大，液體在吸入壓力作用下頂開(kāi)吸入閥，直到活塞走到最右側(cè)為止。反之活塞從右向左行進(jìn)，利用缸內(nèi)壓力，自動(dòng)把吸人閥關(guān)閉，隨著活塞向前推移，液體在活塞作用下將排出閥頂開(kāi)，直到活塞走到最左側(cè)為止。然后周而復(fù)始進(jìn)行下去。往復(fù)泵適用于輸送小流量、高壓力、高黏度的液體，在石油化工行業(yè)大都使用這類泵[5]。

往復(fù)式增壓注水泵是油田注水系統(tǒng)中常見(jiàn)的重要設(shè)備，常用的可分為差動(dòng)柱塞式和剛性架式。目前，我國(guó)大多數(shù)油田都采用往復(fù)式增壓注水泵對(duì)注水井進(jìn)行增注，其以曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，一部分柱塞泵和隔膜泵以液壓方式驅(qū)動(dòng)，具有很高的有效壓頭，能夠滿足注水井的高壓注入需求，泵效一般可以達(dá)到85%以上[6]。

總體來(lái)說(shuō)，離心泵的成本高、功耗高、效率低、適用性比較差；往復(fù)泵價(jià)格是螺桿泵的40%、功率是螺桿泵的85%、整體系統(tǒng)效率比螺桿泵高10%，整體運(yùn)行成本低于螺桿泵。綜合各方面因素，建議選擇往復(fù)泵作為二次增壓泵。

2.2" " 增壓方式的優(yōu)選

注水困難井提壓增注的常見(jiàn)方式有3種，即局部增壓、井口高進(jìn)高出增壓、井口低進(jìn)高出增壓[7]。增壓方式的優(yōu)選分析見(jiàn)表3，井口低進(jìn)高出增壓方式未能有效利用來(lái)水管線壓力，浪費(fèi)能源，因此不建議選擇此方式。

2.2.1" " 局部增壓增注

在大王莊油田王四聯(lián)合站王九計(jì)、留62-6計(jì)、留107-1計(jì)、王十計(jì)等計(jì)量站分別進(jìn)行局部增壓，增壓初期，王九計(jì)和留62-6計(jì)計(jì)量站在增壓前后均按照地質(zhì)配注要求完成了注水任務(wù)（見(jiàn)表4），目前該注水系統(tǒng)停運(yùn)。2023年12月，留107-1計(jì)由于作業(yè)等原因只有留107-14井和留107-40X井正常注水，且完成配注（如表5所示）；王十計(jì)的留70-292X井大幅超配注完成，有4口井未完成配注，經(jīng)分析可知留70-274X、留70-284X、留70-296X、寧50-24X這幾口井是一條支線，其余3口井是一條支線，為防止水只往一口井注，留70-284X的流量計(jì)未完全打開(kāi)，保證均衡注水。

2.2.2" " 單井增壓增注

針對(duì)注采效果好、分布不集中且注水困難的注水井，以肅寧采油作業(yè)區(qū)留62-113X井為試驗(yàn)對(duì)象，采用臥式三柱塞往復(fù)泵作為井口高進(jìn)高出增注泵，進(jìn)行增壓增注試驗(yàn)研究。

臥式三柱塞往復(fù)泵主要由動(dòng)力端、液力端、傳動(dòng)部分、電機(jī)、底座等組成。動(dòng)力端主要由箱體、曲軸、連桿、十字頭等組成；液力端主要由泵頭、盤根盒組件、閥組件、柱塞、安全閥、蓄能器、壓力表等組成；泵組采用皮帶傳動(dòng)，傳動(dòng)比高，同時(shí)皮帶具有彈性，可緩沖沖擊和振動(dòng)載荷，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，噪音小。其中，泵頭采用整體鍛造，進(jìn)/排液閥采用不銹鋼材質(zhì)，采用彈簧預(yù)載，盤根盒組件采用盤根密封，導(dǎo)向環(huán)導(dǎo)向、柱塞進(jìn)行表面噴焊處理；進(jìn)/出口安裝電接點(diǎn)壓力表，用于進(jìn)/出口壓力保護(hù)，當(dāng)進(jìn)/出口壓力波動(dòng)范圍超出預(yù)設(shè)值時(shí)設(shè)備停機(jī)，保障安全運(yùn)行。安裝減壓閥，用于進(jìn)口壓力調(diào)節(jié)，保證設(shè)備正常高效運(yùn)行；出口安裝電磁流量計(jì)，自動(dòng)檢測(cè)流量并反饋至變頻器，變頻器控制注入泵主電機(jī)的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)注入量的實(shí)時(shí)控制與調(diào)節(jié)，自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)保證設(shè)備按照預(yù)設(shè)排量平穩(wěn)注入[8]。

井口增壓系統(tǒng)中單泵對(duì)單井注入，最大的難題是該流程機(jī)泵設(shè)置臺(tái)數(shù)多，運(yùn)行可靠性要求高，管理難度大，為此進(jìn)行智能化井口增壓注水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)，使整個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化操作以及GPRS遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有遠(yuǎn)程查看注水?dāng)?shù)據(jù)、遠(yuǎn)程調(diào)參、停機(jī)報(bào)警、工況實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，操作方便，利于集中化管理。控制器具備過(guò)流、過(guò)載以及出口壓力異常等保護(hù)功能，能在24 h無(wú)人值守的情況下正常運(yùn)行。整個(gè)裝置易于安裝和遷移，可以根據(jù)生產(chǎn)情況靈活應(yīng)用，適應(yīng)性強(qiáng)[9]。

整個(gè)試驗(yàn)的實(shí)施原則：1）根據(jù)注水指示曲線確定破裂壓力，控制增壓注水壓力不超過(guò)油層破裂壓力；2）油水井連通關(guān)系好；3）必須考慮所在單元的地應(yīng)力分布和裂縫走向等因素，提高驅(qū)油效率；4）穩(wěn)壓注水，防止注水量出現(xiàn)大的波動(dòng)。

2.2.3" " 效果評(píng)價(jià)

井口增壓：?jiǎn)伪脤?duì)單井注入，初期的技術(shù)參數(shù)易于匹配，工況狀態(tài)接近，對(duì)注水井啟動(dòng)壓力抬高的適應(yīng)性強(qiáng)，泵壓即等于回壓，易于達(dá)到最佳的能量利用狀態(tài)，能耗最低。此流程機(jī)泵設(shè)置臺(tái)數(shù)多，運(yùn)行可靠性要求高，管理難度大[10]。

局部增壓：調(diào)節(jié)方便，易于管理，適用于注水壓力高、分布零散、相對(duì)獨(dú)立的區(qū)塊，從技術(shù)、管理方面進(jìn)行對(duì)比分析優(yōu)于井口增壓；從效益方面考慮，可能需要大面積注水管線升壓改造，不能充分利用原設(shè)備流程，需要材料的再投入。

對(duì)于敏感性較強(qiáng)的低滲透儲(chǔ)層，增壓注水方法杜絕了化學(xué)增注方法中二次沉淀造成的污染。

3" " 井口增壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

留62-113X井應(yīng)用井口增壓增注裝置后，注水壓力由22.2 MPa提升至30.28 MPa（如圖3所示），月注水量由213 m3增至1 203 m3（見(jiàn)表6），實(shí)現(xiàn)了井口增壓增注的目的。

留62-113X井組目前注水層位為Es1xII油組，一線連通油井6口，注水連通油井4口，除了留62-111X井方向無(wú)明顯見(jiàn)效外，其余三口井在井口增壓增注后都有增油趨勢(shì)。如圖4所示，與62-113X水井對(duì)應(yīng)的留70-172油井，其產(chǎn)液量上升、含水率下降。

4" " 結(jié)論

1）在井口直接增壓注水，可以減少注水泵與注水井之間的能量損耗，避免了注水管網(wǎng)的大規(guī)模提壓改造，滿足了油田開(kāi)發(fā)配注要求。

2）井口增壓注水系統(tǒng)增注泵設(shè)計(jì)采用臥式三柱塞往復(fù)泵結(jié)構(gòu)，利用管線壓力，在原管線壓力基礎(chǔ)上進(jìn)行增壓注入工作，可有效節(jié)約能源，泵壓高，可增壓3～15 MPa，節(jié)能效果好。

3）智能化井口增壓注水系統(tǒng)將增壓注入、安全保護(hù)、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)調(diào)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控等集成為一體，具有智能控制、無(wú)人值守、安全高效等優(yōu)勢(shì)，能夠適應(yīng)油田發(fā)展趨勢(shì)，建議進(jìn)行推廣。

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作者簡(jiǎn)介：馬文娟（1993—），女，陜西咸陽(yáng)人，工程師，2019年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事注水工藝技術(shù)管理工作。Email：1819109837@qq.com

收稿日期：2024-09-03；修回日期：2024-11-19