聚合物配注系统能耗节点参数优化

王文庆 王广宇（大庆油田有限责任公司第六采油厂试验大队）

随着喇嘛甸油田聚合物驱油技术大规模开发应用，新增用能负荷与节能减排的矛盾日益突出，节能难度也越来越大；为此，需要加强聚合物配注系统的能耗管理与优化，挖掘节能潜力，控制配注系统的能耗节点，降低配注系统的能量消耗。

1 配注系统能耗分析

配注系统能耗主要包括聚合物配制过程中的配制能耗和聚合物溶液注入过程中的注入能耗。配制过程能耗节点包括分散初溶过程、母液熟化过程和聚合物溶液从配制站向注入站输送母液的外输过程，注入过程能耗节点主要是注入泵的电能消耗。近几年喇嘛甸油田配注系统耗电量统计：2009年为3450×104kWh，2010年为3850×104kWh，2011年达到了4160×104kWh，其中配制过程、注入过程分别占电能消耗的26%和74%。因此，控制配制过程、注入过程的能耗节点是减少配注系统能耗的关键。

2 配制过程能耗节点控制

2.1 优化分散初溶过程

分散初溶过程是母液配制的最初环节，以聚喇1#配制站分散系统进行母液分散初溶过程耗电为例进行分析（表1）。聚喇1#配制站共有A、B两套分散系统，采用微机自动控制运行，分别由1#、2#两台清水泵提供配制用水，运行时清水泵在额定排量下运行，造成整套分散设备频繁启停。通过为1#、2#清水泵加装变频器，控制电动机转速，从而控制清水流量，使两套分散系统实现连续运转配制，每天可以降低耗电600kWh左右。

表1 聚喇1#配制站优化分散初溶过程前后对比

2.2 控制母液的熟化时间

母液的熟化时间根据不同相对分子质量一般规定为140～240min[1]。为降低熟化过程的电能消耗，在实验室分别用大庆盐水配制相对分子质量1900×104、2500×104和3500×104，浓度为5000mg/L的聚合物母液溶液，定时取样，稀释至1000mg/L后检测溶液黏度、聚合物母液是否熟化完全和溶解是否均匀，通过实验数据绘制熟化时间曲线（图1）。

从熟化时间曲线分析，中分子量聚合物干粉熟化时间控制在120min，高分子量聚合物干粉和超高分子抗盐聚合物干粉熟化时间控制在190min即可达到熟化要求。实验室和现场井口取样结果表明，控制聚合物干粉熟化时间能够满足现场指标注入要求，日耗电也比以往分别降低350、850、1100kWh，既保证了配制质量又降低了电能消耗（表2）。

图1 熟化时间曲线

表2 控制熟化时间前后对比

2.3 调整熟化罐液位值

聚喇2#配制站共有100m3的熟化罐12个，为南中西5座注入站提供母液。使用干粉为相对分子质量3500×104的超高分子抗盐聚合物，母液浓度为6500mg/L，熟化时间为240min，平均输送母液量2800m3/d。因为聚合物干粉相对分子质量高，配制浓度高，所以需要熟化时间较长。

原熟化罐的高低液位设定值分别为80%、20%,1个熟化罐的熟化容量为60m3，如果将高低液位值调整为85%、15%，熟化罐容量就提高10个百分点，每罐液熟化量多出10m3，现有的熟化工艺仍然能够满足要求。目前的配制量需要熟化46罐母液，通过调整后只需要熟化40罐母液就能满足注入要求量，1天减少了6罐母液的熟化量，1罐母液的熟化时间为3h10min，电动机的功率为45kW，因此每天可以节约用电864kWh，降低了熟化系统的运行能耗。

2.4 减少外输泵的运行台数

外输系统是配制站的总输出环节，分散和熟化的工作状况要根据外输状况进行控制，原外输系统采用的是单泵单站外输模式，这种外输模式存在两大缺点：一是运行不平稳，设备间歇启停，外输设备故障频繁；二是外输压力大，能耗较高。因此应该尽可能地使外输泵连续运行，母液外输量在各时段平均分配。采用一泵两站的外输泵运行方式对外输系统进行优化，在原有工艺流程上增加了流量调节器，自动对两座注入站的外输量进行分配。

从聚喇3#配制站开展的一泵两站外输流程试验效果来看，外输泵对两座注入站实现连续供液使注入站储液槽液位保持稳定时，外输泵的工作频率在39Hz，工作时的电流为26A，每天消耗电能410 kWh，比单泵单站台泵的供液方式减少1台泵的耗电量；从运行时间来看一泵两站的运行时间接近单泵单站台泵的2倍，但是外输压力降低了0.25MPa左右，外输频率降低，耗电量减小。更重要的是，泵的启停次数减少为原来的1/3，运行更加平稳，外输泵的启停频次大大减少，基本上达到了连续运行的目的，使注入站储罐液位保持稳定，避免了由于原间歇运行方式造成冬季冻管线的危险。

通过对配制系统过程的节点控制，配制母液浓度平均为6000mg/L时，单耗由3.37kWh/m3下降至2.54kWh/m3，降低了配制过程的电能消耗。

3 注入过程中能耗节点控制

3.1 合理调整注入泵运行频率

注入泵在注入不同黏度的母液和采用不同注入工艺方式时，其单耗也有所不同。通过注入数据分析，在采用单泵单井注入工艺流程，注入母液黏度为2100mPa·s时，母液单耗为3.93kWh/m3；在采用一泵多井注入工艺流程，注入母液黏度为2800 mPa·s时，母液单耗为4.88kWh/m3。从母液单耗分析，在注入不同黏度的母液时，采用单泵单井工艺流程注入方式比采用一泵多井工艺流程注入方式的单耗要少，其原因一是采用一泵多井工艺流程的注入方式因各注入井注入压力不同，注聚泵需工作在最高注入井的压力上；二是黏度的不同使注聚泵的泵效也有所变化，注入黏度高，单耗也相应增加（图2）。

图2 流量与运行频率关系曲线

从单泵单井和一泵多井流量与运行曲线分析，如果电动机的运行频率低于35Hz，会造成泵效低，达不到地质方案注入要求；电动机转速变低，低转速运行会使风量变小，散热效果变差，电动机发热量变大，长时间运行容易烧毁普通三相异步电动机；低转速长期运行也会使注入泵的曲轴和轴瓦之间润滑不良，造成泵的损坏。当变频器的运行频率工作在45Hz以上时，泵的输出排量只增加0.12 m3/h，但工作电流却增加3.5A。综合以上，将变频器的运行频率调整在40～45Hz之间，能达到泵的最大使用效率，节电效果明显并且不会对机泵造成损坏。

以聚喇4-4#注入站的所有注入单井运行耗电进行试验，聚喇4-4#注入站为单泵单井注入工艺，所使用的注入泵均为科达泵，注入母液黏度2100 mPa·s，全站每天耗电2400kWh，在满足地质注入方案前提下，通过减小柱塞的直径、更换皮带轮减少注入泵的冲速，降低了泵的磨损和一部分电能消耗，再将变频器的运行频率调整在40～45Hz之间，全站降低电能消耗11%左右。

在采用一泵多井注入工艺流程的聚喇3-6#注入站，所使用的注入泵型号为QH-42-16,理论排量4.25m3/h,柱塞直径42mm，冲速40min-1，电动机皮带轮直径150mm，配用电动机功率30kW，注入母液黏度2800mPa·s，泵输出压力12.2MPa。首先将注入泵的柱塞直径更换成45mm，其他参数不变，调整后其理论排量应在5m3/h，但因其泵效原因实际输出排量为4.1m3/h，泵效为0.82，工作电流35A，每天耗电量553kWh。加入变频器调整运行频率，使其输出流量为4.1m3/h，其变频器的输入电流27A，每天耗电量426kWh，节电率为23%。

3.2 注聚压力编组运行

北北一区4座注入站采用的是一泵多井注入工艺，上返初期分别对地层剖面进行了调整。由于原注入模式是多台泵共同串联在同一条汇管上，不同单井注入压力和系统工作压力各不相同，各单井的注入压力上升幅度不同，导致单井注入压力差异较大。为了满足几口注入压力高的井的注入要求，就必须使汇管压力达到最高，从而使整个注聚系统始终在较高压力状态下运行，造成部分井压力损失严重，导致系统能耗增加[2]。

在一泵多井工艺中可以根据注入压力的变化与注入量的要求，采取压力编组（表3）的方法，把压力相当的井编到一组，分为高、中、低3组，采用单泵对应单套编组，这样可以适当降低中、低组泵的运行压力2.0MPa以上，不需要使整个汇管都保持在较高的压力状态。采取压力编组方式运行后降低了单套编组的运行压力，减少了注聚泵之间的互相干扰，保证了注聚指标的精准度，可以使整个系统降低11.8%的能耗。

表3 聚喇3-6#注入站压力编组情况

通过对注入过程的节点控制，注入母液浓度为2500mg/L时，单耗由2.57kWh/m3下降至1.78kWh/m3，降低了注入过程的电能消耗。

4 经济效益

通过对配制系统、注入系统各节点的参数优化，达到了从配制到注入过程能耗的整合控制，年减少耗电385×104kWh，节约标煤1540t。

表4 节能措施经济效益统计

5 结论

1）优化控制配制过程中的母液初溶时间、母液熟化时间，调整熟化罐高低液位值和母液外输过程中泵的运行台数等几个节点参数，降低了配制过程中能耗4%左右。

2）通过优化注入过程中注聚泵的运行频率，一泵多井采取压力编组运行方式，以及确定系统的最佳运行点，降低了注入过程中能耗6%左右。

[1]李杰训.聚合物驱油地面工程技术[M].北京：石油工业出版社,2008(10)：17-35.

[2]丁延国.聚合物配制系统工艺优化技术研究[J].大庆石油地质与开发,2000(4)：42-43.