低渗透油田注水系统效率评价及技术优化

李世荣，雷长森，江 涛，王喜东，隋晓东，陈 莉

(1.长庆油田公司 第四采油厂，陕西 靖边718500；2.北京长森石油科技有限公司，北京 100094)①

低渗透油田注水系统效率评价及技术优化

李世荣1，雷长森2，江 涛2，王喜东1，隋晓东1，陈 莉1

(1.长庆油田公司 第四采油厂，陕西 靖边718500；2.北京长森石油科技有限公司，北京 100094)①

由于低渗透油田在注水开发作业中，注水压力高、管网复杂，注水系统效率一直较低。从化子坪油田实例入手，按流程节点进行注水系统效率的测试、评价和优化，细化了注水系统效率的影响因素，并针对性地提出优化方案，实施后并取得了较好的节能效果。

注水系统；节点效率；评价；优化

我国大多数油田采用注水开发，注水耗电已占全国油田总耗电的33%～56%[1]。同国外油田比，我国油田注水工艺相对落后，注水系统效率较低。对于低渗透油田，由于油层致密、注水压力高，注水系统效率大部分在38%～50%，意味着50%以上的电能被浪费。

化子坪长2区属于低渗透油田，共有化一注、化一转、化四转、化六注等注水站4座、配水间73个、注水井183口、高压柱塞泵13台，电机总功率2 796 kW，注水管线长147.1 km，设计注水能力8 000 m3/d。2011年监测显示注水系统效率为33.1%(国内平均为47.8%)，远低于国内平均水平。因此开展低渗透油田注水系统效率的评价和优化研究，是提高效率、降低能耗、实施低成本可持续发展战略的重要课题。

1 注水系统效率

油田注水系统主要由电机、注水泵、回流调节阀、注水管网、配水间及注水井构成。除了注入地层的有效能量外，电机、注水泵、回流阀、管网、配水间及注水井等环节均会消耗能量，这些共同构成了注水系统的总能耗。注水系统效率是指注水系统末端具有的能量与输入该系统电能之比，即注水系统范围内有效功率与输入功率之比[2]。

对注水系统效率进行评价可依据3个行业规范：SY/T6569—2003《油田注水系统经济运行》、SY/T6275—2007《油田生产系统节能监测规范》、Q/SYCQ3404—2010《低渗透油田注水系统经济运行规范》。这3个规范对注水系统经济运行提出了具体的评价标准(如表1)。

表1 注水系统经济运行评价指标

2 研究思路

为便于与表1进行对应的评价和分析，可将注水系统按流程节点分成4个部分：泵机组、站内回流、注水干线和配水间阀组(如图1)。降低了这些节点的能量损失率，就可以提高系统效率。

根据系统效率测试数据，按行业标准对各节点的能耗情况进行评价，找出效率低下的节点、可能的影响因素以及可能的优化措施。对可能的措施方案及要求的配注量，代入机泵及管网参数、实际运行数据进行注水系统效率仿真分析，排除效率敏感性差的方案，保留有效措施方案。按仿真确定的有效措施方案进行技术改造，通过降低节点能耗来提高整个注水系统效率(如图2)，并通过再次测试来印证仿真分析及技术改造结果的有效性。

图1 注水系统能耗节点示意

图2 注水系统效率评价优化运行示意

3 注水系统效率测试与评价

2011年应用PMTS3.1型系统效率测试仪对长2区4座注水系统进行测试分析，平均注水系统效率为33.1%，被评价为不合格)。节点分析可以看出原因：化一注泵机组效率低、化六注回流损失率高、化一注等3个注水站的管线损失率高(如表2)。

表2 注水系统效率评价统计

4 提高系统效率的具体措施

4.1 提高机泵组效率

以化一注为例，2台泵均采用5DSB-46.6/20型往复泵，配套Y355L1-6型315 kW电机，机泵组效率只有63%(如表3)。

表3 化一注机泵组效率评价统计

注水泵的体积效率只有65.3%，说明注水泵存在严重的漏失。现场可以明显看到柱塞漏水，这是造成机泵组效率低下的主要原因。对于明显漏失的泵未予及时检修的原因是泵的型号较大，就算存在漏失也不影响所需要的排量，检修后提高了排量还需要更大的回流量来抵消，由此可见提高机泵组效率需要综合措施，不能只检修机泵。

后对化一注的2台泵进行了检修，更换了阀门组、柱塞和密封填料，用变频器代替回流阀来调整泵的排量。经此改造后化一注机泵组效率提高到76.7%，提高了14.7%。

4.2 频率优化消除回流损失

在油田注水开发中，注水井配注量是动态变化的，为了完成配注任务，必然要求注水系统的泵排量不小于最大的总配注量，在运行中通常采用回流方式控制注水系统压力。化子坪长2区4个注水站均采用高压柱塞泵，泵排量为7 308 m3/d，实际注水量为5 113 m3/d，回流量2 195 m3/d，回流损失率高达22.1%，是系统中最大的能量浪费。

柱塞泵是体积泵，实际排量与冲速及每冲的排量成正比，变频调速是降低和消除回流损失的有效手段。为注水电机安装变频器和PID调节器，PID调节器以干线压力为测量信号，与设定的压力进行对比，自动调整电机转速来控制泵排量。

变频调速虽可大量节能，但电机转速过低时往往造成通风散热不好而烧毁电机，这就是有些注水泵安装了变频调速装置之后现场操作人员也不愿意使用的原因。解决这个问题的方法是电机工作频率优化，再配以适当直径的柱塞，不但可以控制电机的温升，而且可以进一步降低电机损耗，提高泵机组效率。

以化六注4#泵为例，电机额定功率110 kW，工频运行时泵出口压力14.2 MPa、泵排量20.1 m3/h、运行功率98.87 kW，直接改成变频状态后运行频率为20 Hz、泵出口压力13.8 MPa、泵流量8.04 m3/h、运行功率42.76 kW，节电率56.75%。但变频运行0.5 h后电机的温度上升了16℃，操作人员担心烧坏电机而切换回工频运行。

电机散热主要是通风，与通风量成正比，与温差成正比。

电机温度变化是一个热平衡过程，转速下降造成通风减少，电机温度就会上升，温度上升增加了温差以达到新的平衡。因为通风量与转速成正比，对应的温差就与转速成反比。

采用北京长森公司的CSIPTS系统软件仿真化六注4#泵电机运行状态，结果如图3所示，对应于42.76 kW的运行功率，电机损耗最低点(3.26 kW)是频率31 Hz，电机温升最低点(49.2 ℃)是频率45 Hz，31～45 Hz均属于频率优化段，本文取中点38 Hz。

图3 化六注4#泵电机仿真结果

新柱塞直径按式(1)计算：

(1)

原柱塞直径Dl=55 mm，原工作频率Fl=20 Hz，新工作频率Fn=38 Hz，由式(1)计算新的柱塞直径Dn=39.9 mm，圆整后为40 mm。

按照仿真结果，电机工作在38 Hz时温升51 ℃，远低于B级绝缘电机允许的80 ℃温升。电机工作在20 Hz时温升是121 ℃，这需要更换允许温升125 ℃的H级绝缘电机才能工作。

4.3 降低管线损失

化一注、化一转、化四转等3座注水站的6条注水干线在区域上交叉重叠，平均注水半径达到7.6 km，平均管网损失达13%。其中化一注末端管线长11.9 km，注水压力由13 MPa下降到9.7 MPa，压力损失达3.3 MPa；化四转末端管线长8.2 km，注水压力由15.5 MPa下降到11.5 MPa，压力损失高达4 MPa。

通过CSIPTS系统软件对化一注仿真分析，发现管网效率低的主要原因是有3条干线由于管径细导致摩阻损失过大所致(如表4)，按优化方案实施后化一注的管线损失率可下降3.7%。

按照仿真优化方案，新铺注水干线4.8 km，并

对14个配水间归属重新划分(化一注末端配水间有4个改至化四转、2个改至化一转；化一转末端4个配水间改至化一注；化四转末端4个配水间改至化一转)。平均注水半径由7.6 km减少到5.1 km，沿程压力损失控制在1.5 MPa以内。

5 实施效果分析

措施实施后，2015-11，再次对长2区4座注水系统进行效率监测，各项指标均达到合格或优良(如表5)。

表5 措施后注水系统效率评价统计

化子坪长2区注水系统效率由33.1%提高到55.6%，提高了22.5%；注水单耗由8.8 kW·h/m3下降到6.2 kW·h/m3，年节电485×104kW·h，节约电费￥315万元。

6 结论

1) 注水系统优化评价技术通过对各节点效率指标的监测评价，能直接找到效率低下的节点，通过仿真分析找到问题并提出优化改造方案。

2) 注水站回流损失是造成注水系统效率低下的主要原因，利用变频系统调节泵速可大量节约电能。注水站变频改造之前一定要进行仿真优化，选取适当的柱塞直径和泵速，切不可让电机和注水泵在低速状态下长期运行。

3) 油田在规划设计时都会将注水站布置在注水辖区的中心，但在油田发展过程中注水区域会发生变化，因此需要及时仿真分析调整管网并清洗管线，控制注水半径范围不大于5 km，管网压力损失不大于1 MPa。

[1] 王红丽，王奎升．浅谈国内注水系统的节能问题[J]．石油矿场机械，2002，31(5)：7-10.

[2] 梁光川，郑云萍．油田地面注水系统效率分析[J]．西南石油学院学报，2001，23(2)：62-65.

[3] 任福深，陈素丽，杨萍萍，等.压差驱动往复式水力增压泵研究与应用[J]．石油矿场机械，2015，44(9)：18-21.

[4] 陶桂红，刘鹏，王侃，等.注水泵诊断控制系统研制[J]．石油矿场机械，2015，44(6)：86-88.

[5] SY/T6569—2003，油田注水系统经济运行[S].

[6] SY/T6275—2007，油田生产系统节能监测规范[S].

[7] Q/SYCQ3404—2010，低渗透油田注水系统经济运行规范[S].

[8] 翟全良，蒋青莲，李蛟真，等.变频调速控制系统在采油注水泵站的应用[J]．内蒙古石油化工，2009(19)：68-69.

Study on Efficiency Optimization of Water Injection System in Low Permeability Oilfield

LI Shirong1，LEI Changsen2，JIANG Tao2，WANG Xidong1，SUI Xiaodong1，CHEN Li1

(1.No.4 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Jingbian 718500，China；2.BeijingChangsenPetroleumSci-TechCo.，Ltd.，Beijing100094，China)

In low permeability oilfield high-pressure water injection system is often used，a large and complex pipe network，system efficiency has been low reason based on the 4th production plant water injection system efficiency testing in Changqing Oilfield，evaluation and optimization.And a new method is used to evaluate the system efficiency by the process node，highlighting the factors affecting of efficiency and puts forward optimization.Water injection system efficiency was significantly improved.

water injection system；node efficiency；evaluation；optimization

1001-3482(2016)12-0087-04

2016-06-21

李世荣(1973-)，男，江苏赣榆人，高级工程师，主要从事石油开发工作。

TE934.1

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.023