吐哈油田注水系统问题分析

马燕 刘红祥 贾双杰 艾秋顺 张军

（1.吐哈油田分公司技术监测中心节能监测站；2.吐哈油田分公司鄯善采油厂）

1 现状

注水系统是由注水站、配水间和注水管网相互联系的一个庞大复杂的系统。其基本流程为：水源—注水站—管网—配水间—注水井—地层，其中地面部分的流程为：水源—注水站—管网—配水间—注水井井口，地下部分的流程为：注水井—地层。从注水流程可以了解到注水系统主要具有以下特点[1]：系统规模庞大；系统变量多、参数多；系统具有相关性；系统结构多样；功能多。为了分析影响吐哈油田注水系统效率因素，挑选了9个注水系统进行测试，9个注水系统的评价数据如表1[2]。

表1 9个注水系统的评价数据

2 注水系统问题分析及相应节能整改措施

通过测试、计算9个注水系统效率和注水系统效率存在问题的分析因素，确定了影响吐哈油田注水系统效率有以下六个方面问题，并针对相应的注水系统问题提出相应的节能技术措施。

2.1 泵机组效率低

抽测的9个注水系统中共运行14台注水泵，通过测试、评价，14台运行注水泵的泵机组效率、泵效率和电动机效率如表2。

表2 抽测注水泵运行情况

表3 10台低效率泵机组运行参数

14台注水泵的泵机组效率平均值66.96%，与标准GB/T 31453—2015《油田生产系统节能监测规范》指标大于或等于72%比对，仅有4台达到指标，泵机组效率偏低，偏低原因主要有负荷低、泵效率低的原因。针对注水机组效率低的原因具体进行分析。对10台低效率泵机组进行统计，其运行参数汇总如表3。

2.1.1 负荷低

通过表2可以看出，东成站注水系统、丘陵35 MPa注水系统、胜北25 MPa注水系统和鄯善联合站25 MPa注水系统（温西六区域）4个注水系统的注水泵运行负荷比额定偏差较大，东成站注水系统、丘陵35 MPa注水系统和胜北25 MPa注水系统使用了变频控制柜装置，有效提高了注水泵机组效率，但仍然存在一定的提升空间；鄯善联合站25 MPa注水系统（温西六区域）运行负荷低且没有使用变频控制柜，泵机组效率仅为52.68%。根据实际情况提出相应的节能措施。

1）实施阶梯泵改造，使泵站运行组合的种类增加[3]。为了便于管理，原设计一座泵站只配置一种型号的注水泵，在排量不匹配的注水泵站能源浪费较为严重。

鄯善采油厂丘陵35 MPa注水系统，原安装有5ZB-12/42注水泵（额定流量13.9 m3/h）8台，目前日注水量410 m3左右，正常开泵1～2台，使用中常出现1台不足，注水泵超负荷运行，开2台泵供水能力过大，采用变频控制和注水泵改岗技术，但注水泵实际运行效率偏低。针对这种情况，建议实施多型号台阶式配置改造并配置变频控制柜，将2台5ZB-12/42注水泵分别更换为3ZS-4/50型（35 MPa/5.5 m3/h）、3H-8/450Ⅱ型 （37 MPa/8.3 m3/h） 注水泵各l台，这样能根据实际注水量选择合适额定排量注水泵搭配，改善注水泵的运行工况，提高系统的注水泵效，提高注水系统效率，达到降低能耗的目的。

温米东成站注水系统，目前安装了5ZB-12/42型注水泵（额定流量13.9 m3/h）3台，最大日注水量300 m3左右，测试时日注水量在112 m3，正常开泵1～2台，最大注水量是需要1.5台的额定排量，测试的运行排量为额定排量40%，采用变频运行，泵机组效率为63.70%。建议实施多型号台阶式配置改造并配置变频控制柜，将1台5ZB-12/42型注水泵更换为3ZS-29/13型（35 MPa/6.9 m3/h），根据需要注水量合理选择注水泵投用，提高注水泵效和注水系统效率，达到降低能耗的目的。

2）采用变频控制技术[4]。实现注水系统排量与压力的自动调节，达到节能降耗目的。柱塞泵与离心泵相比，首先是其自身效率相对较高，并且当前低压变频调速技术相对成熟及国产化，可以对其采取有效的变频调速控制，通过调节电动机转速，对泵排量及出口压力进行调节，在满足注水压力需求的前提下，确保注水站在无回流状况下运行。

鄯善联合站25 MPa注水系统（温西六区域）的运行注水量为9.17 m3/h，注水站出口压力27.2 MPa，额定流量20.2 m3/h，额定压力是25 MPa，工频运行。通过运行数据与额定参数对比，注水泵效率行低的原因是实际注水量远低于额定排量，处于“大马拉小车”现象，同时没有采取任何节能措施，工频运行。考虑实际注水情况，建议对鄯善联合站25 MPa注水系统（温西六区域）B12#注水泵安装变频控制柜，降低运行频率，调节电动机转速，达到合理调配流量作用，提高注水泵机组效率；或者更换注水泵运行，使用小的额定排量注水泵，如额定排量为13.9 m3/h注水泵。

2.1.2 泵效率低

泵机组运行效率是电动机效率与泵效的之积，泵机组效率低两个方面的影响：一是电动机效率低；二是注水泵的效率低[5]。

玉北脱水站42 MPa注水系统运行的4台注水泵，4台注水泵机组的平均效率为64.87%，4台注水泵中有3台工频运行，平均负荷在88%，基本符合额定工况运行要求，另外1台变频运行，运行频率为35.0 Hz，因此玉北脱水站42 MPa注水系统处于高负荷运行。泵机组处于高负荷运行状态，其运行效率达不到公司要求，原因是4台注水泵的泵效率低，平均只有74.69%。经过分析和检查，发现造成玉北脱水站42M Pa注水系统泵效低的原因是注水泵严重腐蚀。系统注水的的水质矿化度异常的高，最高可达8×104mg/L，通过处理后，注水泵入口的矿化度仍有1×104mg/L左右，造成注水泵严重腐蚀。注水泵缸的腐蚀程度如图1所示。

图1 玉北脱水站注水系统注水泵缸的现场

为了提高玉北脱水站42 MPa注水系统的系统效率，需要提高注水泵机组效率，提高注水泵效率，减少泵的腐蚀。目前鲁克沁采油厂根据已经对注水泵进行了改造，将注水泵更换为材质最好的，目前仍然腐蚀严重。建议考虑改变注水系统的水质，降低注水水质的腐蚀性，可以考虑采取以下措施：牺牲阳极法，由于在注水泵缸里无法进行，考虑在注水泵前段的水罐进行补充介质所需要的电子方法，即在水罐增加锌块或其他易失去电子金属，降低介质腐蚀性；净化法，安装污水升华装置，对系统的水进行处理，降低系统矿化度，但本方法前提是降低矿化度的水注入地层不影响与地层的水融和；药剂法，在进入注水泵的水加入防腐剂，降低水质对注水泵缸的腐蚀；涂膜法，在注水泵的缸体和阀体等部位涂上防腐膜，能够很好的防止垢的生成和对泵的腐蚀，同时减小运行中的机械损失，并能增加流速来提高整体效率，从而降低能量损耗。

2.2 机泵搭配不合理

功率与负荷合理匹配，避免“大马拉小车”现象出现。注水泵厂家一般出于安全考虑，所配电动机功率偏大，造成“大马拉小车”，电动机出力不足，无功功率损失大。因此，应根据注水泵运行中所需的最大轴功率，选配合适功率的电动机。

西峡沟注水系统属于电动机功率和负荷匹配不合理问题，西峡沟注水系统的注水泵型号为3ZS-4/50，其额定排量为5.9 m3/h，额定输出压力为14 MPa，根据注水泵额定参数计算，其需要的功率为23 kW。该泵配置的电动机型号是YVP280M-6，额定功率为55 kW。从泵的额定参数和电动机的额定参数比对，此泵配置的电动机过大，属于“大马拉小车”现象，造成泵机组运行效率低，仅有61.19%。根据注水泵的实际情况更换合适功率的电动机，建议使用37 kW或者45 kW功率的电动机。

2.3 注水系统压力相差大

注水井注入压力差别大，导致注水站压力等级匹配不合理，系统能耗较高。为了分析注水系统压力匹配问题，对抽测的9个系统单井压力进行统计，统计表如表4。

吐哈油田地处哈密盆地，主力油区以火山岩层地质为主，地质情况复杂，地层吸水性差别较大，同一区块注水压力相差较大。目前各注水站都采用注水站集中增压，配水间节流降压注水，注水能耗较高。例如胜北注水站，所辖胜北302、胜北3-6等注水井，井口注入压力达23.5 MPa，为满足个别注水井注入压力需求，注水系统在24 MPa压力等级运行；而胜北注水站在用的8口井中，有6口注水井注入压力均低于9 MPa，需在单井节流降压，如胜北3-34、胜北4-2井注入压力仅需4～5 MPa，节流降压幅度达18 MPa，能源利用率不高，注水单耗较高，系统效率低。

表4 注水系统单井压力统计

另外，有的油田地质状况复杂，注水井的注入压力相差很大，为保证所有注水井的正常注水工作，注水管网来水压力不得不采取“就高不就低”的原则，即注水管网压力不能低于注水井最高注入压力，低压注水井的节流损失浪费能量，这样就造成无谓的能量浪费，注水能耗较高。玉果7注水站，共有7口注水井，单井压力大于系统压力等级85%的有3口，低于系统压力等级的70%有4口，基本各占一半，导致系统效率只有31.72%，系统单耗为0.897 6 kWh/(MPa·m3)，属高耗能运行。

据统计，出现单井压力范围广，相差的主要出现在吐鲁番采油厂，下面将针对不同注水系统出现的单井注水压力分布情况提出相应的解决措施。

1）单井增压注水技术。一个注水系统中，单井需要的高压注水比例低时，适当降低注水系统的压力，而对少数高于系统压力的注水井采用增压注水泵，是注水井增注和提高系统效率、降低系统能耗的有效措施之一[6]。

胜北注水系统注水站出口压力23.5 MPa，系统中需要此高压井只有2口，占整个系统单井的25%，注水压力分别为21.0 MPa和23.5 MPa；2口井的注水量为1.459 m3/h，占整个系统注水量的17.4%。其他6口注水井需要的压力分别为8.5、8.4、6.8、5.0、4.0和0 MPa。所以根据胜北注水系统单井注水压力分布，建议采用单井增压注水技术，系统压力降为8.5 MPa，对2口高压的注水井采用增压，提高到所需要的注水压力。这样大大降低了井口阀组节流损失，提高注水系统效率。

2）地面水力自动调压节能注水技术。机理：利用干线压力与低压注水井之间的压差，通过配水间调压泵组，将低压注水井阀控损失压力转化为增压动力，提升来水压力满足高压注水井需求。根据原理此技术适应注水系统中，高压注水井与低压注水井比例相当，或者高压注水井需要的能量偏低，这样可以降低系统压力，利用地面水力自动调压节能注水技术，把系统压力与低压注水压力中间的能量转换到需要高压注水井上，提高高压注水井需要。

果7注水系统和葡北注水系统可采用该技术。2个系统的注水井压力大于注水站出口压力70%分别有3口井和6口井，占系统总数分别为43%和37.5%，注水量占比为40%和38%。因此可以降低2个注水系统的压力等级，通过地面水力自动调压节能注水技术，把低于压力等级的注水井的能量转移到需要高于压力等级的注水井，以提高压力，满足高压注水井压力要求。注水系统降低输入能量，减少低压井损失能量，可以很大程度上提高注水系统效率。

2.4 存在回流量

吐哈油田均采用高压柱塞式注水泵注水。由于油田注水量的波动，注水泵难以调节水量部分，高压水打回流造成能源的浪费。目前吐哈油田采油很多变频装置，解决了柱塞泵排量调节的问题，降低了能耗。目前因为注水系统运行状况的变化没有及时调整注水泵运行工况，仍然存在回流现象。抽测的9个注水系统中果7注水系统存在回流量。

抽测期间，果7注水系统在用的注水井有7口，注水量9.996 m3/h，而注水站的注水泵的排量为14.996 m3/h，存在5 m3/h的回流量。存在回流量的原因是果7系统的西面正在钻井，钻井附近的注水井关闭、停注，而系统没有根据停住情况调整注水泵运行的频率，降低注水泵的排量，而是直接打回流，造成了能量的损失，降低了注水系统的运行效率。建议根据实际现场注水井运行情况，及时调整注水泵的运行频率，使注水量与注水泵排量吻合，避免出现打回流现象。

2.5 管线结垢导致部分注水干线及单井管线压力损失大

吐哈油田采出水处理后回注量占油田总注水的72.33%。管道输送处理后的油田采出污水，不可避免地产生结垢问题，管道结垢不但会加速管道腐蚀，而且加大了管道沿程摩阻系数，导致系统压力损失较大，注水系统单耗上升。如雁木西联合站到雁20配水间φ114×13的配水支干线，管线长度3738 m，起点压力为23.8 MPa，沿程压降达1.8 MPa，理论计算压力损失不应大于0.08 MPa。建议采取污水处理装置，提高注水的水质质量，或者在介质中加入防腐剂，减少管线结构和腐蚀。

2.6 注水泵备用系数高

当前吐哈油田共建有注水泵182台，常用80台，备用86台，停用16台。其中丘陵注水站建有注水井244口，当前开井94口，站内注水泵运7备15。注水泵数量多且备用系数大，但多数没有梯级配置，即未能体现节能，又增加了维修保养成本。建议公司范围内进行合理调配，资源充分利用，提高设备利用系数，起到物尽其用的目的。

3 采取措施后节能量评价

3.1 提高注水泵机组效率节能量评价

通过以上分析，泵机组效率低的主要原因有负荷低、泵效低和机泵搭配不合理等。针对每个系统的具体情况，提出了实施阶梯泵改造、采用变频控制技术、降低注水水质的腐蚀性、更换合适功率的电动机等整改措施，通过整改泵机组效率将大大提高。注水泵机组效率低的系统有：鄯善采油厂丘陵35 MPa注水系统、温米东成站注水系统、鄯善联合站25 MPa注水系统（温西六区域）、玉北脱水站42 MPa注水系统和西峡沟注水系统等5个系统。5个系统运行9台注水泵，平均泵机组效率63.22%，平均输入功率168.31 kW，低效率泵机组如果通过整改按照效率提高到吐哈注水系统泵机组效率平均水平81%，则5个系统可节约电量为291.31×104kWh。

3.2 提高系统效率节能量评价

1）单井增压注水技术节能量的评价。通过分析，适合采用单井增压注水技术的注水系统是胜北注水系统，系统注水站出口压力23.5 MPa，输入功率84.43 kW，注水量是8.367 m3/h。系统如果采取单井增压注水技术，系统的注水压力可以降到9 MPa，不需要增压的注水量为6.908 m3/h，则该系统可节约电量为37.64×104kWh。

2）地面水力自动调压节能注水技术节能量的评价。通过分析，适合采用地面水力自动调压节能注水技术的注水系统是果7注水系统和葡北注水系统。果7注水系统运行参数：输入功率143.29 kW、注水站出口压力27.2 MPa、注水量14.996 m3/h，考虑采用地面水力自动调压节能注水技术，系统压力可以降到18 MPa；葡北注水系统运行参数：输入功率141.16 kW、注水站出口压力27.6 MPa、注水量15.135 m3/h，考虑采用地面水力自动调压节能注水技术，系统压力可以降到18 MPa。则采用此技术的2个系统节约电量分别为：果厂注水系统42.46×104kWh、葡北注水系统43.01×104kW。

3.3 减少回流量节能量评价

在分析9个注水系统中，果7注水系统存在回流，回流量为5 m3/h，如果通过及时调整注水泵的运行频率，使注水量与注水泵排量吻合，避免出现打回流现象。系统的注水单耗为14.33 kWh/m3，此运行状况按照运行2个月计算，则避免回流可节约电量为10.32×104kW。

通过对9个注水系统分析，查找出存在问题，并提出了相应的节能技术措施，通过评价分析，采取相应节能技术措施后，9个系统年可节电量为424.77×104kWh。

4 结论

注水系统作为一个多变量、动态的系统，对其进行优化无论用经典的还是现代的优化理论去求解，都会遇到很大的困难。因此对注水系统进行多方面的研究，确定其影响因数，提出解决方案，达到提高注水系统效率，减低能耗的目的就更为重要。通过吐哈油田注水系统存在问题进行了分析探讨，并提出相应的节能技术措施，采用节能技术措施后，通过评价分析，采取相应节能技术措施后，9个系统年可节电量为424.77×104kWh。