油田注水管道系统运行效率测试及分析

曹世学，罗辉，杨金智，段晓苗

油田注水管道系统运行效率测试及分析

曹世学，罗辉，杨金智，段晓苗

（ 中国石油长庆油田分公司第五采油厂， 陕西 西安 710018）

注水地面系统是一个庞大复杂的系统，更是一个机械水动力系统，它有很多特点，其中最大的特点就是各个环节互相影响。油田注水的现场生产条件在满足了地质配注要求以及在一个安全的生产前提下整个系统是独立运行的时候，主导思想就变成如何使工艺流程和站内机泵系统在最低能耗条件下运行，工艺流程体现在注水管网系统，而最低能耗即是最低的调整改造投资和多目标的技术经济分析，最终实现了对注水系统的高效评价。

油田注水；注水管道；效率分析；系统测试

油田保持和稳定原油产量最基础的技术手段之一就是注水。油田进入中后期开采后，注水工作的重要性更加凸显。在油田生产的过程中，总耗电量已经超原油生产成本的60%（含机械采油），其中注水工作是电耗中的第一位，是机械采油的近两 倍[1]。目前，国家对节能降耗工作越来越重视，将其作为国民经济和社会发展的主要预期目标之一，并且将这一目标分解至央企和地方企业。各大油田既是能源生产大户，也是能源消耗大户，在油田开发的中期和后期，注水工作的耗能日益增多，占整个油田生产用能的比例越来越大，所以与注水相关的系统工艺的合理与否对整个生产系统的耗能影响是密切相关的[2]。随着开发时间的深入，注水系统工艺条件与系统设计条件发生了很大变化，同时随着油田注水开发的动态变化，注水工艺条件较与投产时相比已经发生了很大变化，部分注水站甚至整个注水系统都存在着明显的系统工艺不合理、能源消耗大、效率很低的问题[3]。

因此在油田开展注水相关的工艺研究，以及对注水系统效率的研究是很有必要的，然后再提出相应的建议和措施，来改善现状[4]。对注水泵、站进行优化设计，以及管网的优化配置，建立一套能耗低、能满足多井配注要求的最佳系统生产方式，提高泵效和改善注水设备的使用工况，达到提高注水系统效率、节能降耗、安全生产的目的[5]。并且对全油田注水系统进行效率普查，摸清油田注水设备的使用工况，对下一步改善注水情况，提高系统的效率，达到节能降耗的目的，对企业的发展打下基础，更是具有良好的社会效益和经济效益，是油田可持续发展的重要保障。

1 油田注水系统理论

1.1 油田注水系统

油田维持地层压力方式有很多，最主要的还是通过注水来实现的。但是随着注水开发技术的广泛应用，各大油田的总体含水率不断呈上升趋势，随着含水率的升高，在这种地质条件下进行的开发生产，必然引起一系列的技术新难题[6]。所以，为了保证油田的生产任务，保证产量的稳定甚至提高，在注水开发方面，消耗的能量也会随之增加。其次，随着开发的不断调整，对整个油田生产系统都会作出一系列调整，对各种设备以及各种生产条件都会作出相应的改变和调整，这样就必然导致系统的效率跟不上，从而影响产量和生产，也是就意味着注水效率跟不上，产量即会大幅度降低[7]。所以，从实际出发，结合生产现场情况，想要降低油田的生产成本，提高各个系统尤其是注水系统的工作效率，首要的任务就是要降低各个环节的能量消耗。

在油田开发生产的过程中存在很多环节，并且由很多子系统组成，其中主要组成之一就是注水系统。注水系统的作用有很多，其中最主要的还是保持地层压力，提供地层能量，保证油田生产的需要，使产量稳定甚至提高[8]。目前，国内油田也是大量运用注水方法来生产，同时注水的耗能也是相当大的，占整个生产系统相当大比重。注水系统效率的高低，会影响实际生产中的很多环节，它作为反映油田注水系统的重要指标，尤其是地面工程的重要经济综合指标，包括了很多节点的效率，例如注水站效率、管网效率等[9]。前者相比之下概念较大，主要包括注水泵和电机的效率，而后者的概念相对较小，一般是指注水阀门或者管线的效率。根据各大油田数据的统计和反映，注水的耗能情况不容乐观，占总电耗的34%~55%。这个比重已经相当大，说明了我国的注水工程技术还不是很先进，跟国外技术一比落后了一大截。我国各大油田的注水系统效率各不相同，但是大都分布在39%~51%的范围内，相比之下，大庆油田的总体效率较高，可以达到55%。

1.2 注水系统效率影响因素分析

1.2.1 注水设备效率

根据油田实际，结合现场生产情况，合理选择电机型号，尽量选择节能型电机。例如，当油田注水水温度太高、水中所含盐分蒸发快以及遇见腐蚀性较强的注入水时，应当选用封闭式电机；在实际生产的过程中，电机的选择是相当重要的，一定要注意一些细节问题，看看电机与注水泵的匹配度是否合理，能避免的情况一定要避免，不要因为一些低级错误而导致电机效率下降，出现一系列可以避免的问题，那就是得不偿失。

目前，国内的油田的注水泵平均效率大约是72%，是低于中石油的要求的，并且国外的水平都是高达80%以上。注水泵效率低的原因有很多，注水泵由于型号不同，本身的效率也会不尽相同，和其他环节的匹配和选型也是会影响泵效。另外，泵的型号选择不恰当，回流也是会引起泵效的降低。因此，在实际生产过程中，一定要注意选择合理的注水泵型号，不要因为回流而引起更大的损失，要注意注水泵的型号与实际的注入量的一个匹配，这样才能将注水泵的效率发挥到最大，才能使该注水泵平稳运行，达到最佳的状态，从而降低能耗的损失。例如，要选择柱塞泵的条件是，注入量不大的情况下，特别是在压力比较高、渗透率比较低、断块小而多的情况下，则是优先选择柱塞泵；和离心泵在同等条件下相比较，其在很多方面都比较优越，尤其是水力效果、泵的效率以及泵的漏失方面都很不错。一般的情况下，一个注水站的离心泵的台数大概为2~3台，假如泵的工作状态已经达到很好的程度，但是增大注入量后，效果还是不如预期的好，那么可以适当增加泵的数量。

1.2.2 注水管网效率

注水管网效率是一个相对比较专业的词汇，它的定义基本上是固定的，即是将注水井压力、每日的注水量、注水泵出口的压力以及泵的日排水量4个参数通过一定关系所得到的一个值。注水管网的效率可以由很多因素引起，其中最重要的因素就是泵出口至井口的管网压力的损失和实际注入量与泵的排出量的比值。根据油田生产的实际情况，很多条件下与注水管网会相互限制，在设计的初期，很有可能因为一些设计不合理，或者是注水管网上的连接件的不合理的匹配，导致了注水系统中的一些管网会有沿程损失，另外就是局部配件的损失也可能过大，从而降低了注水管网的效率。

1.2.3 系统运行的合理性

注水系统庞大而复杂，从地面工程开始，一直到井口，都是由各个子系统组成的，每个环节都很重要。如果哪一个环节出现了问题，整个系统的效率显然就会受到影响。如果各个环节的匹配没有达到最佳状态，没有符合生产需要，那么整个系统也不可能达到最高的效率状态。例如，注水管网的效率低下，存在着和其他部分不合理的匹配现象，必定会使注水泵在运行的时候偏离高而有效的区间；另外，在不同的开发时期，随着注水程度复杂性的变化以及地质条件的不断变化，可能需要经常来根据实际调整整体的注水方案，以便适应不同时期的开发需求，这样才能满足不断变化的注入量的需求。但是，往往现场人员的技术和经验不够，而且很多一线员工都没有专业的理论知识基础，对于注水现场出现的一些技术问题难以判断，在某些程度上会耽搁问题的处理和技术难题的解决。并且他们对注水的重视程度也不是那么高，也不知道怎样的工作状态才是注水系统的最佳工作状态，他们认为只要系统在不间断的工作，那就是好的。久而久之，就造成了系统的不合理运行，导致效率越来越低。现场注水量也会随着改变，但是整个系统的注水参数不能及时作出相应的改变，这样就加剧了效率低下的可能性。

1.2.4 注水工艺的完善性

在整个注水流程中，每个环节的工艺都是不同的，各个环节的工艺要求也是不一样的。注水工艺是一项实现油田生产并且保持稳定产量甚至增加产量的一项长效工程。所以它对各方面的技术要求会有更严峻的考验，在使系统方案达到最佳的状态，在其核心技术的配套方面，都会有其相应的需求。虽然各大油田依赖注水生产已经很长时间，但是在技术层面上，依旧没有一套完整的、严谨的、科学的考核指标来进行注水现场的评判。技术方面的不全面，导致相应的管理制度等也不完善，考核的时候没有具体的技术依靠，就不能指导注水相关技术越来越高效。

2 注水系统测试计算

2.1 注水地面系统效率测试方法

为了了解注水系统的工作状态，在其正常运行的条件下，了解它各个环节的用电情况以及注水管网消耗能量的状况，对注水的各个环节都要了解清楚，看看它们的主要能量损耗都存在哪些细小的环节。分析完整个注水系统之后，收集各个环节的数据并将其整理好，作为测试的依据，为后期的改造提供基础的数据保障。 测试的内容主要有以下3个方面：

1）注水站的电机组成系统测试， 包括与电机相关的各个节点的参数测试以及电能的输入和损失而引起的相关参数测试。

2）注水站和注水泵的测试，包括注水泵的各个参数以及泵的能量损失等环节的测试。

3）管网的测试，包括整个注水管网中的注水站内的地面管线，注水站到配水间之间的连接干线，以及配水间到井口的管线等，它们沿程的各个节点的压力和流量也是测试内容。

2.2 注水系统同步测试法

1）每个注水站包括了很多小的注水区块，把这些小区块作为测试的小单位，对它区域里所包含的注水站、配水间以及注水井都要进行测试，并且这个测试是同步的，然后间隔同样的时间再记录一次测试的数据。

2）根据进行测试的区域内的注水情况，选定指定的测试部分，在测试的时候，需要将工作人员分布到各个点上，指导各个监测点的数据录入，等到工作人员就位完毕之后，必须同一时间进行测试。

3）在注水站中进行的测试，电机测试须要测量很多参数，包括电压、电流、功率因素以及电机的运行效率等。然而注水泵的参数主要以测试流量和压力等数据为主。并且在测试完这些数据以后，要生成一份当日的生产报表，以便日后计算使用。

4）在进行管网运行的参数的测试的时候，工作人员必须记录下以下参数，包括配水间的来水压力、单井的注入压力、每天的注水量等。另外还有注水井口的油压，也需要专门的工作人员去记录填写。

5）等到各个节点的所有资料和参数录取完毕之后，要将这些资料第一时间送到资料存档，最后由测试的工作人员进行数据的录入。

2.3 注水系统同步测试及工况优化分析软件

组态软件通过采集系统硬件将数据采集后，还需要专业的数据分析软件处理分析，为此利用编程语言VisualBasic，通讯组件opcdaauto.dll X86 2.02.5.30，报表组件Spreadsheet 11.0，图形组件ChartSpace 11.0，数据库Access 2010、SQL Server 2000等工具开发了注水系统效率监测与优化软件。编制出的系统分析及优化软件，主要有以下几种功能：可以根据实际情况，合理设置参数；管理注水井的基础数据；采集生产过程中的一些数据；分析各类生产报表；预测一些注水方案等。各类报表和曲线如下：①实时测试数据报表包括泵机组信息表、井实时信息表、压力系统效率信息表等，可以实时显示包括泵进、出口压力、电流、电压、功率因数、机组效率、单耗等运行参数。②水井信息表，可以实时显示包括干线（汇管）压力、注水压力、注水量、阀组效率等运行参数。③压力系统运行参数实时信息表，可以实时显示包括压力系统平均机组效率、汇管压力、阀组效率、配注合格率等运行参数。④分析诊断报表。⑤分析诊断曲线。

3 结束语

开发了注水系统效率测试系统，测量精度和系统误差符合标准要求，实现了系统各节点电量、压力、流量等动态参数的同步采集，提高了注水系统效率测试的准确性。

［1］王莹钰.油田地面工程注水系统运行效率研究[J].中国石油和化工标准与质量，2018，38（22）：36-37.

［2］张海.延长油田注水站实时远程分析系统的研制与应用[J].油气田地面工程，2018，37（12）：68-72.

［3］梁永图，周星远，邱睿，等.大型环枝状油田注水管网系统运行优化[J].中国石油大学学报（自然科学版），2018，42（6）：121-132.

［4］冯杰.分压注水技术在小营油田的应用[J].精细石油化工进展，2020，21（1）：13-15.

［5］冯杰.分压注水技术在小营油田的应用[J].精细石油化工进展，2020，21（1）：13-15.

［6］尉亚民，邢台，周思柱，等.尕斯油田注水系统诊断及优化设计[J].石油天然气学报，2010，32（2）：157-160.

［7］杜宁波，李俊成，朱名昭.提高靖安油田注水系统效率技术研究与应用[J].石油化工应用，2010，29（7）：39-42.

［8］董耀蔚.确保新民油田平稳高效注合格水的措施[J].油气田地面工程，2013（11）：82-83.

［9］张瑞杰，常玉连，任永良，等.油田注水系统生产运行优化[J].钻采工艺，2005，28（5）：44-46.

Test and Analysis of Operation Efficiency of Oilfield Water Injection Pipeline System

,,,

（No.5 Oil Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an Shaanxi 710018, China）

Water injection surface system is a huge and complex system,and it is also a mechanical hydrodynamic system. It has many characteristics,among which the most important feature is that different links affect each other. When the field production conditions of oilfield water injection meet the requirements of geological injection allocation, under the premise of a safe production, the whole system operates independently, the dominant idea will become how the process flow and pump system in the station can operate under the condition of minimum energy consumption. The process flow is reflected in the water injection pipe network system, the lowest energy consumption is the lowest adjustment and transformation investment and multi-objective technical and economic analysis, which finally realizes the efficient evaluation of the water injection system.

Oilfield water injection; Water injection pipeline; Efficiency analysis; System test

2020-08-08

曹世学（1984-），男，陕西省西安市人，中级工程师，研究方向：油田开发。

TE357.6

A

1004-0935（2021）01-0103-04