基于PIPENET的伊拉克油田注水系统设计与分析

张祎达 王鹏 王钟慧 袁国清 李庄

中国石油工程建设有限公司北京设计分公司

近年来，随着“一带一路”政策的部署和推进，中国石油海外工程建设业务把握机遇，面对中东地区激烈的油田市场竞争环境，突破了BP、美孚、阿美、壳牌、ADNOC 及KOC 等高端市场的油田工程建设项目。通过对不同地区项目进行对比，发现海外多数大型油田处于含水期开发，持续稳产难度逐年加大，为提高采收率和采油速度，使油田长期高产稳产，均采用向油层注水的方式补充能量，保持或提高油层压力，维持油田的合理开采速度。油田注水质量的好坏也直接影响油田开发效果，在油田含水率上升期，为提高注水质量，不仅需要对中心处理站的采出水处理系统进行升级扩容，还需对站外注水系统进行逐年扩建。

1 项目背景介绍

伊拉克某油田注水系统根据油田开发方案，采用分压注水方案，注水前期采用低压注水系统，井口压力2～3 MPa(G)；注水后期采用高压注水系统，井口压力为4.8～14.8 MPa(G)。注水水源为油田采出水，由于前期油田产生的采出水较少，注水前期采用河水作为补充水源。随着油田含水率上升，处理后的油田采出水将逐步取代补充水源。注水系统地面设施主要包含注水罐、低压喂水泵、低压输水管线、高压注水泵、注水阀组、高压注水管线、井口设施等。油田采出水和河水分别经过处理达到油田注水水质标准后，经注水罐缓冲，前期通过喂水泵直接进行低压注水，后期再经注水泵加压实现高压注水。

本项目注水罐及喂水泵设置在中心处理站内，高压注水泵及注水阀组设置在4 座注水增压站内，36 个注水井平台分布在注水增压站周围。注水系统流程如图1所示。

图1 注水系统流程Fig.1 Flow of water injection system

高压注水泵电动机设置变频器VFD（Variablefrequency Drive），通过调节注水泵的变频器及注水阀组的节流阀开度，实现控制各注水增压站及各注水井的流量。喂水泵和注水泵的数量及参数如表1所示。

表1 高低压注水泵设置Tab.1 Setting of high and low pressure water injection pumps

2 水力计算与分析

通过PIPENET 软件进行注水系统建模，模型中以喂水泵吸入口作为模型起始点，以注水井口作为模型终点。根据上述项目信息确定起始点所提供的流量和压力，将最大注水压力14.8 MPa(G)作为模型终点压力输出值，同时在单井管线上建立注水阀组节流阀的模型来控制单井注水流量，在模型上通过调节注水泵的开启数量及变频频率，从而使各注水井满足所需的压力和流量。

该项目喂水泵集中设置在一处，将水源输至4 座增压泵站给注水泵供水，各增压泵站所辖注水井数不一，系统较为复杂，水量不易匹配。根据流体力学理论，在复杂管网系统中，考虑到管道串联、并联不同的水力特性，根据管路的能量和质量平衡方程，沿管网内水体流动的方向，建立注水管网的水力计算模型，通过水力仿真算法能够进行环状、枝状或者环-枝状混合管网的精确水力计算，摸索注水站、配水阀组、注水井的匹配规律，通过注水系统动态数据及管网结构，确定注水站、配水阀组及注水井等参数的匹配关系，为注水系统的管网设计和注水泵开启数量及频率设置提供重要设计依据及指导[1]。同时，通过瞬态模拟对注水系统在停泵、关阀等一些容易产生水击的工况进行安全性验证，为系统的安全性设计提供保障。

2.1 基本参数设定

基本参数设定包括流体物性、起点参数、终点参数、喂水泵特性、注水泵特性、注水管道和阀门的属性等设置。其中，流体物性主要包括密度、黏度、饱和蒸气压、弹性模量等参数。注水管网的属性数据包括管段参数和节点参数：管段参数包括管段的起点和终点的编号、管长、管径、管材以及粗糙度等参数；节点参数包括节点编号、流量以及压力数据等参数。阀门需设定阀门类型、材质、尺寸、流量系数等参数。喂水泵及注水泵需导入泵性能曲线，注水泵需设置不同频率下的性能曲线[2]。

本项目共含36 口注水井，其中1#注水增压站管辖9口，2#站管辖11口，3#站管辖4口，4#站管辖12 口。单井每天最大流量为10 000 bbl，单井每天平均流量为5 700 bbl，注水井口压力最高值为14.8 MPa(G)。注水介质为河水/采出水，注水介质参数如表2所示。

表2 注水介质参数Tab.2 Water injection medium parameters

注水管道地上材质为双相不锈钢，地下材质为玻璃钢，管道特性参数如表3所示。

表3 管材特性参数Tab.3 Pipe characteristic parameters

2.2 稳态模拟

稳态模拟目的是通过模拟假定的注水工况，得出注水泵出口流量、配水阀组角阀流量及压降、注水井口流量及压力值，根据假定工况初步模拟结果，再进行计算参数调整（包括注水泵的工作频率和各配水阀组区角阀的压降值），最终确定注水泵最佳运行工况。稳态模拟将所有注水井都考虑为要求的平均流量和要求的最大注水井压力，参考2.1章节，为保护站外高压玻璃钢管线，需保证泵出口压力小于16 MPa(G)，通过变频器调节电动机频率，防止超压出现，并同时满足所有注水井的所需流量和压力。根据注水井口数量、分布和单井配注量拟定的高低压注水泵运行工况如表4所示。

表4 拟定的高低压注水泵运行情况Tab.4 Proposed operation status of high and low pressure water injection pumps

通过模拟计算，发现注水泵输量、出口压力、调频及注水井口的匹配出现问题，再通过反复调整高压注水泵组电动机频率，使高压注水泵性能曲线发生变化，从而使整个注水系统相互匹配，最终确定合理的稳态模型，确定后的喂水泵、注水泵运行工况及模拟结果如表5所示。

表5 调整后的高低压注水泵模拟结果Tab.5 Simulation result of adjusted high and low pressure water injection pumps

2.3 瞬态模拟

瞬态模拟基于调整后注水泵运行稳态模型基础上进行水击模拟。根据ASME B31.4—2019 标准，水击压力不应超过设计压力的110%[3]。目前，低压部分管道设计压力为4 MPa(G)，管道的最大允许水击压力为4.4 MPa(G)。高压部分管道设计压力为16 MPa(G)，管道的最大允许水击压力为17.6 MPa(G)。

瞬态模拟水击分析考虑两种情况：紧急关停高压注水泵造成的水击压力影响；阀门瞬时关闭产生的水击压力影响（考虑闸板松动或损坏造成闸板瞬间关闭的极端情况）[4-5]。

2.3.1 紧急停泵

紧急停泵考虑两种工况，工况1：考虑任意一个注水增压站忽然失电情况下，该站内正在工作的全部高压注水泵忽然紧急停车；工况2：考虑所有注水增压站忽然失电情况下，所有正在工作的高压注水泵忽然紧急停车[6-7]。

在工况1 下，通过对4 个注水增压站的模拟，发现1#注水增压站中注水泵紧急停车是最不利情况。计算结果表明，1#注水增压站的水击压力最小值是高于饱和蒸汽压力的，未出现负压情况；此时注水泵的最大进口压力为3.93 MPa(G)，低于设计压力的1.1 倍（图2）。因此，1 个注水增压站的紧急停泵并不会出现汽蚀或超压情况。

图2 工况1高压注水泵进口压力计算结果Fig.2 Calculation results of inlet pressure of high-pressure water injection pump under working condition 1

在工况2下，计算结果表明，整个注水系统的水击压力最小值是高于饱和蒸汽压力的，未出现负压情况；注水干线最大水击压力值为4.55 MPa(G)，超过玻璃钢管道的最大允许水击压力4.4 MPa(G)（图3）。因此，系统需考虑水击保护/消除措施以保证管网系统安全性，详见2.3.3节。

图3 工况2低压转水干线压力计算结果Fig.3 Calculation results of low-pressure water transfer main line pressure under working condition 2

2.3.2 阀门瞬间关闭

阀门瞬间关闭考虑两种工况，工况3：考虑任意1 个注水增压站内的任意1 个配水阀组总阀门突然关闭（脱落）；工况4：考虑在任意1个注水井口阀门突然关闭（脱落）[8-9]。

在工况3 下，进行瞬态模拟，经过对4 个注水增压站模拟，得出1#注水增压站关闭1个配水阀组总阀门是最不利情况，模拟结果如图4所示。

图4 工况3阀前压力模拟结果Fig.4 Simulation results of valve inlet pressure under working condition 3

在模拟过程中发现，在关闭阀门的瞬间，泵出口/配水阀组阀门进口压力会达到17.0 MPa(G)，低于1.1倍设计压力，因此没有水击超压现象出现。

在工况4 下，通过瞬态模拟得出任意1 个注水井口阀门突然关闭对注水系统的影响很小，最大水击压力不会超过设计压力的1.1 倍，模拟结果如图5所示。

图5 工况4阀前压力模拟结果Fig.5 Simulation results of valve inlet pressure under working condition 4

2.3.3 超压保护措施

根据经验，从正常操作压力到水击压力的形成时间在5 s 以上时，可以通过设置PSV 保护系统进行压力泄放，投资较低；但从正常操作压力到水击压力的形成时间在5 s 及以下时，PSV 可能无法及时打开泄压，应考虑设置专用水击泄压阀。本项目的水击超压产生迅速，故采用水击泄压阀进行防水锤保护设计。模型中设置水击泄压阀，当阀门开度在50%～70%，且阀前压力可以回落到正常操作压力时，即可认为该水击泄压阀可有效消除水击且尺寸适宜[10]。

图6 为工况2 下低压注水泵后设置水击泄压阀的计算结果。该结果显示，水击泄压阀开度在40%～65%之间波动、阀前压力在4 MPa(G)上下波动（小于玻璃钢管道的最大允许水击压力4.4 MPa(G)），该结果说明水击泄压阀可有效消除水击。

图6 工况2水击泄压阀模拟计算结果Fig.6 Simulation calculation results of water hammer relief valve under working condition 2

3 结束语

在油田整体开发方案中，依据油田产能及地质情况，对油田地面工程注水系统提出总体设计思路，按油田产量年份预测规划不同时期注水任务。为验证规划的合理性和可实施性，以及保障设计的安全性，需进一步开展注水系统水力模拟计算。同时在水力模拟计算中，可分析注水泵的选型及性能参数、变频器的控制参数、管网输量与管网尺寸是否匹配及合理，以满足项目要求的配注能力。

本文通过稳态和瞬态模拟计算，得出管网水力损失，完成注水泵开启数量及工作频率选择，平衡管网流量、流速、管径尺寸和压降之间关系，满足全部注水井口配注量及压力要求，对于水击超压情况，提出设计水击泄压阀的措施，为下一步设计提供参考。