油田注水泵節(jié)能降耗技術(shù)研究

顧紅根

摘 要：本文首先分析了油田注水系統(tǒng)，然后探討油田注水泵能量，最后提出油田注水泵節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)，包括泵控泵（PCP）技術(shù)、變頻控制技術(shù)、注水泵涂膜技術(shù)，并總結(jié)了各個技術(shù)和方法的應(yīng)用效果。研究表明：三種技術(shù)都能有效降低注水泵能源消耗。在實際使用過程中，工作人員應(yīng)該針對實際情況選擇合適的節(jié)能降耗技術(shù)。

關(guān)鍵詞：油田;注水泵;節(jié)能降耗技術(shù);泵控泵技術(shù);變頻控制技術(shù);注水泵涂膜技術(shù)

中圖分類號：TE934.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0050-03

Abstract： This paper first analyzed the oilfield water injection system， then discussed the energy of oilfield water injection pump， and finally put forward the key technologies of energy saving and consumption reduction of oilfield water injection pump， including pump controlled pump （PCP） technology， frequency conversion control technology and water injection pump coating technology， and summarized the application effects of various technologies and methods. The research shows that the three technologies can effectively reduce the energy consumption of water injection pump. In the actual use process， the staff should select the appropriate energy-saving technology according to the actual situation.

Keywords： oil field;water injection pump;energy saving and consumption reduction technology;pump controlled pump technology;frequency conversion control technology;coating technology of water injection pump

在海上油田實際生產(chǎn)過程中，當不同油田的開發(fā)周期進行到不同階段時，注水量也會隨之改變。因此，在不同地點和不同周期下，注水量差異較大，會對水管網(wǎng)造成一定的壓力。為了調(diào)節(jié)此類設(shè)備的壓力，常采用打回流的方式或者調(diào)節(jié)注水泵出口閥。但是，這兩種方法都會耗費大量的電能，并且難以保證機器的最佳運行狀態(tài)，還可能導致管線和泵體存在安全隱患。由此，本文主要分析油田注水泵節(jié)能降耗技術(shù)。

1 油田注水系統(tǒng)

油田注水系統(tǒng)包括閥組、注水井、配水間、水站、注水管網(wǎng)等，工藝流程如圖1所示。注水系統(tǒng)是通過注水井向開采中的油層注水以補充能量，保持壓力，恢復油井液面，并且增大油井的供液量。

配水間的作用是把注水站來水，經(jīng)分水器總閘門、單井注水上、下流控制閘板閥、水表計量與各單井井網(wǎng)管線連接進行注水。因此，配水間不僅可以統(tǒng)計單個注水井的壓力和注水量，而且可以控制壓力和注水量，部分配水間甚至還具有洗井等功能。

現(xiàn)代注水泵工藝中，主要使用的注水泵分為往復泵和離心泵兩種。其中，往復泵是通過工作腔內(nèi)元件（活塞、柱塞、隔膜、波紋管等）的往復位移來改變工作腔內(nèi)容積，從而使被輸送流體按確定的流量排出的一種機械。往復泵多被用在壓力高和需求注水量少的注水系統(tǒng)中，因為只有各類外置原動機才可以提供其往復位移元件工作中所需要的能量[1]。離心泵分為多級離心泵和單級離心泵，兩者之間最顯著的區(qū)別在于，單級離心泵葉輪數(shù)為一級，而多級離心泵葉輪數(shù)為二級以上。

2 油田注水泵能量分析

注水系統(tǒng)的能量主要包括三部分，即有效能量、各項損失能量及總輸入能量。注水系統(tǒng)的有效能量指當往地下層注水時，作業(yè)所需要的能量;各項損失能量由四個部分組成，分別是水管網(wǎng)損失能量、泵機損失能量、回流損失能量及閥組和站內(nèi)管線的損失能量;總輸入能量也由四個部分組成，分別為增壓泵電機輸入能量、儲水罐水位勢能、注水泵電機輸入能量以及喂水泵電動機輸入能量[2]。

從圖1可知，海上平臺采油工作中，注水系統(tǒng)的主要耗能由四個部分組成：第一部分是當注水系統(tǒng)將水注入地下油層所需的供給能量;第二部分是注水系統(tǒng)中泵機組的電機運轉(zhuǎn)所需的供給能量;第三部分是注水泵運轉(zhuǎn)所需的供給能量;第四部分是管網(wǎng)摩阻損失造成的能量損耗。在這四部分中，第二部分耗能占比約為4%，而目前海上采油平臺平均運行效率約為77%。

綜上所述，海上采油平臺的注水系統(tǒng)需要消耗大量電能。在筆者所在的QK18-1油田和QK17-3油田平臺上分別裝有裝機容量為4 500 kW和3 000 kW的主電站。QK18-1油田的采油平臺上的主電站裝有3臺1 500 kW的發(fā)電機組，QK17-3油田設(shè)在WHP2平臺上的主電站則裝有2臺1 500 kW的發(fā)電機組。雖然油田不同，但是注水系統(tǒng)消耗的電能仍然占據(jù)整個油田生產(chǎn)系統(tǒng)的35%左右。在持續(xù)工作中，節(jié)約電能的要求被重視。因為注水系統(tǒng)需要消耗巨大電能，現(xiàn)代技術(shù)在持續(xù)更新和發(fā)展之下，也陸續(xù)出現(xiàn)了許多節(jié)約能量的設(shè)備和技術(shù)。

3 油田注水泵節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)

3.1 泵控泵（PCP）技術(shù)

采油平臺中出現(xiàn)注水系統(tǒng)耗能過大和注水泵工作效率不理想的主要原因有以下幾方面。第一，工作參數(shù)誤差。注水泵工作參數(shù)的誤差，會導致管壓波動，進而影響注水管網(wǎng)的壓力，增加注水泵的工作負荷，注水泵排量降低，使注水泵達到目標排水量需要的時間變長，電能消耗也隨之增加。第二，注水管網(wǎng)老化。這類情況多出現(xiàn)在建設(shè)時間較長的油田中，因為設(shè)備老舊或者磨損嚴重而影響注水泵的工作效率。第三，流量損失嚴重。目前，因大部分注水系統(tǒng)缺少回流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，導致難以發(fā)現(xiàn)管線被腐蝕造成的問題，一些較為特殊的地理因素也會導致不能及時發(fā)現(xiàn)管線滲漏等問題，從而造成注水系統(tǒng)流量損失，工作效率降低。

泵控泵（Pump Control Pump，PCP）技術(shù)是降低注水泵電能消耗的主要措施之一，而變頻技術(shù)和離心泵串聯(lián)則是此技術(shù)的基礎(chǔ)。當注水泵超負荷運轉(zhuǎn)時，PCP技術(shù)可以降低注水系統(tǒng)負荷量，并增加注水壓力，通過調(diào)節(jié)注水泵和增壓調(diào)節(jié)泵之間的相互作用，實現(xiàn)共同作業(yè)的目標。注水泵工作過程中，可能會出現(xiàn)電機過載、流量過大或者干壓過高等現(xiàn)象，為了防止此類現(xiàn)象的發(fā)生，需要使用增壓調(diào)節(jié)泵來控制，使閥門處于完全打開的狀態(tài)，以通過調(diào)節(jié)泵有效地平衡能量和控制壓力。若使用憋壓的方式，在此過程中，閥門是不能完全被打開的[3]。

3.2 變頻控制技術(shù)

注水泵電機匹配也會導致電能損耗過大。開采初期，在設(shè)計注水系統(tǒng)時，設(shè)計的參數(shù)遠大于實際機泵的額定功率。由于設(shè)備成本高，不能隨意更換，因此，影響工作效率，導致高耗能問題。注水泵的設(shè)備保養(yǎng)和維修情況也會影響其工作效率。因此，為了保障注水泵電機工作效率的同時減小其電能損耗，需要將變頻控制技術(shù)運用到注水泵電機優(yōu)化設(shè)計中。

在應(yīng)用變頻技術(shù)的過程中，需要考慮到油田的實際情況，結(jié)合生產(chǎn)需求和地理環(huán)境，除壓力傳感器外，還會應(yīng)用到變頻器、調(diào)節(jié)器等設(shè)備，保障電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。傳感器的使用是為了及時有效地傳輸和反饋注水泵的運行情況，變頻器和調(diào)節(jié)器是接受反饋情況的終端，根據(jù)具體運行情況進行自我調(diào)節(jié)。變頻控制技術(shù)的使用實現(xiàn)了注水泵流程的簡化，取消了儲水罐和喂水泵兩道程序，有效避免了水源井的反復啟動和停止，實現(xiàn)了注水泵的自動化，在節(jié)約電能的基礎(chǔ)上，降低了工作人員的勞動強度[4]。

3.3 注水泵涂膜技術(shù)

泵涂膜所采用的材料是由美國貝爾佐納公司生產(chǎn)的1341增效涂層氟樹脂。氟樹脂具有耐高溫、耐老化、耐腐蝕性、摩擦系數(shù)小、不導電等特性，并具有較強的噴涂黏結(jié)力和附著力，能夠很好地光潔機件表面，保證注水泵葉輪在高速旋轉(zhuǎn)過程中涂層不破損、不脫落。涂有氟樹脂的機泵泵件表面比拋光后的不銹鋼還要光滑20倍，因其具有不沾水的特性，使水直接從表面滑過，從泵內(nèi)經(jīng)過的液體減少了分界層和液體內(nèi)部的渦流，進而大大降低了功率消耗，增加了流速[5]。注水泵涂膜前后對比如圖2所示。

4 應(yīng)用效果與評價

泵控泵（PCP）技術(shù)可以在降低注水泵負荷的同時，增大流量，使調(diào)節(jié)泵和注水泵同步工作，在不浪費流量的情況下，完全打開注水閥門，提高工作效率并降低能耗。

在使用前置泵變頻調(diào)參系統(tǒng)時，多數(shù)使用計算機控制系統(tǒng)來進行優(yōu)化控制，可以控制流量閉環(huán)和注水泵壓力閉環(huán)，實現(xiàn)小功率增壓變頻運作，有效保障了注水泵的運行狀態(tài)。

注水泵涂膜可以有效減小液體介質(zhì)流動時的摩擦力，從而通過小功率大流速和提高流速升高水壓的方式來減少能耗，是提高整體效率的重要方法之一。

5 結(jié)語

本文首先分析了油田注水系統(tǒng)，然后探討油田注水泵能量，最后提出油田注水泵節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)，并總結(jié)了各個技術(shù)和方法的應(yīng)用效果。在實際生產(chǎn)過程中，工作人員應(yīng)根據(jù)不同油田的實際情況，采取針對性的節(jié)能降耗技術(shù)，以有效實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

參考文獻：

[1]張夢華.油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗分析[J].化工管理，2020（5）：52-53.

[2]周杰，濮新宏，王海軍.淺談油田注水泵變頻諧波現(xiàn)狀[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2018（9）：47-49.

[3]張清波.油田注水泵PCP節(jié)能改造的探討[J].科技資訊，2012（4）：90.

[4]李琪.油田注水泵節(jié)能降耗技術(shù)與應(yīng)用探究[J].石化技術(shù)，2018（7）：113.

[5]于金梅.注水泵涂膜技術(shù)應(yīng)用與分析[J].價值工程，2011（9）：29.