油田注水管道系統(tǒng)運(yùn)行效率測試及分析

曹世學(xué)，羅輝，楊金智，段曉苗

油田注水管道系統(tǒng)運(yùn)行效率測試及分析

曹世學(xué)，羅輝，楊金智，段曉苗

（ 中國石油長慶油田分公司第五采油廠， 陜西 西安 710018）

注水地面系統(tǒng)是一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，更是一個機(jī)械水動力系統(tǒng)，它有很多特點(diǎn)，其中最大的特點(diǎn)就是各個環(huán)節(jié)互相影響。油田注水的現(xiàn)場生產(chǎn)條件在滿足了地質(zhì)配注要求以及在一個安全的生產(chǎn)前提下整個系統(tǒng)是獨(dú)立運(yùn)行的時候，主導(dǎo)思想就變成如何使工藝流程和站內(nèi)機(jī)泵系統(tǒng)在最低能耗條件下運(yùn)行，工藝流程體現(xiàn)在注水管網(wǎng)系統(tǒng)，而最低能耗即是最低的調(diào)整改造投資和多目標(biāo)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，最終實(shí)現(xiàn)了對注水系統(tǒng)的高效評價。

油田注水；注水管道；效率分析；系統(tǒng)測試

油田保持和穩(wěn)定原油產(chǎn)量最基礎(chǔ)的技術(shù)手段之一就是注水。油田進(jìn)入中后期開采后，注水工作的重要性更加凸顯。在油田生產(chǎn)的過程中，總耗電量已經(jīng)超原油生產(chǎn)成本的60%（含機(jī)械采油），其中注水工作是電耗中的第一位，是機(jī)械采油的近兩 倍[1]。目前，國家對節(jié)能降耗工作越來越重視，將其作為國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的主要預(yù)期目標(biāo)之一，并且將這一目標(biāo)分解至央企和地方企業(yè)。各大油田既是能源生產(chǎn)大戶，也是能源消耗大戶，在油田開發(fā)的中期和后期，注水工作的耗能日益增多，占整個油田生產(chǎn)用能的比例越來越大，所以與注水相關(guān)的系統(tǒng)工藝的合理與否對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的耗能影響是密切相關(guān)的[2]。隨著開發(fā)時間的深入，注水系統(tǒng)工藝條件與系統(tǒng)設(shè)計條件發(fā)生了很大變化，同時隨著油田注水開發(fā)的動態(tài)變化，注水工藝條件較與投產(chǎn)時相比已經(jīng)發(fā)生了很大變化，部分注水站甚至整個注水系統(tǒng)都存在著明顯的系統(tǒng)工藝不合理、能源消耗大、效率很低的問題[3]。

因此在油田開展注水相關(guān)的工藝研究，以及對注水系統(tǒng)效率的研究是很有必要的，然后再提出相應(yīng)的建議和措施，來改善現(xiàn)狀[4]。對注水泵、站進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以及管網(wǎng)的優(yōu)化配置，建立一套能耗低、能滿足多井配注要求的最佳系統(tǒng)生產(chǎn)方式，提高泵效和改善注水設(shè)備的使用工況，達(dá)到提高注水系統(tǒng)效率、節(jié)能降耗、安全生產(chǎn)的目的[5]。并且對全油田注水系統(tǒng)進(jìn)行效率普查，摸清油田注水設(shè)備的使用工況，對下一步改善注水情況，提高系統(tǒng)的效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，對企業(yè)的發(fā)展打下基礎(chǔ)，更是具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，是油田可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

1 油田注水系統(tǒng)理論

1.1 油田注水系統(tǒng)

油田維持地層壓力方式有很多，最主要的還是通過注水來實(shí)現(xiàn)的。但是隨著注水開發(fā)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各大油田的總體含水率不斷呈上升趨勢，隨著含水率的升高，在這種地質(zhì)條件下進(jìn)行的開發(fā)生產(chǎn)，必然引起一系列的技術(shù)新難題[6]。所以，為了保證油田的生產(chǎn)任務(wù)，保證產(chǎn)量的穩(wěn)定甚至提高，在注水開發(fā)方面，消耗的能量也會隨之增加。其次，隨著開發(fā)的不斷調(diào)整，對整個油田生產(chǎn)系統(tǒng)都會作出一系列調(diào)整，對各種設(shè)備以及各種生產(chǎn)條件都會作出相應(yīng)的改變和調(diào)整，這樣就必然導(dǎo)致系統(tǒng)的效率跟不上，從而影響產(chǎn)量和生產(chǎn)，也是就意味著注水效率跟不上，產(chǎn)量即會大幅度降低[7]。所以，從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場情況，想要降低油田的生產(chǎn)成本，提高各個系統(tǒng)尤其是注水系統(tǒng)的工作效率，首要的任務(wù)就是要降低各個環(huán)節(jié)的能量消耗。

在油田開發(fā)生產(chǎn)的過程中存在很多環(huán)節(jié)，并且由很多子系統(tǒng)組成，其中主要組成之一就是注水系統(tǒng)。注水系統(tǒng)的作用有很多，其中最主要的還是保持地層壓力，提供地層能量，保證油田生產(chǎn)的需要，使產(chǎn)量穩(wěn)定甚至提高[8]。目前，國內(nèi)油田也是大量運(yùn)用注水方法來生產(chǎn)，同時注水的耗能也是相當(dāng)大的，占整個生產(chǎn)系統(tǒng)相當(dāng)大比重。注水系統(tǒng)效率的高低，會影響實(shí)際生產(chǎn)中的很多環(huán)節(jié)，它作為反映油田注水系統(tǒng)的重要指標(biāo)，尤其是地面工程的重要經(jīng)濟(jì)綜合指標(biāo)，包括了很多節(jié)點(diǎn)的效率，例如注水站效率、管網(wǎng)效率等[9]。前者相比之下概念較大，主要包括注水泵和電機(jī)的效率，而后者的概念相對較小，一般是指注水閥門或者管線的效率。根據(jù)各大油田數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和反映，注水的耗能情況不容樂觀，占總電耗的34%~55%。這個比重已經(jīng)相當(dāng)大，說明了我國的注水工程技術(shù)還不是很先進(jìn)，跟國外技術(shù)一比落后了一大截。我國各大油田的注水系統(tǒng)效率各不相同，但是大都分布在39%~51%的范圍內(nèi)，相比之下，大慶油田的總體效率較高，可以達(dá)到55%。

1.2 注水系統(tǒng)效率影響因素分析

1.2.1 注水設(shè)備效率

根據(jù)油田實(shí)際，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)情況，合理選擇電機(jī)型號，盡量選擇節(jié)能型電機(jī)。例如，當(dāng)油田注水水溫度太高、水中所含鹽分蒸發(fā)快以及遇見腐蝕性較強(qiáng)的注入水時，應(yīng)當(dāng)選用封閉式電機(jī)；在實(shí)際生產(chǎn)的過程中，電機(jī)的選擇是相當(dāng)重要的，一定要注意一些細(xì)節(jié)問題，看看電機(jī)與注水泵的匹配度是否合理，能避免的情況一定要避免，不要因?yàn)橐恍┑图夊e誤而導(dǎo)致電機(jī)效率下降，出現(xiàn)一系列可以避免的問題，那就是得不償失。

目前，國內(nèi)的油田的注水泵平均效率大約是72%，是低于中石油的要求的，并且國外的水平都是高達(dá)80%以上。注水泵效率低的原因有很多，注水泵由于型號不同，本身的效率也會不盡相同，和其他環(huán)節(jié)的匹配和選型也是會影響泵效。另外，泵的型號選擇不恰當(dāng)，回流也是會引起泵效的降低。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一定要注意選擇合理的注水泵型號，不要因?yàn)榛亓鞫鸶蟮膿p失，要注意注水泵的型號與實(shí)際的注入量的一個匹配，這樣才能將注水泵的效率發(fā)揮到最大，才能使該注水泵平穩(wěn)運(yùn)行，達(dá)到最佳的狀態(tài)，從而降低能耗的損失。例如，要選擇柱塞泵的條件是，注入量不大的情況下，特別是在壓力比較高、滲透率比較低、斷塊小而多的情況下，則是優(yōu)先選擇柱塞泵；和離心泵在同等條件下相比較，其在很多方面都比較優(yōu)越，尤其是水力效果、泵的效率以及泵的漏失方面都很不錯。一般的情況下，一個注水站的離心泵的臺數(shù)大概為2~3臺，假如泵的工作狀態(tài)已經(jīng)達(dá)到很好的程度，但是增大注入量后，效果還是不如預(yù)期的好，那么可以適當(dāng)增加泵的數(shù)量。

1.2.2 注水管網(wǎng)效率

注水管網(wǎng)效率是一個相對比較專業(yè)的詞匯，它的定義基本上是固定的，即是將注水井壓力、每日的注水量、注水泵出口的壓力以及泵的日排水量4個參數(shù)通過一定關(guān)系所得到的一個值。注水管網(wǎng)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網(wǎng)壓力的損失和實(shí)際注入量與泵的排出量的比值。根據(jù)油田生產(chǎn)的實(shí)際情況，很多條件下與注水管網(wǎng)會相互限制，在設(shè)計的初期，很有可能因?yàn)橐恍┰O(shè)計不合理，或者是注水管網(wǎng)上的連接件的不合理的匹配，導(dǎo)致了注水系統(tǒng)中的一些管網(wǎng)會有沿程損失，另外就是局部配件的損失也可能過大，從而降低了注水管網(wǎng)的效率。

1.2.3 系統(tǒng)運(yùn)行的合理性

注水系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，從地面工程開始，一直到井口，都是由各個子系統(tǒng)組成的，每個環(huán)節(jié)都很重要。如果哪一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，整個系統(tǒng)的效率顯然就會受到影響。如果各個環(huán)節(jié)的匹配沒有達(dá)到最佳狀態(tài)，沒有符合生產(chǎn)需要，那么整個系統(tǒng)也不可能達(dá)到最高的效率狀態(tài)。例如，注水管網(wǎng)的效率低下，存在著和其他部分不合理的匹配現(xiàn)象，必定會使注水泵在運(yùn)行的時候偏離高而有效的區(qū)間；另外，在不同的開發(fā)時期，隨著注水程度復(fù)雜性的變化以及地質(zhì)條件的不斷變化，可能需要經(jīng)常來根據(jù)實(shí)際調(diào)整整體的注水方案，以便適應(yīng)不同時期的開發(fā)需求，這樣才能滿足不斷變化的注入量的需求。但是，往往現(xiàn)場人員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)不夠，而且很多一線員工都沒有專業(yè)的理論知識基礎(chǔ)，對于注水現(xiàn)場出現(xiàn)的一些技術(shù)問題難以判斷，在某些程度上會耽擱問題的處理和技術(shù)難題的解決。并且他們對注水的重視程度也不是那么高，也不知道怎樣的工作狀態(tài)才是注水系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)，他們認(rèn)為只要系統(tǒng)在不間斷的工作，那就是好的。久而久之，就造成了系統(tǒng)的不合理運(yùn)行，導(dǎo)致效率越來越低?，F(xiàn)場注水量也會隨著改變，但是整個系統(tǒng)的注水參數(shù)不能及時作出相應(yīng)的改變，這樣就加劇了效率低下的可能性。

1.2.4 注水工藝的完善性

在整個注水流程中，每個環(huán)節(jié)的工藝都是不同的，各個環(huán)節(jié)的工藝要求也是不一樣的。注水工藝是一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)并且保持穩(wěn)定產(chǎn)量甚至增加產(chǎn)量的一項(xiàng)長效工程。所以它對各方面的技術(shù)要求會有更嚴(yán)峻的考驗(yàn)，在使系統(tǒng)方案達(dá)到最佳的狀態(tài)，在其核心技術(shù)的配套方面，都會有其相應(yīng)的需求。雖然各大油田依賴注水生產(chǎn)已經(jīng)很長時間，但是在技術(shù)層面上，依舊沒有一套完整的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、科學(xué)的考核指標(biāo)來進(jìn)行注水現(xiàn)場的評判。技術(shù)方面的不全面，導(dǎo)致相應(yīng)的管理制度等也不完善，考核的時候沒有具體的技術(shù)依靠，就不能指導(dǎo)注水相關(guān)技術(shù)越來越高效。

2 注水系統(tǒng)測試計算

2.1 注水地面系統(tǒng)效率測試方法

為了了解注水系統(tǒng)的工作狀態(tài)，在其正常運(yùn)行的條件下，了解它各個環(huán)節(jié)的用電情況以及注水管網(wǎng)消耗能量的狀況，對注水的各個環(huán)節(jié)都要了解清楚，看看它們的主要能量損耗都存在哪些細(xì)小的環(huán)節(jié)。分析完整個注水系統(tǒng)之后，收集各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)并將其整理好，作為測試的依據(jù)，為后期的改造提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)保障。 測試的內(nèi)容主要有以下3個方面：

1）注水站的電機(jī)組成系統(tǒng)測試， 包括與電機(jī)相關(guān)的各個節(jié)點(diǎn)的參數(shù)測試以及電能的輸入和損失而引起的相關(guān)參數(shù)測試。

2）注水站和注水泵的測試，包括注水泵的各個參數(shù)以及泵的能量損失等環(huán)節(jié)的測試。

3）管網(wǎng)的測試，包括整個注水管網(wǎng)中的注水站內(nèi)的地面管線，注水站到配水間之間的連接干線，以及配水間到井口的管線等，它們沿程的各個節(jié)點(diǎn)的壓力和流量也是測試內(nèi)容。

2.2 注水系統(tǒng)同步測試法

1）每個注水站包括了很多小的注水區(qū)塊，把這些小區(qū)塊作為測試的小單位，對它區(qū)域里所包含的注水站、配水間以及注水井都要進(jìn)行測試，并且這個測試是同步的，然后間隔同樣的時間再記錄一次測試的數(shù)據(jù)。

2）根據(jù)進(jìn)行測試的區(qū)域內(nèi)的注水情況，選定指定的測試部分，在測試的時候，需要將工作人員分布到各個點(diǎn)上，指導(dǎo)各個監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)錄入，等到工作人員就位完畢之后，必須同一時間進(jìn)行測試。

3）在注水站中進(jìn)行的測試，電機(jī)測試須要測量很多參數(shù)，包括電壓、電流、功率因素以及電機(jī)的運(yùn)行效率等。然而注水泵的參數(shù)主要以測試流量和壓力等數(shù)據(jù)為主。并且在測試完這些數(shù)據(jù)以后，要生成一份當(dāng)日的生產(chǎn)報表，以便日后計算使用。

4）在進(jìn)行管網(wǎng)運(yùn)行的參數(shù)的測試的時候，工作人員必須記錄下以下參數(shù)，包括配水間的來水壓力、單井的注入壓力、每天的注水量等。另外還有注水井口的油壓，也需要專門的工作人員去記錄填寫。

5）等到各個節(jié)點(diǎn)的所有資料和參數(shù)錄取完畢之后，要將這些資料第一時間送到資料存檔，最后由測試的工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入。

2.3 注水系統(tǒng)同步測試及工況優(yōu)化分析軟件

組態(tài)軟件通過采集系統(tǒng)硬件將數(shù)據(jù)采集后，還需要專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件處理分析，為此利用編程語言VisualBasic，通訊組件opcdaauto.dll X86 2.02.5.30，報表組件Spreadsheet 11.0，圖形組件ChartSpace 11.0，數(shù)據(jù)庫Access 2010、SQL Server 2000等工具開發(fā)了注水系統(tǒng)效率監(jiān)測與優(yōu)化軟件。編制出的系統(tǒng)分析及優(yōu)化軟件，主要有以下幾種功能：可以根據(jù)實(shí)際情況，合理設(shè)置參數(shù)；管理注水井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；采集生產(chǎn)過程中的一些數(shù)據(jù)；分析各類生產(chǎn)報表；預(yù)測一些注水方案等。各類報表和曲線如下：①實(shí)時測試數(shù)據(jù)報表包括泵機(jī)組信息表、井實(shí)時信息表、壓力系統(tǒng)效率信息表等，可以實(shí)時顯示包括泵進(jìn)、出口壓力、電流、電壓、功率因數(shù)、機(jī)組效率、單耗等運(yùn)行參數(shù)。②水井信息表，可以實(shí)時顯示包括干線（匯管）壓力、注水壓力、注水量、閥組效率等運(yùn)行參數(shù)。③壓力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時信息表，可以實(shí)時顯示包括壓力系統(tǒng)平均機(jī)組效率、匯管壓力、閥組效率、配注合格率等運(yùn)行參數(shù)。④分析診斷報表。⑤分析診斷曲線。

3 結(jié)束語

開發(fā)了注水系統(tǒng)效率測試系統(tǒng)，測量精度和系統(tǒng)誤差符合標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電量、壓力、流量等動態(tài)參數(shù)的同步采集，提高了注水系統(tǒng)效率測試的準(zhǔn)確性。

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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

曹世學(xué)（1984-），男，陜西省西安市人，中級工程師，研究方向：油田開發(fā)。

TE357.6

A

1004-0935（2021）01-0103-04