赵辉 赵华 眭纯华（中石化胜利油田分公司桩西采油厂）

近年来，针对胜利油田老河口油田的注水开发实际，运用注水参数优化方法，确定合理的系统运行参数，综合应用配套工艺技术，对系统实施改造，提高了系统效率，达到了节能降耗的目的。

1 油田注水系统现状

老河口油田共有桩120 注、老河口注2 座注水站，截至2012年12月，共有注水井55 口，开井45口，配注4880 m3/d，实际注水量4776 m3/d，平均注水泵压16.0 MPa，注水干线压力15.0 MPa，平均井口油压8.48 MPa。有油井133 口，开井106 口，产液5319 m3/d，采油780 t/d。

桩120 注水站配有2 台5ZB-12/42 型柱塞泵，设计能力800 m3/d，正常运行1 台，实际供水550 m3/d。老河口注水站配置1 台DF120-150×11型离心泵，2 台DF140-150×11 型离心泵，设计能力6240 m3/d，正常运行1 台，实际供水4226 m3/d。

桩120 注与老河口注通过站外注水管网相连形成同一压力系统。

老河口注水系统平均电动机效率为95%，注水泵泵效68.06%，管网效率51.37%，系统效率33.21%，注水单耗6.87 kWh/m3，低于50%的国家二级企业标准。老河口注水系统节点压力分布见表1。

表1 老河口注水系统各节点平均压力损失

2 存在的问题

2.1 供注不匹配，注水系统效率低

老河口油田油藏类型复杂，平面、层内矛盾突出，造成注水井注水压力差异大。据统计，正常注水的45 口井中，有30 口注水井的配水间注水压力在10 MPa 以下，累计注水量占总注水量的63.8%。由于注水系统压力按照满足最大注水压力（16 MPa）设计，与油田实际注水需要不匹配，导致大部分注水井利用阀门控制注水。由表1 可知，配水间控制损失为5.43 MPa，泵、干线压差1.0 MPa，两项合计占系统压力总损失的85.5%，注水能耗大。

2.2 供水量变化大，注水离心泵难以保证在高效区运行

随着桩106 新区的注水开发，区块注水调配频繁，注水量在3800～5000 m3/d 波动，导致老河口注水站离心泵运行参数变化大。在用的计量仪表计量精度低，可靠性、稳定性差，不能准确地监控注水泵状态参数；人工调节注水泵工况不及时，主观因素较强，人为误差大，难以保证离心泵在高效区运行，影响了注水泵效的提高。测算表明，离心泵在泵效70%～75%之间运行时，泵效每降低1%，平均注水单耗增加0.075 kWh /m3。

2.3 老河口注单泵供水量大，桩120 注注水泵老化严重

老河口注DF120-150×11 型离心泵在高效（70%～73%）区运行时，日供水量为2880～3360 m3；DF140-150×11 型离心泵在高效（73%～75%）区运行时，日供水量为3360～3840 m3（表2）。

表2 DF140-150 型多级离心泵性能参数

为满足区块注水量4776 m3/d 的需要，老河口注水站需运行2 台DF120-150×11 型离心泵，供水量为5760 m3/d(泵效70%)，打回流量达10 00m3/d，浪费电量6680 kWh/d。因此，老河口注只能运行1台离心泵，不足的水量需通过桩120 注的柱塞泵进行调节。

桩120 注的2 台5ZB-12/42 型注水泵老化严重，1 台注水泵因泵温高长期停运，仅能运行1 台注水泵，供水量为550 m3/d，泵效69%。老河口注离心泵的供水量达4226 m3/d，导致注水泵偏离高效区，系统能耗高，不能满足区块供水日益增长的生产需要。

3 系统参数优化方案

方案原则：以满足油田注水需要为前提，确定合理的系统压力和各部分的损失，达到合理利用能量，提高系统效率的目的。

3.1 系统能量损耗分析

老河口注水系统电动机输入总功率为1120 kW，注水有用功率468 kW，注水损耗功率652 kW，占输入功率的58.2%。其中，配水间阀控损耗功率为300 kW，占损耗功率的46.01%，注水泵损耗为180 kW，占损耗功率的27.61%，其他功率损耗为172 kW，占损耗功率的26.38%。

阀控损失是指由于泵的排量、压力与实际注水需要不匹配，通过控制阀门开闭度产生节流损失来满足注水需要。

注水泵损失主要由机械磨损、容积漏损、水力功率变转损失构成。

注水泵电动机损失是电动机本身的无功损耗，其大小主要受设备机型、电动机质量的影响。

管损与供水量、管线的内径、长度、内壁粗糙度有关。

降低注水泵能耗的主要措施是：优化注水运行压力，努力降低阀控损失；提高注水泵效，确保注水泵在高效区运行。

3.2 系统压力分析

系统总压力（泵压）可由下式求得：

式中：

f泵——泵压，MPa；

fa——泵阀损失，MPa；

fb——干线沿程损失，MPa；

fc——配水间控制损失，MPa；

fi——配水间油压，MPa。

理想情况下，不存在配水间的控制损失，即fc＝0，则

参数优化的目标是求取f泵为最小值，按照设计规范以fa≤0.5MPa、 fb≤0.5MPa 作为目标值，关键是fi值的大小。

fi的确定：寻求这样一个压力值，即满足绝大多数注水井注入压力的需要，对不能满足注入压力要求的少部分井采取单井增压泵增注、作业增注等措施，以满足油田开发的需要。

按上述公式，统计老河口注水系统的井口注水压力分布情况，并计算出泵压值及注水井压力覆盖率、注水量覆盖率（表3）。

由表3 可知，注水泵压为13 MPa 时，压力覆盖率为75.5%，水量覆盖率为70.8%；泵压为14 MPa时，压力覆盖率为91.1%，水量覆盖率为94.4%，因此，确定合理的注水泵压为14 MPa 左右。目前老河口注离心泵的额定扬程为1 650m（16.5 MPa），高于区块需求的注水压力，因此需对离心注水泵进行改造，适当降低离心泵扬程。

4 方案改造措施

4.1 注水设备、注水管网改造

针对桩120 注水站注水泵老化严重，站外供水管网管损（1 MPa）大的问题，2005年10月改造了桩120 注水站5ZB-12/42 型柱塞泵3 台，设计供水量1600 m3/d。配套建设180 mm 供水管线1.3 km，114 mm 供水管线1 km，满足了区块注水需要。

4.2 确定注水泵压力

通过优化注水参数，确定注水泵压力14 MPa。根据离心泵的性能曲线查得DF140-150×10 型注水泵的排量为3840 m3/d，泵效为75%，扬程为1450 m；DF120-150×10 型注水泵的排量为3360m3/d，泵效为73%，扬程为1420 m。性能参数与区块注水压力需要相匹配，因此，可将11 级离心泵拆级改造成10 级，降低离心泵扬程。

4.3 系统负荷的匹配

要降低泵、干线压差，需要注水站供水能力与系统负荷的匹配[1]。利用桩120 注的柱塞泵，通过变频装置控制供水量，实现桩120 注供水量160～1600 m3/d 连续可调，保证老河口注水系统供水量在2880～7840 m3/d 范围内均匀调节水量的需要。系统供水量按5000 m3/d 设计，注水站供水量与区块注水量平衡能力见表4。

表4 老河口注、桩120 注系统供水与区块注水量的平衡

4.4 系统参数的运行调节

对于老河口注水站采用传统的控制方式，注水泵的运行工况调节由人工操作。由于注水系统外网供水量的变化和供电方面的电压波动较为频繁，人工难以及时调节，使注水泵偏离高效区运行，降低了注水泵机组的运行效率。另外，部分离心泵存在润滑油系统、冷却水系统、温度、压力等方面设施老化现象，故障频繁发生，严重影响了注水泵机组的安全生产运行。同时，在用的计量仪表为电子水表、普通压力表，存在示值不准的问题，难以对注水泵的运行效率作出准确的评价，因此，需安装注水泵状态自动监控装置，确保系统安全、高效运行。

桩120 注柱塞泵排量恒定，单台泵低于额定排量800 m3/d 时的供水量需通过打回流控制，造成能量损耗、控制阀损坏，人工调节供水工作量大、不及时，因此，需安装柱塞泵变频装置实现自动恒压注水。

系统按泵压14 MPa 运行时，有4 口注水井系统压力无法满足注入要求，需要采取提压增注措施。

5 配套工艺技术的应用

根据确定的系统参数，综合应用了多项先进工艺技术，对系统各方面进行了配套技术改造。

5.1 注水泵拆级改造技术

经分析，将11 级离心泵拆级为10 级，拆除第6 级最为合理，一方面前后各有5 级叶轮，保证受力均衡；另一方面，拆除的叶轮处在中间位置，可降低泵轴的挠度，有利于转子动平衡。2013年5月对1 台DF-140 型、1 台DF-120 型注水泵拆级后，注水泵压由16.5 MPa 降至15 MPa，满足了区块注水压力需要。

5.2 注水泵状态监控技术

2013年7月，在老河口注水站上应用注水泵自动监控装置1 套，系统具有自动调控、巡视、保护、数据处理和网络通讯等5 项功能，实现系统全过程控制，可自动对注水泵出口阀门的开闭度进行无级同步调速；同时，通过对注水泵输出流量、泵压、泵电动机电流，大罐液位、机组温度、来水压力、干线压力等参数的监测、计算、优化，确保了注水泵在高效区运行。系统在采集数据的同时，具有显示报警功能，保证了系统安全运行。

现场应用表明，该系统能够满足状态监测与工况调节的要求，可靠性、稳定性好，使用操作方便。对提高泵站的运行效益及注水设备管理自动化水平起到了良好的促进作用[2]。

5.3 柱塞泵变频调节离心泵供水量工艺

离心注水泵因单泵排量大，水量调节范围小，通常采用大、小排量离心泵组合和高压变频技术进行水量连续调节，但存在投入高的问题。

变频调速器对柱塞泵控制的工作原理是：将注水干线压力通过压力传感器把数据传输到可编程控制器，可编程控制器作为中间环节控制变频器，使变频器的输出频率在0～50 Hz 之间连续可调，改变电动机转速，调节供水量。当实际干线压力值低于设定值时，变频器自动增加输出，反之减少输出，以此达到供水平衡。

将柱塞泵变频与离心泵组成一个供水系统，区块供水量与离心泵在最佳工况点运行时的供水量差值，可由变频装置自动调节柱塞泵供水量得到连续补充，保证了离心泵始终在高泵效区运行。

5.4 增压注水、水井调剖技术

安装增压泵4 台，满足了桩106-22-X22、老13-7、桩106-16-11、桩106-13四口压力高于14 MPa注水井注水需要，日增注水量180 m3。

针对桩106-20-X16、106-19-X16、106-19-19、106-18-20、106-12-15 五口水井地层非均质严重，注水压力低，水驱效果差的问题，采取水井调剖措施，实施后对应油井增油764 t，注水压力平均增加2.9 MPa，提高了管网效率。

6 实施效果

应用综合配套技术对老河口注水系统进行改造后，较大改善了注水系统运行状况，取得了明显的经济效益。因区块注水结构调整，日供水量由措施前的4776 m3下降至目前的4416 m3。与改造前相比，注水泵压由16 MPa 下降到13.8 MPa，井口压力由8.48 MPa 上升至9.37 MPa，系统压力总损失减少了3.09 MPa。通过应用柱塞泵变频调节离心泵供水工艺及状态监控技术，确保了离心泵在最佳工况点运行，系统平均泵效由68.06%上升至75.6%（其中老河口注水站的DF140-150×10 型注水泵的泵效达74.1%），注水系统效率由33.21%上升至48.4%（表5、表6）。

1 m3水耗电量由6.87 kWh 下降为5.33 kWh，日节电6800 kWh，年节电248×104kWh，年节约电费110 万元。

表5 老河口注水系统参数优化后压力分布对比

表6 老河口注水系统各项效率值及节电效果对比

7 结论

1）应用综合配套工艺技术对老河口注水系统进行改造，保证了注水泵始终处于最佳工况点运行，提高注水泵站的运行效率，取得了明显的经济效益，对油田注水系统降本增效，提高注水站管理水平具有指导意义。

2）应用柱塞泵变频技术与离心泵合理匹配的注水系统，实现了系统供水量的自动调节，保证了离心泵始终处于高泵效区运行，满足了区块注水需要。

3）通过推广应用注水系统自动监控技术，实现注水全系统每个生产运行环节的实时监测与控制，并将各项运行参数、处理工况传输至中心控制室，提高了生产运行的智能化控制程度，为生产提供及时、准确的数据，增大了注水系统安全运行系数和系统运行效率，实现了偏远井、站无值守，达到了节能降耗的目的。

4）小排量离心注水泵泵效低(＜75%)，今后离心泵站改造中宜应用大排量柱塞泵（1200 m3/d）取代离心泵，降低注水泵能耗损失。

[1]王莉,丁波,于力.杏南油田注水系统变频调速节能降耗分析[J].油气田地面工程,2000,19(3):25-28.

[2]王正武.油田注水泵的状态监测[J].中国设备工程,2003(5):35-37.