（大庆油田有限责任公司第四采油厂规划设计研究所）

大庆油田某采油厂目前共有注水站17座，经过多年连续运行后，三采注水系统注水泵能耗高、泵管压差难控制、冷却塔冷却效果差等问题逐渐显现。除设备老化问题外，安全环保、节能降耗和生产管理等方面也需要改进提高。近几年在注水站改扩建过程中，通过优化设计解决上述问题，消除了安全隐患，方便了生产，保证了生产的平稳运行。

1 改扩建项目中的工艺设计优化

1.1 优化注水泵配置，减少投资

为方便管理和节约投资，三采注水站一般与已建水驱注水站合建。三采开发阶段的前期和中后期采用深度水稀释注入，中期采用曝氧深度水稀释注入（曝氧深度水降低三元配制母液的黏度，保证三元母液的注入效果）。由于不同注入阶段注入三采溶液浓度不同、水质水量不同，高压水的需求量也随之变化。为使阶段性供需能力平衡、提高系统效率、降低泵水单耗，在三采注水站与已建水驱注水站改扩建设计中，充分考虑今后十年原水驱注水量的需求变化和三采各阶段注水量的发展趋势，分析两个站的注水量与水质要求，将新增三采注水泵的运行能力和原水驱注水泵的运行能力与注入井水量需求匹配，优化注水泵配置，提高设备运行效率。

以2015年某改扩建的注水站为例，该注水站为新增三采注水站和已建水驱注水站（已建300 m3/h注水泵3台）的合建站，原水驱注水站设计规模为1.44×104m3/d；扩改建后设计规模为3.97×104m3/d，其中三采注水最大规模1.3×104m3/d，水驱注水最大规模2.67×104m3/d。新增三采注水站所辖三采区块注水量预测见表1。从表1中可以看出三采区块的总体注水量介于6 043～13 104 m3/d之间，其中曝氧深度注水量在1 310～6 960 m3/d之间波动。如果三采注水站独立运行，按照不同阶段、不同水质、不同注水量的需求，需建设150 m3/h注水泵（DF150）2台，250 m3/h注水泵（DF250）3台，300 m3/h注水泵（DF300）2台。各年份开泵方案见表2。该区块已建水驱注水站原注水量为7 000～7 500 m3/d，站内已建有300 m3/h注水泵3台。由于所辖水驱区块的不断开发，注水量需求逐年增加，2015年至2024年注水量预测见表3。

表1 三采区块注水量预测表 单位：m3⋅d-1

表2 三采注水站独立运行开泵方案表

表3 水驱注水站注水量预测表 单位：m3⋅d-1

从表3看出水驱水量介于10 665～26 703 m3/d之间波动，如果只考虑水驱注水站单独运行，随着所辖水驱区块的不断开发，需新建2台300 m3/h注水泵才能满足注水要求。

上述水驱注水量和三采注水量如果分别设置注水泵，三采需要2台150 m3/h注水泵，3台250 m3/h注水泵，2台300 m3/h注水泵；水驱需要5台300 m3/h注水泵。

优化设计中考虑到三元驱和水驱都用深度污水，综合注水能力与注水（入）井水量需求的合理匹配，在设计中将两区块同水质外输阀组增设连通阀，连通汇管，只需根据三采注水量需求设置注水泵，不再增加水驱注水泵。三采驱的多余曝氧深度水可以为深度水提供补充。经过能力核算，该注水站改扩建后只需新建400 m3/h注水泵1台，300 m3/h注水泵2台，250 m3/h注水泵1台，综合最高运行方式为运 6备 1。优化后，三采和水驱合建注水站流程示意图见图1，注水泵运行方案见表4。由于企业设计标准化的要求，泵的选型以 250 m3/h（DF250）、300 m3/h（DF300）、400 m3/h（DF400）为主。从表4中可以看出在某些阶段泵的排量和注入水量很难匹配。如2023年，曝氧深度水量需求只有55 m3/h，设计中仍选用了250 m3/h注水泵，多出的排量可考虑进入管网，为深度水提供补充。

图1 三采、水驱合建注水站流程示意图

表4 该注水站改扩建后注水量预测及注水泵运行

1.2 优化外输阀组，降低能耗管

对于已建的三采注水站和水驱注水站的合建站，由于三采区块和水驱区块所需的深度水可以互用，优化设计将两区块注水站外输阀组连通，可有效降低注水泵的单耗。

某站已建300 m3/h水驱注水泵2台，运1备1；250 m3/h三采注水泵3台，运2备1。注水站注水量2011—2020年预测见表5。从表中可以看出投产初期两种水质的注水泵和注水量均能匹配。2014—2015年三采注水量减少，三采注水泵能力剩余，泵管压差增大、泵效低、泵水单耗上升，同时水驱注水量逐年增加，导致水驱注水泵能力不足。

鉴于两区块所用水质均为深度水，在两区块注水站外输管线增设了连通。通过设计优化，调配了水源资源和注水泵，实现机泵能力互补，三采系统注水泵泵水单耗显著降低，运行效率明显提高。运行效果见表6。

表5 该注水站注水量预测表 单位：m3⋅d-1

表6 阀组连通前后注水泵参数对比表

1.3 优化冷却工艺，提高冷却效果

优化改造前，某厂注水机组冷却水采用冷却塔冷却工艺。其流程是：清水来水进储水罐，罐内水自压进入冷却水泵，经泵提升至注水机组冷却系统，回水经冷却塔冷却后再回到储水罐，完成一次循环。工艺流程示意图见图2。

图2 冷却水冷却工艺流程示意图

长期运行过程中冷却塔塔内散热材料结垢严重，冷却效果差，导致冷却水需求量增加，冷却水泵负荷增大，电机温度过高，影响安全运行，同时冷却塔存在水耗大的问题。针对这些问题，在改造设计中对工艺进行了改进，注水机组电机冷却水不再经冷却塔降温，而是经换热器与防冻液换热后再去冷却注水机组。防冻液由干冷却器和水冷却器分段冷却。根据系统设定的冷却温度，先启动干冷却器对防冻液逐级冷却，若达不到设定的冷却参数，系统再启动水冷却器对防冻液进行冷却。

该工艺主要由清水罐、干冷却器（风冷散热）、水冷却器（压缩机制冷）、板式热交换器、自控系统等组成，工艺流程示意如图3所示。

图3 改造后冷却工艺流程示意图

与原冷却塔冷却工艺相比，改进后的冷却工艺可以使机泵轴瓦温度下降5.6～14.4 ℃，冷却效果更好，水耗大幅下降，系统性能稳定，管理方便，运行成本更低，达到了节能降耗的目的。平均每年节约运行成本30多万元。两种冷却工艺的建设投资及生产运行费用对比见表7。

表7 两种冷却工艺的建设投资及生产运行费用对比

2 改扩建项目中的其他设计优化

2.1 改进溢流排污外排，减少环境污染

改造前，部分注水站的注水储罐溢流排污直接外排至站外沟渠，对周围环境造成污染。在改造设计中针对注水站周边有无污水站的情况采取了两种处理方式：

1）对于附近建有污水站的注水站，将注水储罐的溢流排污管接至污水站回收水池中，由回收水泵输送至污水系统处理，处理达标后外排。系统设计选择了合适的坡比，将注水罐溢流排污管线引入回收水池进口管线，同时结合现状做好如带压开孔或回收水池的清淤、清洗等相应的施工措施。

2）对于附近没有污水站的注水站，应新建排污池，将注水储罐的溢流排污外排至排污池，通过吸污车将污水运至污水处理点集中处理。建成后需加强管理，及时将排污池内的污水运走，避免冬季冻堵，影响注水站安全生产。

2.2 优化泵管压差控制，降低工人劳动强度

某注水站改造前，由生产管理人员操作注水泵出口管线上的电动蝶阀来调节泵管压差。由于泵管压差变化频率高，蝶阀开闭操作过于频繁，不易控制，调节精度不高，人员的劳动强度较大。针对这一问题，在设计中采用了压差自动调节装置，该装置根据前后压差自动调节，使泵管压差达到最小，精度较高，并减小了操作人员的劳动强度。

泵出口压差自动调节装置由主控元件、执行元件、调节单元、测压传感单元四部分组成。系统示意图见图4。

图4 压差调节装置系统示意图

主控元件接收电机电流信号、流量计信号及测压传感单元测出的调节器前后压差信号后进行读数、计量和计算，并发令给执行元件，同时配合专用通信控制器与上位计算机进行通信。执行元件接受主控元件信号后通过调节单元的调节器开启（快开微开）和关闭（快关微关）进行大调或微调。调节单元采用了中心流道向圆周均匀通过，具有直通流线型和高进低出流线型的优点，并有抗高压差冲刷功能，使流量调节更加平稳。

压差自动调节装置的应用，提高了调节精度、方便了生产管理、降低了操作人员的劳动强度，保证了生产的平稳运行。

2.3 改进高压注水出户干线，消除安全隐患

杏北油田各注水站注水泵房出户管线压力一般为15～20 MPa。改造前注水泵房高压出户管线均为室内埋地穿墙出户。随着管道使用年限的增加，高压出户管线存在着腐蚀穿孔的风险。如不能及时发现处理，穿孔后极易将泵房基础破坏，危及房屋安全。为了消除安全隐患，在注水站改造设计中对出户管线进行了两个方面的优化设计：

1）注水泵房内高压出户管线不再埋地出户，改由地上穿墙出户。这样设计既能方便工作人员巡检和发现管道安全隐患，还便于后期管道的维护维修。改造前后高压出户管线现场图见图5、图6。

图5 改造前高压出户管线

图6 改造后高压出户管线

2）为减小沿程管道压力损失，高压出户管线在设计上采用了45°弯头埋地与已建干线连接；同时在立管段进行了保温设计，防止因停运造成管线冻堵。

3 结论与认识

1）三采注水系统不同阶段注入水量不同，设计中将其与水驱连通运行后，有利于三采注水系统机泵高效低耗运行；

2）与冷却塔冷却工艺相比注水电机综合冷却工艺应用效果更好，性能较更稳定，生产费用更低，站内无需补注大量清水；

3）在注水泵出口管线上安装压差调节装置可以有效地调节泵管压差，达到节能降耗、降低操作人员劳动强度和方便管理的目的；

4）注水高压出户管线穿墙部分由地下改为地上可以有效地消除安全隐患，方便管理；注水储罐溢流排污外排至回收水池或排污池，实现了含油污水的再处理，杜绝了外排含油污水对环境的污染。