（油气田开发工程专业论文）油田大型注水系统优化运行研究.pdf

r e s e a r c ho no p e r a t i o n o p t i m i z a t i o no fl a r g es c a l e w a t e r i n j e c t i o ns y s t e mo ft h e0 i l f i e l d w a n gy i p i n g ( o i la n dg a sd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gh a i - w e n a b s t r a c t m a t h e m a t i c a lm o d e l so f w a t e ri n j e c t i o np u m p ，p i p el i n ew a t e ra l l o c a t i n g s t a t i o na r ea n a l y z e d ，a n dt h e ya r eb a s i cu n i t so fw a t e ri n j e c t i o ns y s t e m t h e c o n t e n t sa sf o l l o w i n ga r er e s e a r c h e d ：c h a r a c t e r i s t i cc u r v e o f c e n t r i f u g a lp u m p ， c o m p u t i n gm e t h o da b o u tm u l t i p l eo p e r a t i o no fp u m p ，o p e r a t i n gc h a r a c t e r s t i c o fl i n ef r e q u e n c ya n df r e q u e n c yc o n v e r s i o np u m p ，m a t h e m a t i c a lm o d e la n d s i m p l i f i c a t i o no fp i p el i n en e t a l lo ft h eb a s i cu n i t so fs y s t e ma r em o d e l e d b yc u l w ef i t t i n g w a t e ri n j e c t i o ns y s t e mm o d e li sc o m p l e t eb yt h em e t h o do f n o d ea n a l y s i so nt h eb a s eo fu n i tm o d e l s m o d e lo fo p t i m i z a t i o ni sp r o p o s e d f o rd i m i n i s ho fi n j e c t i o na l l o c a t i o na n d e n e r g ys a v i n g d u r i n g t h e o p t i m i z a t i o no f w a t e ri n j e c t i o ns y s t e m ，s u b s y s t e mi sp a r t e dw i t ht h et h e o r yo f p r e s s u r eh o l l o wa n dc o m p u t e dw i t ht h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n r u n n i n gp r o j e c t o fw a t e ri n j e e t i o ns t a t i o nt h a tw o r k o u t e db yt h em o t h o dc a r li m p r o v et h e s y s t e me f f e c t i v e n e s so b v i o u s l y t e c h o n o l o g i e so fr u n n i n gc o n t r o la n de n e r g ys a v i n ga r er e s e a r c h e di n t h ep a p e r s o m es a m p l e sa r eg i v e nf o ra n a l y z i n go ff r e q u e n c yc o n t r o l ，w a t e r 两e c t i o nw i t hd i f f e r e n tp r e s s u r e ，o p e r a t i o no p t i m i z a t i o no fw a t e ri n j e c t i o n s y s t e mi nc h e n g d o n go i lf i e l d k e yw o r d s ：w a t e ri n j e c t i o ns y s t e m ，u n i tm o d e l ，r u n si nc o n j u n c t i o n ， o p e r a t i o no p t i m i z a t i o n ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 牛 垆6 年j - 月t j 7e t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：盘至，口6 年厂月扩日 导师签名：豆羔站 瑚侔 广月，厂同 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 第1 章前言 1 1 油田注水概述 油田注水开发是我国陆上油田主要的开发模式。它能有效地补充 地层的能量，对油田高产、稳产起到了重要的作用。油田注水要消耗 大量的能量，随着油田进入高含水开发期，注水量大幅度增加，注水 耗电亦大幅度上升，提高注水系统优化运行管理水平，控制系统能耗 已成为当务之急。目前，油田注水系统运行状况日趋复杂，测试、钻 关井、洗井、新投注水井及设备维护、管网改造等现象普遍存在，仅 依靠操作人员的经验来控制注水系统的运行难以满足系统配注要求， 同时存在调试周期长和系统耗能大的弊端。 油田注水的作用可概括为：保持或提高油层压力；使地下油气有 充足的能量，维持长期的稳产高产：提高油田采收率；将含油污水回 注，减少环境污染；填充油层孔隙，防止地层塌陷。 油田可以只利用油层的天然能量进行开发，也可以采用保持压力 的方法进行开发。深埋在地下的油层具有一定的天然能量和压力，当 开发时，油层压力驱使原油流向井底，经井筒举升到地面，地下原油 在流动和举升过程中，要受到油层的细小孔隙和井筒内液柱重量及井 壁摩擦力等阻力。如果仅靠天然能量采油，采油过程就是油层压力和 产量下降的过程。当油层压力大于这些阻力时，油井就可以实现自喷 开采，当油层压力只能克服孔隙阻力而克服不了液柱重量和井壁摩擦 力时，就要靠抽油设备开采。如果油层压力下降到不能克服油层孔隙 压力时，油井就没有产出物了。 一个油田在进行开发时，为了保持油田较长的开发周期和原油产 量的稳定，基本上都要采用保持油层压力的开采方法。为了提高原油 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 的采收率，世界上很多国家都在研究如何用人工的办法保持地层压力， 向油层补充能量，使之达到多出油、出好油的目的。目前比较成熟的 措施有：注水、注气、注蒸汽及火烧油层等。 与其它物质相比，注入水具有无可置疑的优点，一方面水的来源 比较容易解决，同时把水注入油层是比较便宜的；另一方面，从一个 油层中用水来排油，水作为介质十分理想。当然，还应看到注水井中 的水柱本身具有一定的压力。水在油层中具有的扩散能力，使油层保 持较高的压力水平，由于保持油层压力始终处于饱和压力以上，就会 使地下原油中溶解的天然气不会大量脱出而使原油性质稳定，保持良 好的流动条件。这样，就可以使油井生产能力保持旺盛，能够以较高 的采油速度采出较多的地下储量，有利于提高油田原油的采收率。从 1 9 5 4 年开始在玉门油田首先采用注水以来“3 ，国内的各大主要油田先 后都进行了油田的注水开发，以使油田长期稳定高产。在世界范围内， 注水保持压力开采方法已经得到了大面积的推广。 油田注水是采油生产中重要的工作之一。油田的注水开发在油田 的开发中具有极其重要的意义。如何通过控制注水和控制产出水量是 油田保持长期高产、稳产，即用“控水”来达到“稳油”的目标，是 中高含水期油田保持高产、稳产的重要技术内容。这就要求控制油井 高含水层的产水量，并且通过注水井调整不同油层的注水量，有效的 控制注、采水量的增长幅度。要达到上述目的，就必须正确运行整个 注水系统，保证系统内的流量和压力具有最适当的分布。随着油田的 不断开发，油田的注水系统在增产、稳产中的作用也越来越突出。 随着油田的开发，油田含水不断增加，产液量也在迅速上升。为 了继续实现油田稳产，油田能耗将急剧升高。因此，充分发挥已建和 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 在建的生产能力，进步控制并降低注水损耗，减少生产能耗，已成 为今后油田生产过程中的重要任务。 1 i 1 注水系统及其组成 注水系统主要由注水站、注水管网( 含配水问) 和注水井口等设施 组成。 ( 1 ) 注水设备选型 注水设备选型应考虑以下几方面的因素： 满足油田开发方案的需要； o 油、气、电的供应情况； 0 注水泵生产供应的可能性； 高效、安全、成本低，维修量小，连续运行时间长，管理方便； 0 在满足油田注水需要情况下，应尽量减少泵型，以便于修配管 理和改造。 在一般情况下，注水量小时，宣采用多缸柱塞泵；注水量大时， 宜选用多级高压离心泵。 ( 2 ) 注水站的布局 注水站的布局应根据油田开发方案，近期和远期相结合，建在注 水负荷的中心，并把供水供电、注水、排水、水处理等有机地结合在 一起。泵站的规模应以注水井分布、注水量大小、注水泵的性能、注 水管线的规格以及自动化程度和管理水平等因素而定。泵站中注水泵 的备用量按照目前的机械制造、维修和生产管理水平，备用l 3 l 4 是合适的。 ( 3 ) 配水间 配水间的作用是： 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 分配水量、控制和计量，即把从注水站来的高压水按油田开发 方案的需要，保质保量地注入地层； 0 配合井下作业施工，减少作业费用和工作量： o 工人值班场所。 配水间可分为单井配水间和多井配水间两大类。 ( 4 ) 注水井及井口 注水井及井口应满足以下几个方面要求： 注水，要能满足油管注水、套管注水及混合注水的要求； o 洗井，要能正洗井、反洗井、计量油压和套压，并能取水样； o 试井，能测量井下压力、温度，井下取水样，探铡砂面商度， 分层测试注水量及油层压力等。 增注措施，能满足压裂、酸化和选择性堵水等作业的要求； o 寿命长、强度高，水井及井口工作压力应大于油层破裂压力。 ( 5 ) 注水管线 注水管线应在注水井的分布区域内合理布置，并有利于节约人力、 物力及生产管理。而且应在考虑经济性的情况下，做好管线的水力计 算和强度计算。 1 1 2 油田注水方式 注水开发的油田有两类注水方式，即边外注水和边内注水。边外 注水适用于油田面积小，地层倾角大，油层连通性好，油层均匀及边 底水活跃的油田。 边内注水形式较多，主要分为以下几种： ( 1 ) 内部横切割注水( 或行列注水) 。一般用于油层渗透率较均匀， 油层分布面积大，断层少的油田。它的特点是：按注水井排成区块进 行开发，两注水井排间为一独立的开发单元，注入的水从注水井排向 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 两侧生产井排推进，水淹区比较集中，生产井排单方向受到注水影响。 切割区内注水和生产井分期分批转注和投产，因而注水井两侧的生产 井排采油速度较高。在开发过程中可根据油田开发动态变化，调整注 水系统，改变注水方式。 图卜l 注水井网 ( 2 ) 腰部注水。用于开发油层边部渗透性变差，含油面积较大的背 斜油田。 ( 3 ) 顶部注水。适合油层面积大，油层边缘渗透率低或者有气顶的 油田。 ( 4 ) 面积注水。适应性较广，目前世界各国普遍采用，特别适合于 油层形状分布不规则且零星分布，渗透性差及断层不规则的油田。布 井方式有三点法、四点法、五点法、七点法、九点法及反九点法等。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 油田注水系统研究现状 针对油田注水系统存在的能耗大问题，我国各油田都开展了研究 工作。这些研究分为局部研究和整体研究两类。前者是指针对注水泵、 管网等局部对象开展的研究；后者是指把整个注水系统作为一个整体， 从系统的角度考虑问题开展的研究。由于油田注水系统是大型非线性 网格系统，对此系统建模和设计优化运行方案十分困难，迄今为止， 国内外已进行了大量研究，采用多种理论和方法优化注水系统设计。 大庆油田采用多步广义梯度法和多层曲线拟合的建模方法，应用 大系统理论和人工智能方法对注水系统作了层层分解，由人工智能和 模糊优化方法实现了系统从局部到整体的优化。该方案在大庆采油六 厂实施一年半，既达到地质配注要求( 配注误差在2 以内) ，又实现了 节能目标。与原方案比较，每日可少开l 台泵，节电0 1 k w h i m 3 ， 注水节电约人民币3 0 1 万元a ，对油田生产有重要的理论和实用价值。 r w p a i g e 和j p m a r t i n s 等人采用系统辨识，多层曲线拟合和机理分 析的方法。“”建立了注水系统模型，提出了关于注水系统压力分布的压 力谷概念，应用大系统理论关联平衡法给出迭代算法，并得出结论； 在系统运行决策时，用严格的计算代替经验能有效提高注水系统效率， 降低能耗。大庆石油学院的田景文采用曲线拟合法分别建立了电动机 效率和轴输出功率模型、水泵模型，应用水力学方法建立了注水管网 的数学模型，并确定了管网的优化运行方案。2 0 0 1 年大庆石油学院的 常玉连等人在充分研究注水系统模型的基础上，提出了简化计算模型 的方法o ”，从而在满足计算精度的前提下，缩短了计算时间，提高了 计算效率。2 0 0 3 年刘万辉等人提出了基于生产运行仿真的油田注水管 网改造专家系统，该系统采用正反混合推理的控制策略，对管网进行 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 优化改造，从而达到提高管网系统注水效率和降低注水半径最大压力 损失的目的，为注水管网系统改造设计提供了一条合理，高效的途径。 国内其他油田也运用注水系统优化运行理论和技术，取得了一定 的经济效益。但是，由于国内油田以往对注水工作重视程度不够，并 且都集中在对单注水泵站的能耗和效率进行优化，而对由多个注水泵 站组成的大型注水系统的能耗优化，尤其是水力调配问题，并没有一 套很好的解决方法。虽然有一些单井设计的软件，但功能相对单一， 使用范围小，还没有一套在全国有影响的对注水系统整体进行优化设 计计算的辅助决策系统。 1 3 本文研究的意义 注水是油田开发后期维持地层压力，提高原油采收率的重要举措。 由于油田注水，既关系着原油产量的稳产高产，又影响着生产成本和 经济效益。因此，加强对注水系统运行效率的研究，做好注水泵站的 优化运行和技术改造，不仅有利于实现注水生产的均衡性和连续性， 而且对于降低能源消耗、节约生产成本具有重要的现实意义。近几年 来，胜利油田日注水量7 0 万方左右，注水平均单耗5 9 5 k w h m3 ， 按照每k w h 电费0 5 0 元计算，一天仅能源消耗就达2 0 0 多万元。如 果注水单耗能够下降0 5 k w h l m ，则一天可节约能源消耗资金1 7 5 万元，一年可创造经济效益6 3 8 7 5 万元。 近几年来，随着成本意识的不断提高和逐级划小核算单位的推行， 对注水系统节能降耗开始重视起来，并在注水泵拆级改造、局部管网 改造方面取得了明显成效，有效地促进了注水单耗的降低。在这些局 部研究中，都是以注水泵、注水管网等局部对象为研究重点，而很少 考虑局部对整个系统的影响。以注水泵为例，在设计、制造注水泵时， 考虑的往往只是如何提高注水泵的设计效率，而在使用中人们关心的 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 主要是如何提高注水泵的运行效率。实际上，不管是提高设计效率还 是运行效率，都是以提高局部对象一泵的效率为出发点的，其研究中心 均在局部对象。通过对注水系统运行效率的分析可知，泵效的提高并 不一定意味着整个注水系统的效率就一定会提高多少。因此，在对注 水系统进行局部研究的同时，必须大力开展对注水系统的整体研究。 采用系统分析方法和应用现代先进的数理理论对油田注水系统开 展节能降耗研究，是进一步提高注水管理水平和降低生产成本的迫切 要求。目前，胜利油田对整个注水系统的定量分析深入研究还远远不 够，特别是深入的系统分析至今尚未开展，再加上注水系统优化运行 本身牵涉到多个专业和部门，为研究带来了一定的难度，因此摸清现 有注水系统现状，加强对整个注水系统的优化调度研究，注重对注水 泵站的优化运行，必将促使注水生产更加合理，能源消耗不断降低， 从而为企业创造更加显著的经济效益和社会效益 8 串繇石油大学( 华东) 磺七论文第2 牵渣鞠注承系统现状癸耩 第2 耄油田注水系统巍拔分析 2 1 油田注水基本情况 2 1 1 注水泵研究现状 嚣兹，强内涵瓣使是的洼水泵从结构土可分为多扛技淼象和多级 离心泵两大类。；o 多缸高压柱塞泶的工作原理为：动力机经过传动 装鼗零懿噩蘸辍蓑转，逶：蓬遗耪，字头转缘为拄褰懿往复遴裁。当桎 塞从缸体中伸出时，缸内形成真空，把水吸入；当柱塞被腹入缸体中 辩，缸内体积缩小，把承摊鑫。程塞在动力梳带动下连续镶复运动就 能连续排粥岛压水。分段式多级离心泵的工作原理为：幼力机遇过 传动轴带动叶轮旋转产生离心力，把叶轮中的水甩向边缘，升轮入口 及时辁内裁造成7 真空，从嚣把水吸入；蓉砖轮遗续旋转，吸入的水 就被连续甩出，进入导叶；因导叶流道变火，流穗降低、动能则转化 蔻疆麓，麓蓬求爱进入7 下缓移轮或垂入管道。 多缸棱塞泵排量小、雁力高，在一些低渗透的中小油嗣的注水中 应粥院较合适；多缓离心鬣流量大、效率篱，丙菇鼍瑷运避增减盱轮 的级数来调节压力，因此税各类油田中广泛应用。 ( 1 ) 大功率高臌多级离心泵 大功警高压多缓离心袋是全国各太溜鞠注水主力泵型，压力等级 为1 6 m p a ，排量商1 4 0 、1 6 0 、2 5 0 、3 0 0 、3 5 0 、4 0 0 m h 等。其特点 受；簿量犬( 荤泵翥 萋最大莓这4 3 0 叠l h ) ，没农压力造孛霹达 2 5 m p a ) ，泵效较黼( 7 8 以上) ；可根据地层压力的变化，方便地增减 时轮的级数来谲节泵出日压力，良达到最佳匿配( 使泵管疆差减小舞 0 1 5 i v p a 以内) 。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油田注水系统现状分析 该类泵的典型代表有浙江瑞安市科尔泵业有限责任公司生产的 d f 系列高压注水离心泵。其特点是：泵体为多级节段卧式结构，进、 出段用穿杠连成一体，转子轴向力由平衡盘承受，整个转子装在泵两 端的滑动轴承上。泵吸入口为水平方向，吐出口为垂直方向。该泵采 用“三元流动理论”进行水力模型设计，材料选用2 c r l 3 、i c r l 8 n i 9 t i 、 o c r l 8 n i l 2 m 0 6 n ( c 1 5 ) 等不锈钢制造，并在摩擦部位采用钴、铬、钨硬 质合金堆焊工艺，具有可靠性好、效率高、耐腐蚀性能好、使用寿命 长等特点。该泵最常见的型号有d f 4 0 0 - 1 5 0 、d f 3 0 0 1 5 0 、d f 2 8 0 1 6 0 、 d f 2 5 0 1 5 0 等。以胜利油田为例，仅d f 3 0 0 - 1 5 0 型泵就有1 0 7 台，日 供水量为4 2 2 1 0 4 m 3 ，占离心泵总供水量的6 0 7 ，平均运行泵效为 7 6 8 。该油田还试验了大排量d f 4 0 0 - 1 1 5 9 型注水泵，并改造投产l 座泵站，注水能力为3 8 4 x1 0 4 m 3 d ，泵效达8 1 。 ( 2 ) 柱塞泵 国内油田对于注水排量小于5 0 m 3 h 的注水泵，大都选用柱塞泵， 型号有3 h 型、5 z b 型( 大港) 、3 d i 型( 潍坊) 、3 1 2 5 型、3 1 7 5 型( 宁波) 。 2 0 世纪9 0 年代以来，柱塞泵的研究已取得了一批新的科研成果和专 利，产品的系列化程度有了明显提高，可生产1 1 0 0 m h 、1 0 5 0 m p a 范围内各种高压柱塞泵，基本上可以满足油田的要求。 中原油田经过l o 年的开发，在一些独立的低渗透断块油田上，因 注水量不大、但注水压力要求很高，因此设计该区块的供水、注水、 配水自成系统。由于低渗透断块油田注水配注量在不断变化，而柱塞 泵的恒定排量与变化中的配注量很难合理匹配，因此采用变频调速技 术，对泵的出口压力和排量进行无级调节，达到了节电的目的，取得 了良好的效果。 ( 3 ) 增压注水泵 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油田注水系统现状分析 对高于系统压力的注水井点采用增压注水泵，是注水井增注和提 高系统效率的有效措施之一。各油田用最多的增压泵是柱塞泵，它有 低进高出( 进口压力低，小于0 i m p a ) 和高进高出( 进口压力可达 i o m p a 以上) 2 种类型，应用技术都己非常成熟。 2 2 2 注水管网研究现状 研究注水管网，必定要涉及管网的效率问题。注水管网效率。1 是 指在一个注水系统内，所有注水井井口压力与日注水量乘积的加权和， 相对于注水泵出口压力与泵日排量乘积的加权和的百分比。 为了研究上的方便，假设一单泵系统各注水井井口压力相等n 0 1 ， 从而给出管网效率的简化公式为： 刁2 莉r w ( 2 - 1 ) 式中，刁为管网效率，；易为井口注入压力，m p a ；a p 为管 网压力损失，f l a 。 由式( 2 - i ) 可见，只有降低管网压力损失，才能有效提高管网效率。 事实上，许多新工艺都是基于降低管网压力损失的考虑而提出的。例 如，提出的“三就地”注水节能新工艺m 1 ( 采出液就地脱水、就地处理、 处理后净化水低压输到配水间就地高压回注) ，所述有关合理布站优化 系统管网流程的工艺方法“，所提的做好注水规划设计的方法“”，显 然都有助于降低管网压力损失，提高管网运行效率。 2 2 注水工艺流程分析 向地层注入的水是从水源来，经过水处理、注水泵、管网、配水 问分配到各注水井去，目前国内注水工艺流程按设计形式主要有以下 几种： ( 1 ) 大站配水流程 1 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油田注水系统现状分析 注水站将水经注水干线送达支干线配水间，分配计量后进注水井。 这种流程的特点是配水间与计量间合建，便于管理，也容易调整管网。 适用于油田面积大，注水井多，注水量大的注水开发区块。 ( 2 ) 小站配水流程 注水站、配水间合二为一。从注水泵出来的高压水经配水间分配 计量，直达注水井。 ( 3 ) 泵井配水流程 从注水泵出来的高压水直接抵达注水井。对于同一区块内少部分 低渗透的注水井，可采取阶梯式增压注水工艺，根据井网半径大小， 可使几口井集中增压或实施单井增压。 2 3 注水系统能耗分析 注水系统能量的消耗粗略的说可以分为四部分“”。第一部分是 驱动注水泵电机损耗的能量，这部分能量可以用电机的效率曲线来描 述。油田使用电机的效率随轴功率而变化，效率约为9 6 ，也就是说 大约有4 的能量由电机本身消耗掉了。第二部分是注水泵消耗的能 量，这部分能量可以用水泵效率曲线来描述。它随水泵输出能量而变 化，目前油田用注水泵平均效率约为7 7 ，即每注一方水大约有2 0 的能量被注水泵消耗掉了。第三部分能量为管网摩阻损失，可以用管 网效率来描述。第四部分能量是将水注入地层所需要的能量。这部分 能量取决于油层所要保持的压力、储油层的性质和油层的动态等因素。 因为油田注水系统电量消耗很大，平均占油田用电量的4 0 以上，所 以开发油田注水系统节能技术和设备一直是油田节能降耗工作的重点 之一。 注水系统组成复杂，涉及内容多，由定义式直接计算其效率难度 大。在实际生产中，通常采用测试的方法进行计算。该方法以一个注 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油田注水系统现状分析 水管网和所辖的泵机组( 可能有一个或多个泵机组) 及注水井作为一个 注水系统进行测试和计算嘲。其主要程序如下：测试和计算各运行 电机效率，并计算该系统全部运行电动机的平均效率：测试和计算 各运行注水泵效率，并计算该系统全部运行注水泵的平均效率；测 试和计算注水管网效率；将电机平均效率、注水泵平均效率和管网 效率相乘，得到注水系统效率。 ( 1 ) 电动机效率计算 电动机的运行效率公式为： 仉：生生掣o ( 2 - 2 ) 1 e 只= 3 儿，c d s 妒( 2 - 3 ) 式中，叩t 为电动机效率，；只为电动机输入功率，k w ；，为电 动机线电流，a ；【，为电动机线电压，k v ；c o s ( g 为电动机功率因数； 为电动机空载功率，k w ；r 为电动机定子直流电阻，k q ；k 为 损耗系数，随电动机杂散耗、转子铜耗功率的增大而增加；常用的2 极1 0 0 0 k w 2 2 5 0 k w 电动机的k 值为0 0 0 9 0 0 1 l ，一般可取 o 0 1 。 o 电动机的平均运行效率，按式( 2 4 ) 计算： 一 乞 ，7 。= 号_ 一 ( 2 - 4 ) 巴 t l 式中，叮。为电动机平均效率，；匕为第i 台电动机输入功率，k w ： 巩为第i 台电动机功率，； ( 2 ) 注水泵运行效率计算 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油田注水系统现状分析 电机与注水泵直接连接时，轴功率按公式( 2 5 ) 计算： 尸p = 只+ ，7 。( 2 - 5 ) 式中，只为注水泵轴功率，k w 。 注水泵效率计算： 轳警。 ， 式中，耶为注水泵效率，：q ，为注水泵流量，m h ；p 。为泵 进口压力，m p a ；p 2 为泵出口压力，m p a 。 注水泵平均运行效率按公式( 2 7 ) 计算： 一 如 玎，= 旦= - 一 ( 2 7 ) 式中，叩，为注水泵平均效率，；气戈第i 台注水泵轴功率，k w ； 为第i 台注水泵效率，。 ( 3 ) 注水管网运行效率计算 注水管网运行效率按公式( 2 8 ) 计篡： 几q 州 仉= 导一+ 1 0 0 ( 2 8 ) p 2 。q 叫 式中，仉为管网运行效率。：p 4 ，为第f 口注水井井口压力，m p a ； q 。，为第i 1 ：3 注水井注水量，m 3 h ；p ：，为第i 台注水泵的出口压力， m p a ；q ”。为第i 台注水泵流量，i t l 3 h 。 ( 4 ) 注水系统效率计算 注水系统效率按公式( 2 - 9 ) 计算： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油田注水系统现状分析 ，7 = 玎。+ r p + j 7 。( 2 - 9 ) 式中，7 为注水系统效率，。 ( 5 ) 注水站效率计算 注水站效率按公式( 2 1 0 ) 计算： 叩，= ! 竺j j ；势+ z 。c z z 。，仉2 1 菥q 0 0 ( z 。u j 式中，r , 为注水站效率，；p 3 为注水站外输水出站压力，i v l p a ； g ，为注水站外输水流量，m 3 h ；只为注水站拖动注水泵电动机输 入功率之和，k w 。 o 注水站平均运行效率按公式( 2 11 ) 计算： 一 巴+ r 。= 旦了一 ( 2 。1 1 ) 巴 式中。叩。为注水站平均运行效率，；巩为第i 个注水站运行效率， ；巴为第f 个注水站拖动注水泵电动机输入功率之和，k w 。 ( 6 ) 注水系统平均效率计算 油田( 区块) 注水系统平均效率按公式( 2 一1 2 ) 计算： 一仇+ 咒 7 ，= 旦丁一 ( 2 1 2 ) 匕 式中，孑。为油田( 区块) 注水系统平均效率，；矾为第i 个注水系 统平均效率，；岛为第i 个注水系统的注水泵电动机输入功率，k w 。 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油田注水系统现状分析 2 4 注水系统节能技术 以前，由于对一些区块注水量的估计偏高，再加上设备的冗余系 数留得过大，导致了注水站建站规模大，备用泵数量多，泵的利用率 较低。随着油田控水稳油措施的推行，油田的注水量呈下降趋势，注 水参数也随着地质要求而不断变化，设备与工艺不相符的矛盾日益突 出。少数注水泵站，泵压超过干压2 m p a 以上，而有的泵站仍然采用 阀门回流方式，造成了不必要的能源浪费。 近几年来，油田设备管理努力改变工作思路，在重视设备完好可 靠的同时，加强了设备经济优化运行，积极开展以节能降耗为重点的 注水泵技术改造，取得了明显的经济效益。实践证明，加强对注水泵 站运行效率的研究，做好注水泵站的技术改造，不仅有力地保障了注 水生产的顺利进行，而且对于节约生产成本发挥了重要作用“”。现将 注水泵站优化运行与技术改造的主要措施总结如下： ( 1 ) 在满足扬程要求的前提下，优先选用高效大排量的离心式注水 泵 由于大排量离心泵过流面积大，阻力小，使之容积损失和水力能 变换损失小，泵效比小排量泵高。目前油田己经全部淘汰了6 d 型老式 注水泵，推广使用了d f 4 0 0 、d f 3 0 0 、d f 2 5 0 等d f 系列新型离心注水泵。 近几年来，浙江瑞安水泵厂和温州嘉利特泵业有限公司在油田离心注 水泵的更新改造上发挥了主导作用。他们除了建立完善的服务体系之 外，还与其所生产的d f 系列注水泵整体技术性能国内领先有密切关 系：该系列泵的叶轮采用三元流动计算方法设计型线，其导叶采用改 进后的流导式导叶结构，使泵的性能进一步得到改善。 ( 2 ) 对离心注水泵站实施拆级改造 1 6 中胬石油大学( 华东) 酸士论文第2 牵渣糟注承系统瑶袄分褥 隧着漕疆注求泛艺参数熬不疑变毒 二巍调整，涵麓基经砖多套裹心 式淀水泵实施了拆级改造。目前，普遍的做法是在原泵上拆掉1 级或 2 缀辞轮豹情况。校据离心象翡赣议理论，缀显然蓬秀褶液降低，带 能效果必然显著。通过对d f 3 0 0 等型离心式注水泵进行拆级改造，整 个淀水站得至优纯运行，注水泵阀门控制损失平均下降0 。1 6 m p a ，配 水闸控制损失下降0 。5 6 1 v f p a ，注水单耗平均降低0 6 k w h m 3 。 ( 3 ) 实施设备增容升级改造 峦予d f 4 0 0 、d f 3 0 0 、d f 2 5 0 型裂豹圭簧零部转遥熙性、嚣按蛙好， 通过更换叶轮与导叶后可嶷现三种浆之间的转换，在实施增容升级改 造中充分俗蠛了这技术优势，达爨了投瓷少、觅教茯戆瓣豹。 注水聪力相对较低的牌位，如d f 3 0 0 - 1 5 0 x 9 跫注水泵配备2 0 0 0 千瓦电视j 筝在一定的功率富裕闻籁。结合泵的正常大修，将箕改秀 d f 3 5 0 - 1 5 0 x 9 型袋，单裂摊量可提高5 0 m 3 h ，年可静电3 0 万 k w h ，缀济效益十分可观。 4 ) 实攘除撵裂绞造，经泵站遮霞缝合魏耱类大大增麴 为了便于管理，原设计一座泵站只配鬣一种型号的泣水泵，在排 量不翟配静注承泵蛄琵源滚费较为严重。锌黠这秘情况，积极实熬多 型号台阶式配置改造。如胜利采油厂胜七往水站原安装有d f 3 0 0 泵5 台，日供水1 8 0 0 0 m ，正常开泵2 3 台，使用申鬻出现帮2 台不是， 没水泵超受萤运纷，牙3 螽泵供水能力过火，注水泵节流运行。为了 改爱这种状况，将2 台d f 3 0 0 泵分别更换为d f l 6 0 、d f 4 0 0 泵各l 台， 聪链改善了注拳裂豹运孬工嚣“。 ( 5 ) 在扬程要求较高、注水量较小的情况下，将离心泵站改造为柱 塞泵菇 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油田注水系统现状分析 滨南采油厂滨三注水站改造前，安装有4 台6 d 1 0 0 1 5 0 1 3 型老 式注水泵，日注水量仅为1 2 0 0 m3 。一天即使只开1 台泵，注水量也 超过了实际配注量的1 倍，多余的注水只能靠节流或打回流处理。通 过改造，将4 台高压离心注水泵更新为高压柱塞泵，并新上了一套一 拖二变频器，实现了无回流注水。改造后日节电量l 万k w h ，注水 单耗由1 4 k w h i m 3 下降为6 k w ，h i m 3 。 ( 6 ) 对高压往复式注水泵及其主要零部件进行改造 高压柱塞泵主要用在低渗透油田及断块油田，目前仍以3 h 一8 4 5 0 型和5 z b 型为主，3 s 1 7 5 和3 d 系列也逐步得到应用。改造方法一般是 在原型机座基础上采用新型泵代替旧式泵，从而改善泵站设备技术素 质，降低设备维修费用和机油损失，提高泵的运行效率。 同时，积极实施往复式注水泵液力端的改造。改进后的阀体结构 简单，整体组合安装；取阀维修方便，各阀体之间为分体结构，当一 个腔失效后只需更换一组。同时泵阀吸入压力要求低( o 0 6 0 i o m p a ) ，不需要配备其它供水装置。阀体材料为不锈钢，耐腐蚀， 适应目前油田污水回注的需要。 ( 7 ) 采用变频技术对注水泵站进行改造 电动机调速中用的较多的是变频调速，但大功率高压变频调速技 术( 离心注水泵均配备1 0 0 0 k w 以上的6 0 0 0 v 高压电机) 由于价格昂 贵，初期投资大，目前还远远没有普及，而且推广应用还有待深入论 证分析。从油田应用变频调速技术的实际情况看，主要在离心输油泵 站和柱塞泵上推广使用变频调速技术为主。该技术能大大改善电动机 和泵的工况，延长易损件的维修间隔，减少泵维修造成的停泵次数， 并且一次性投资后，仅通过节能降耗一项，短期内就可收回投资成本。 如现河采油厂河6 8 注水站装有3 台5 z b 一1 2 4 2 型往复式注水泵，单泵 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油田注水系统现状分析 额定排量为3 6 m 3 h 。根据测试，实际运行时的排量为2 5 m 3 h ，该 站日配注水量为9 6 0 m 3 d ，平均注水4 0 m 3 h 。该站正常运行两台泵， 总排量为5 0 m 3 h 。实际注入地下的水只有4 0 m 3 h ，1 0 m 3 h 的排量 采取打回流的方式而成为无用功率通过采用变频器进行改造，该站 l 台泵工频运行，排量为2 5 m 3 h ，1 台泵采用变频运行，排量为 1 5 m 3 h ，正好与日配注量相符。 ( 8 ) 实施设备在线检测 为了实现注水泵站设备安全经济运行，油田推广应用了泵站在线 监测系统，不仅能够实时监测注水泵运行工况，而且实现了对注水泵 自动调节控制。该系统具有对注水泵站调控、巡视、保护、数据处理 和网络通讯等五大功能，实现了对注水泵出口阀门开闭度无级同步调 速，并通过对注水泵输出流量、扬程、电机电流等参数监测、计算、 优化，始终控制注水泵在高效区内运行，从而达到了稳压注水、节能 降耗和提高泵站管理水平的目的。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水系统单元模型 第3 章注水系统单元模型 一般的大型注水系统由注入水处理系统、注水站、注水管网、配水 间和注水井等几部分组成，由于每个注水站都建有比较大型的储水罐， 因此可以忽略污水处理系统和注入水系统对整个注水系统的动态影 响。 3 1 注水泵站 3 1 1 注水泵工况点的建立 任何一台离心式注水泵都必须和一定的管线系统联合工作。泵向 液体提供能量，给液体以动力；而管线则消耗液体的能量，给液体以 阻力。泵向液体提供能量的规律，即泵的压头随流量而变化的规律， 可以从常见的离心泵特性曲线得到。管线特性曲线表示管线中液体阻 力( 即消耗压头) 与其流量之间关系的曲线，如图3 一l 所示： 图3 - 1 管线特性曲线 整个泵装置管线中的阻力损失包括：吸入管线和排出管线中各项 沿程阻力损失和局部阻力损失。用下面的水力学公式来计算： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水系统单元模型 一( 爹豺p ( 砖剽。， = 参 等+ 等卜鲤2 式中，a p 为注水管网从起点到终点的总压降，p a ；户为管网中 的注入水的密度，k g m 3 ； 为水力摩阻系数；乃为当量摩阻系数； 厶为各段管路的长度，m ；z 为各段管路的内径，m ；l ，为各段管 路的当量长度，1 1 1 ；d ，为各段管路的当量内径，m ；v 为注入水在管 网中的流动速度，m s ，它的大小取决于管网中的水流量q 和各管段 的过流面积：k 为各项阻力系数及管径等常数项，对某一给定的管线 因此，管线中总的阻力损失可表示为： p = 豳2 ( 3 2 ) 一一 由上式可以看出，液体在管线中流动时，流体受到的阻力与流量 的平方成正比，因而管线的特性曲线为一抛物线。若是考虑由于地势 的高低起伏引起的压力差h ，那么将原来的管线特性曲线在纵坐标上 向上移动h ，就将得出一条新的管线特性曲线，如图3 - 1 所示。 图3 - 2 是将注水泵的特性曲线与管线特性曲线绘制在了同一个坐 标系下： 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水系统单元模型 h h h h 图3 - 2 注水泵的特性曲线与管线特性肚线 注水泵的h q 特性曲线表示在不同的流量q 下注水泵所能提供 的有效压头的情况。而管线特性曲线表示在不同流量q 下管线所消耗 的能量，管线特性曲线与纵坐标的交点视静压头h 而定。 当注水泵在某一工况条件下稳定工作时，从能量平衡的观点来看， 注水泵所提供的有效压头必定等于相应的管线所消耗的能量，即 h = h j + h 。 由于泵所排出的流量等于管线中流动流体的流量，因此泵的特性 曲线与管路特性曲线的交点a 就是泵的工况曲线，注水泵必定在此点 上工作。如果注水泵的工况点不在图示的a 点而是在图上的d 点，则 此时泵给液体的压头为h ，d ，将小于管线在此流量下所需要消耗的压 头h 。，也就是说注水泵给液体的能量不足以使液体在管线中以给定 的速度正常流动，这样管线中流体的速度必然要降低，注水泵的工况 点就会自动由d 点向a 点移动；又如泵的工况点不是a 点而是e 点， 那么这时注水泵给流体的能量h 。将大于管线消耗的能量h ：，于是多 2 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水系统单元模型 余的能量将会转化为动能，使流体的流速增大，流量也就会相应地增 大，从而工况点向a 点移动。 。由此可见，注水泵的工况点必然落在泵的特性曲线与管线特性曲 线的交点上。 3 1 2 注水泵流量的调节 在实际使用中，往往需要对离心式注水泵的流量进行一定的调节。 调节泵的流量，也就是要相应地移动工况点的位置。为此，必须改变 泵或管线的特性曲线。管线特性曲线可利用排出口的闸门进行调节， 而泵特性曲线可用改变转速、改变叶轮级数和车削叶轮外径等方法来 进行调节。 通过调节排出阀门的开启度，改变阀门所消耗的压力损失，便可 获得一系列新的管线特性曲线。 h h 图3 - 3 注水泵的特性曲线与不同管线特性曲线协调 如图3 3 所示，管线特性曲线i 表示阀门全开时的情况，它与泵 的特性曲线h - q 的交点为1 ；曲线i i 表示阀门开启度减小时的管线 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水系统单元模型 特性曲线，由于阀门的开启度减小，能量消耗增大，所以管线特性曲 线变陡，它与泵的特性曲线h q 的交点为2 。 从图3 - 3 可以看出，当流量为q ：时，由于阀门开启度交小，所以 阀门上增加了压力损失衄= h 2 一z ，此时，泵装置的调节效率t 1 ： 为： 日： m 叫1 茸钏1 0 - 3 ) 这种调节方法的缺点是：在阀门上的能量消耗增大，泵装置的调 节效率低；其优点是设备简单，调节方便。目前油田上有相当一部分 注水站都是采用这种方式进行流量调节。 3 1 3 注水泵联合运行研究 当系统中要求的流量很大，用一台泵流量不够时，需靠增开台数 以实现大幅度调节流量时，宜采用并联运行o ”1 。 两台泵并联时的工作特性曲线如图3 - 4 所示： 图3 - 4 两台泵并联时的工作特性曲线 2 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章注水系统单元模型 这时两台泵吸入口与出口压力均处在相同的压头下运行，而且在 总管中的流量为两泵流量之和。于是并联泵的总特性曲线，是由同一 压力下的各泵流量叠加而得。具体做法是：在特性曲线图上先绘出一 系列水平虚线，这就是一系列等压线，然后，在每根水平线上，将与 各泵的特性曲线交点所对应的流量相加，便找到了两泵并联总特性曲 线上的一点。依此类推，便可绘出两泵并联工作的总性能曲线，如图 中的g a 线。这条曲线左端终于g 点的原因是，第一台泵所能提供的最 大压头不能大于h g ，如需压头再高，则超出了第一台泵的压力范围。 接下来对两台并联之后的注水泵进行工况分析： 从图3 - 4 可看出：c e 为管路曲线，它与两台注水泵并联之后的特 性曲线的交点是a ，就是并联运行的工作点，其流量为q 。，压头为h ， 它代表联合运行的最终效果；过a 点做水平虚