注水泵電機匹配的優(yōu)化方案

注水泵電機匹配的優(yōu)化方案

注水是油田開發(fā)中穩(wěn)定油產(chǎn)量的重要措施之一。它有效地補充了地層的能量,對提高原油采收率,確保油田高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)起了到積極作用。但注水本身也是一個能耗大戶。據(jù)統(tǒng)計,1997年中原油田累計注水3820×104m3,累計耗電32690×104kW·h,僅注水耗電就占油田總用電的40%左右。由于中原油田開發(fā)初期采用滾動方式,客觀上造成了一些注水設(shè)備選型和管網(wǎng)布局不夠合理,設(shè)備利用率低,注水管網(wǎng)中有些局部負(fù)荷過重等現(xiàn)象。隨著油田進入高含水開發(fā)期,注水量大幅度增加,注水耗電亦大幅度上升,能源浪費日趨嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,我國注水泵運行效率平均為72.1%,國內(nèi)先進值為78.09%(大慶),國外為80%~85%,中原油田平均為68%。國內(nèi)注水用電單耗平均為6.94kW·h/t,先進值為6.15kW·h/t,國外為5.6~6.0kW·h/t,中原油田注水單耗為8.5kW·h/t。全國平均注水系統(tǒng)效率為47.8%,中原油田注水系統(tǒng)效率僅為40%。由此可見,中原油田注水系統(tǒng)效率和注水單耗技術(shù)指標(biāo)與國內(nèi)、國外相比都有很大的差距。因此,提高注水系統(tǒng)效率,節(jié)能降耗,在中原油田有著很大的潛力可挖。1.油田日化學(xué)成分比較注水系統(tǒng)效率是一項反映油田注水系統(tǒng)地面工程綜合性經(jīng)濟技術(shù)的指標(biāo),注水系統(tǒng)效率的高低直接影響著原油生產(chǎn)成本的高低。隨著油田開發(fā)工藝技術(shù)的不斷發(fā)展,全國各油田在注水系統(tǒng)上已初步形成了適合本油田各種類型油藏、不同注水壓力、不同水質(zhì)特點的滿足油田注水開發(fā)需要的地面工藝技術(shù),為油田的穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。但隨著油田開發(fā)難度的增加,大部分油田的注水系統(tǒng)效率都未達到標(biāo)準(zhǔn)要求,在此方面,中原油田面臨的形勢更為嚴(yán)峻。1.1全油田增注能力中原油田經(jīng)過十多年的開發(fā)建設(shè),建成大型離心式注水站13座,柱塞泵站(含增注站)72座,單體增注泵271臺,全油田注水能力21.0×104m3/d,增注能力達5.5×104m3/d。目前,全局日注水量11.0×104m3左右。經(jīng)過近幾年的不斷發(fā)展和完善,油田注水已形成了高壓(40~32MPa)、中壓(20~28MPa)、常壓(<18MPa)三套注水壓力的系統(tǒng)流程。1.2國內(nèi)外注射系統(tǒng)現(xiàn)狀1.2.1注水泵的運行效率我國油田注水泵工作壓力一般在18MPa左右,泵排量在150~400m3/h。1992年全國平均注水泵運行效率71.2%,長慶油田注水泵平均運行效率75.5%,大慶薩南油田平均運行效率78.09%,大港油田平均運行效率71.0%。為了提高注水泵效率,除對注水泵采用打光葉輪、改造流道等技術(shù)措施外,主要推廣使用大中型高效注水泵。目前,大慶油田使用的D250、D280、D300、D400注水泵,運行效率達76%~81%。大港油田、華北油田使用的6D80、6D100注水泵通過改造流道后,使注水泵效由原來的68%提高到74%。中原油田大部分離心泵采用D250型,近年來,隨著油田注水量不斷增加,離心泵的運行數(shù)量與實際配注量不相匹配,導(dǎo)致注水能耗不斷增加。為此,通過技術(shù)論證,先后在濮一聯(lián)、濮三聯(lián)、衛(wèi)城、胡二注水站部分更換DF300、DF400大型離心注水泵,該泵泵效率平均可達到72%~78%。國外多級離心泵都向大排量、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展。尤其是德國KSB公司生產(chǎn)的多級離心泵,流量范圍為392~4454m3/h,揚程1423~3803m,轉(zhuǎn)速4460~6700r/min,有些泵效高達82.5%以上。1.2.2柱塞泵注意事項國內(nèi)油田對于注水排量小于50m3/h的注水泵,大都選用柱塞泵,主要采用3H型、5ZB型(大港)、3D1型(濰坊)、3125型、3175型(寧波)。柱塞泵運行效率高,一般在80%~82%左右。由于它具有排量小,匹配組合靈活的優(yōu)點,多用于注水量小的外圍油田和產(chǎn)量低的斷塊油田及高壓注水油田。中原油田在文東油田、濮城(沙三段)油田、橋口油田采用柱塞泵注水,目前注水效率較高。從使用情況看,柱塞泵使用初期由于進泵水壓偏低,泵排量不足,使排液閥磨損增大。柱塞泵最大的缺點是運行噪音大,易損件多,維修周期短。1982年,江漢油田從美國KOBE公司引進4JC3型和TA5型三柱塞泵,在馬西深層油田使用,運行效果良好,產(chǎn)品質(zhì)量過硬,3~5年不大修,比國內(nèi)柱塞泵使用壽命長。1.2.3滲透層的增壓水工藝近幾年來各油田為提高注水系統(tǒng)效率和配注率,采用了對特低滲透層的增壓注水工藝,其中主要使用增壓泵。中原油田自1989年在文南油田采用高壓增注地面工藝流程以來,目前注水工藝流程和注水設(shè)備選型已完善和成熟,應(yīng)用效果較理想。1.2.4注水泵系統(tǒng)效率注水用電單耗主要由注水泵運行效率、電機運行效率、管網(wǎng)平均運行效率和注水壓力決定。我國油田注水壓力一般在12~16MPa,平均注水泵效率為72.1%,注水系統(tǒng)效率47.8%?！鞍宋濉逼陂g中國石油天然氣總公司規(guī)定注水用電單耗不能超過6.0kW·h/t,大港油田為7.79kW·h/t,中原油田為8.5kW·h/t,而國外平均為6.0kW·h/t。我國注水用電單耗平均水平與國外差距較大,中原油田注水用電單耗水平差距就更遠(yuǎn)。1.2.5喝水準(zhǔn)備在工藝流程上,國外一般采用二級注水流程,便于管理和實現(xiàn)自動化。我國大多采用以下幾種流程。(1)配水間管井控制該流程由注水站將水經(jīng)單管水干線輸送到多井配水間。每干管承擔(dān)3~4座配水間,每座配水間控制4~6口井,計量后進注水井。它的特點是便于調(diào)整注水管網(wǎng),配水間可與油氣計量站合一,便于管理。這種流程適用于油田面積大,注水井多,注水量大的大面積注水開發(fā)的區(qū)塊,如大慶、勝利、遼河等油田多采用該流程。(2)井身份證號25口井該流程的特點是配水間在井場,每條干線管轄1~5口井,分層測試方便。適用于油田面積大、注水井多、注水量較大的行列注水開發(fā)區(qū)塊。如大慶油田多采用該流程。(3)洗井用水單井過水層該流程從注水站到配水間有兩條干線,一條用于正常注水,一條用于洗井用水。適用于單井注水量較小的地區(qū),有利于保持水質(zhì)。該流程多用于洗井次數(shù)多和酸化、壓裂等較多及環(huán)境條件要求高的區(qū)塊。(4)分層注漿增油當(dāng)多油層油田的滲透率差別很大時,需要用壓力不同的兩套管網(wǎng),對高、中滲透層和低滲透層實行分層注水,既滿足高滲透層系統(tǒng)的注水壓力,節(jié)約了能量,也滿足低滲透層的注入壓力,使低滲透層吸水能力增加,達到了增油效果。(5)增加水循環(huán)流對于同一區(qū)塊的部分特低滲透層的注水井,同一管網(wǎng)的注水壓力注不進水,需要采用增注措施,如中原油田的文南油田增注站,注水效果很好。1.2.6注水泵的性能主要已出現(xiàn)的問題(1)在工藝流程上,國外一般采用二級注水流程(即注水站內(nèi)設(shè)配水間,注水干線串注水井)。這種流程便于管理和自控操作,而我國大都采用三級流程(即注水站、配水間、注水井口)。(2)在穩(wěn)定注水水質(zhì)上,國外技術(shù)措施完善,如注水管線有內(nèi)涂層,注水站內(nèi)設(shè)置中心過濾器,井口設(shè)置井口過濾器,并配套投加水質(zhì)穩(wěn)定藥劑。目前國內(nèi)注水管道的內(nèi)涂層,特別是接口技術(shù)雖基本過關(guān),但中心過濾器和井口過濾器未全面推廣使用,水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)尚未完全配套。(3)注水自動化水平國外比國內(nèi)高。全部運行工況和故障情況,包括注水壓力、流量、效率、功率、振動、溫度等都實現(xiàn)了計算機監(jiān)控。(4)國內(nèi)注水泵產(chǎn)品系列初步形成,但品種不全,還不能滿足各油藏注水開發(fā)的需要,國外有完整的系列產(chǎn)品可供選用。(5)國外柱塞泵產(chǎn)品質(zhì)量好,3~5年不大修,國內(nèi)柱塞泵易損件多,一個站一年更換500~600件次。2.采用供水系統(tǒng)的能耗和節(jié)能分析2.1采用供水系統(tǒng)的組成和功能流模式注水系統(tǒng)可分為站內(nèi)和站外兩部分,一般由電動機、注水泵、節(jié)流閥(泵站控制及配水間控制)、管網(wǎng)及注水井口等5個單元構(gòu)成(見圖1)。2.2降能耗的節(jié)能技術(shù)由注水系統(tǒng)的能流模型圖分析,根據(jù)能量平衡原理可知W0=D1+D2+D3+D4+W4=ΣD+W4。式中W0為注水系統(tǒng)的能耗,ΣD為能量損失(能耗)。要想降低能耗W0,必須降低ΣD和W4,而W4(W4=ΣQP)一般是確定的數(shù)據(jù),不能改變,所以不是節(jié)能對象。因此,只有降低損失ΣD,才能達到節(jié)能降耗的目的。即要設(shè)法降低電機損失D1\,水泵損失D2、節(jié)流損失D3及管網(wǎng)磨損D4。根據(jù)國內(nèi)油田的調(diào)查,對注水系統(tǒng)的能損可做下列分析。(1)電機損失c1在整個損失中一般占5%~10%,其大小主要取決于電機自身的無功能耗多少,受設(shè)備機型和質(zhì)量優(yōu)劣影響較大。(2)泵損失b2在整個能量損失中大約占60%~70%,所占比例最大,其損失量主要由機械磨損、容積漏損和水力能量變換損失構(gòu)成。(3)分組成的損失一般占整個損失15~20%,主要由兩部分組成,即泵出口閥的節(jié)流損失和配水間的節(jié)流損失。其大小與節(jié)流閥的位置無關(guān),主要因泵的排量和泵壓與實際所需不匹配造成。(4)引起污染的部位占整個能量損失5%~10%,其值與配注管線的大小、長短、內(nèi)壁粗糙度等直接相關(guān)。綜上所述,要降低注水能耗,必須從降低D1\,D2\,D3\,D4入手。在注水系統(tǒng)中,任何節(jié)能降耗技術(shù)的研究(對策及措施),都是圍繞上述4個環(huán)節(jié)所展開的。3.提高sp水系統(tǒng)效率的方法3.1注水泵的改造電機運行效率是電機運行時輸出功率與輸入功率之比。中原油田經(jīng)過多年的實踐和探索,對大型注水離心泵的電機匹配,有了一些經(jīng)驗,如濮三聯(lián)注水站,隨著注水量的不斷增加,將原D250型注水泵(3臺)改為D300型后,使原電機功率1600kW增加至1800kW,既滿足了生產(chǎn)工藝的要求,又節(jié)省了二次投資,同時也提高了泵效。1994年將馬寨注水站注水泵電機由風(fēng)冷改為水冷,從而提高電機效率1.5%~2.5%,為今后的改造項目提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。3.2提高注水泵的運行效率(1)注水泵防水劑系統(tǒng)大排量離心泵的過流面積大、阻力小、容積效率和水力效率也較小排量泵有顯著提高。因此,選用大排量泵是提高注水泵效率最有效的途徑之一。中原油田開發(fā)早期,由于注水量小,設(shè)計中多選用型號為6D155或6D100注水泵,該泵運行效率一般在65%左右,注水耗電指標(biāo)超過有關(guān)要求。隨著中原油田進入開發(fā)中期(1986~1992年前后)注水量大幅度上升,小泵很難適應(yīng)這種生產(chǎn)的需求,因此,根據(jù)注水系統(tǒng)的需要,當(dāng)時將濮一聯(lián)、文一聯(lián)、文二聯(lián)等6個離心泵注水站的6D155或6D100注水泵陸續(xù)更換為D250型注水泵,該泵效率一般在75%左右。隨著油田進入高含水期,許多老油田每年注水量都有大幅度增長。1993年以后,先后在濮三聯(lián)、胡二注、衛(wèi)城等站將D250型改為D300或D400型注水泵,使泵運行效率提高到78%左右。如1995年經(jīng)設(shè)計多方面論證,將濮一聯(lián)D250注水泵(1臺)更換為D400型注水泵,注水效率提高10%。單泵年可節(jié)電360×104kW·h,節(jié)約電費172.8萬元(以當(dāng)年工業(yè)用電0.48元/kW·h計),當(dāng)年可收回投資。由此可見,隨著油田高含水期注水量的不斷增長,根據(jù)油田開發(fā)生產(chǎn)的實際情況,合理選用大排量高效注水泵,注水系統(tǒng)效率就高,節(jié)能降耗效果就明顯。(2)高壓柱塞泵組成補壓泵中原油田經(jīng)過10年的開發(fā),在一些獨立的低滲透斷決油田上,注水少,注水量不大,但注水壓力要求很高。因此,設(shè)計注水工藝采用整體式方式(即供水、注水、配水自成系統(tǒng))。注水設(shè)備選用高效柱塞泵,該類泵具有效率高、操作簡單、節(jié)能等優(yōu)點,目前該類泵在中原油田得到了廣泛的應(yīng)用,其中較典型的有文東油田和橋口油田。為了更好地應(yīng)用該泵,1997年在文東油田55#注水站中,試用高壓柱塞泵變頻調(diào)速技術(shù)。由于低滲透斷塊油田注水配注量在不斷變化,而柱塞泵的排液量是恒定的,這樣造成柱塞泵的排量與變化中的配注量很難合理匹配。所以,有時注水站多采用打回流的方式進行注水量的調(diào)節(jié),這樣就使得站內(nèi)水質(zhì)變壞和造成電能的浪費,從而降低了注水系統(tǒng)效率。柱塞泵的排量與電流頻率成正比,柱塞泵采用變頻調(diào)速時,可隨注水參數(shù)的變化,進行無級調(diào)節(jié),達到節(jié)電的目的。通過在文東55#注水站的試驗,取得了良好的效果?，F(xiàn)準(zhǔn)備在今后的設(shè)計改造項目中推廣,這也是提高注水系統(tǒng)效率,節(jié)能降耗行之有效的途徑。3.3注水泵綜合回收量過大造成管線壓力注水管網(wǎng)效率的高低,取決于從注水泵出口的管網(wǎng)壓力損耗的大小和井口實際注水量與泵排量的比值關(guān)系。通過監(jiān)測分析,管網(wǎng)能量損失主要有以下幾方面:(1)泵出口閥的節(jié)流損失。這主要是受配注量的制約,如1995年胡二注3#注水泵由于受配注量限制,泵出口壓力18.5MPa,閥后管線壓力17MPa,閥門節(jié)流損失1.5MPa。(2)管線阻力損失。從中原油田注水管線現(xiàn)狀的分析可以看出,早期投產(chǎn)的老油區(qū),隨著油田滾動開發(fā),管線敷設(shè)逐漸延長,節(jié)點也不斷增加,管線結(jié)垢厚度已達10~15mm,且腐蝕嚴(yán)重。目前,除了清洗注水管網(wǎng)外,已把工作重點放在水質(zhì)達標(biāo)上,通過采用水質(zhì)綜合治理技術(shù)使水質(zhì)變好,使油田注水管網(wǎng)沿程損失由2.5MPa減少為1.3MPa,使管網(wǎng)效率由64%提高到65.5%,年節(jié)電400×104kW·h。(3)配水間的節(jié)流損失。經(jīng)監(jiān)測,油田內(nèi)凡是用多井配注流程的注水系統(tǒng),管網(wǎng)壓力損失在4.5~5MPa之間。3.4注水泵及水泵注意事項為提高注水管網(wǎng)效率,降低管網(wǎng)損耗,在設(shè)計中采用了以下技術(shù)措施和原則:(1)在設(shè)計上注水泵站盡量布置在一個注水轄區(qū)的中心位置,縮小注水半徑,將注水泵到注水井口的壓力損失控制在1MPa之內(nèi)。(2)根據(jù)注水需要,合理選擇注水泵,使泵的排量與實際注水量匹配相當(dāng),富裕不宜過大,避免節(jié)流控制,將泵管壓差控制在0.5MPa左右。(3)整體降壓與局部增壓相結(jié)合。為了滿足極少數(shù)吸水差的注水井配注需要,一些區(qū)塊被迫將系統(tǒng)