注水采油是油田提高原油采收率的主要方法,注水可彌補(bǔ)原油采出后所造成的地下虧空,保持合理的地層壓力。注水泵是油田注水系統(tǒng)中的重要設(shè)備,是油田注水生產(chǎn)系統(tǒng)的動(dòng)力之源。A廠油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)已進(jìn)入中、后期,注水量和注水壓力持續(xù)上升,采出水回注量持續(xù)增加,造成原有注水泵維修頻次高、泵效低、能耗高。面對(duì)油價(jià)持續(xù)低迷、生產(chǎn)成本大幅削減嚴(yán)重形勢(shì),A廠積極引進(jìn)并應(yīng)用注水泵節(jié)能降耗技術(shù),優(yōu)化注水泵運(yùn)行參數(shù),不僅有效提高了注水泵機(jī)組效率,全面提升了注水生產(chǎn)系統(tǒng)效率,大幅度降低注水系統(tǒng)用電能耗,對(duì)油田原油生產(chǎn)“有質(zhì)量、有效益、可持續(xù)”發(fā)展具有重要意義。
1A廠注水泵運(yùn)行現(xiàn)狀
A廠共有注水井2389口,開(kāi)井2190口,日注水量65887m3,2016年注水量達(dá)到2267萬(wàn)m3,現(xiàn)有注水站78座,在用注水泵撬295臺(tái)(套),其中污水注水泵134臺(tái),清水注水泵161臺(tái),電機(jī)總?cè)萘?.4萬(wàn)kW,注水單耗6.8kW?h/m3,其中注水系統(tǒng)用電量約占總用電量的30%(圖1)。注水泵能耗損失較高的主要原因有4個(gè)方面,一是采出水對(duì)注水泵液力端泵閥腐蝕嚴(yán)重,造成原設(shè)計(jì)為清水的注水泵液力端維修頻次高、泵效低;二是注水泵和站點(diǎn)注水量不匹配,使高壓水打回流,造成電能浪費(fèi);三是站點(diǎn)配注量變化后,注水泵的運(yùn)行方式?jīng)]有及時(shí)結(jié)合配注量進(jìn)行調(diào)整,無(wú)法使注水泵好的狀態(tài)下運(yùn)行。四是注水泵電機(jī)不符合《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》(GB18613—2012)要求,電機(jī)自身能耗較高。
2注水泵節(jié)能降耗技術(shù)
2.1主要應(yīng)用的技術(shù)2.1.1節(jié)能高效注水泵的應(yīng)用由于注采出水過(guò)程中受水質(zhì)腐蝕、含顆粒物等因素影響,造成注水泵液力端配件機(jī)械磨損嚴(yán)重、維修頻繁,排量下降、泵機(jī)組效率低于節(jié)能監(jiān)測(cè)限定值,普通分體式閥組無(wú)法適應(yīng)注采出水要求,出現(xiàn)液力端主要配件使用壽命不足120h,遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命720h的要求。A廠通過(guò)研究并引進(jìn)節(jié)能液力端,該液力端采用T字形結(jié)構(gòu)液力端結(jié)構(gòu),T形孔較十字孔能大幅度緩解工作腔內(nèi)倒角及其附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象;螺旋導(dǎo)向復(fù)合密封錐形組合閥組,金屬閥板錐面上結(jié)合非金屬密封材料,改善了密封性能;閥芯導(dǎo)向翼從直線型過(guò)渡到帶一定角度型,可使閥芯在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)360°稍有轉(zhuǎn)動(dòng),使閥結(jié)合面均勻磨損,自行修復(fù),提高閥的壽命(圖2);柱塞自動(dòng)調(diào)心技術(shù)、柱塞填料密封同步隔離技術(shù)、蓄能器的改進(jìn)、改性密封組件等技術(shù),延長(zhǎng)液力端主要配件使用壽命達(dá)到2800h以上,有效提高了注水泵泵效,降低了注水泵液力端維修頻次(圖3)。注水泵液力端改造前的機(jī)組效率測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果(略)。截止2017年先后改造65臺(tái)注水泵機(jī)組,經(jīng)長(zhǎng)慶技術(shù)監(jiān)測(cè)中心(依據(jù)SY/T6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》)對(duì)柳三轉(zhuǎn)等24臺(tái)注水泵進(jìn)行改造前后能耗監(jiān)測(cè),對(duì)比24臺(tái)注水泵監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,改造前注水泵平均機(jī)組效率72.28%,改造后注水泵平均機(jī)組效率80.55%,項(xiàng)目改造使注水泵機(jī)組效率平均提高8.27%。以機(jī)組效率和耗電量計(jì)算節(jié)能量,合計(jì)節(jié)電量為248.91×104kW?h/a,折算綜合節(jié)能量為831.36tce/a。表1、表2為長(zhǎng)慶油田環(huán)境與節(jié)能監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心的注水泵改造前后節(jié)能監(jiān)測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)對(duì)比情況。注水泵液力端改造后的機(jī)組效率測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果(略),注水泵液力端改造節(jié)能量計(jì)算表(略)。2.1.2高耗能注水泵電機(jī)更換高效電機(jī)是指達(dá)到或優(yōu)于《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》(GB18613—2012)標(biāo)準(zhǔn)中節(jié)能評(píng)價(jià)值的電機(jī)。高效電機(jī)通過(guò)降低電機(jī)定子繞組電阻損失、電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電阻損失、電機(jī)鐵耗損失、電機(jī)雜散損失、電機(jī)摩擦損失及流動(dòng)損失,提高電機(jī)效率。我國(guó)目前廣泛應(yīng)用的Y系列電機(jī)效率平均值為87.3%;高效電機(jī)的效率平均值為90.3%,超高效電機(jī)其效率平均值為91.7%。A廠2017年通過(guò)對(duì)91臺(tái)Y系列注水泵電機(jī)(總功率為19590kW)更換為2級(jí)的高效節(jié)能電機(jī)后,有效提高了注水泵電機(jī)效率。改造后電機(jī)效率提高3%,按照平均負(fù)載率80%,利用率0.7計(jì)算,每年可節(jié)電288.3萬(wàn)kW?h,節(jié)省電費(fèi)184.52萬(wàn)元人民幣(圖4)。2.1.3注水自動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng)應(yīng)用截止到目前A廠已實(shí)現(xiàn)110臺(tái)注水泵壓力自動(dòng)調(diào)節(jié),該系統(tǒng)具備了較高的可靠性和穩(wěn)定性,安裝后可實(shí)現(xiàn)完全關(guān)閉回流注水,通過(guò)自動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)注水壓力,大幅度減少注水機(jī)泵和閥門(mén)的維修費(fèi)用,減輕人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,達(dá)到提高注水系統(tǒng)效率和節(jié)能降耗的目的。2.1.4局部增壓技術(shù)應(yīng)用對(duì)于個(gè)別井注水壓力高的情況采用局部安裝注水撬或增壓泵,不需要注水系統(tǒng)整體升壓改造,可以降低投資,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。A廠自2008年開(kāi)始在塞392區(qū)產(chǎn)建使用第一臺(tái)注水撬,經(jīng)過(guò)8a的試點(diǎn)、推廣,目前已在全廠13個(gè)作業(yè)區(qū)推廣使用不同型號(hào)的各種注水撬60臺(tái)。2.2優(yōu)化注水泵運(yùn)行參數(shù)由于注水泵現(xiàn)場(chǎng)配注量的調(diào)整,以及注水泵安裝后參數(shù)通過(guò)變頻器(控制柜)調(diào)節(jié)范圍小,往往造成注水泵設(shè)備無(wú)法在好的綜合效率下運(yùn)行。因此,在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中需要對(duì)注水泵的參數(shù)結(jié)合每個(gè)站點(diǎn)的配注量和注水壓力、以及注水泵本身的負(fù)荷情況進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)注水泵在節(jié)能、高效狀態(tài)下運(yùn)行。注水泵參數(shù)優(yōu)化改造,依據(jù)注水泵理論排量=3.14×直徑2/4×沖程×沖次×缸數(shù)×60;注水泵電機(jī)功率=排量×壓力0.287×1.25;窄V帶小皮帶輪下限有效直徑9N/9J≥67mm,15N/15J≥180mm,25N/25J≥315mm;功率和轉(zhuǎn)速關(guān)系P1/P2=(n1/n2)22.2.1改變注水泵缸數(shù)調(diào)節(jié)注水泵排量改造前,大水坑鹽一轉(zhuǎn)注水泵型號(hào)5ZB400-35/25A,額定排量35m3/h,額定壓力25MPa,配注量14m3/h,泵出口壓力21MPa,配套有變頻器并安裝有自動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng)。關(guān)閉回流情況下,變頻器運(yùn)行頻率為20Hz,運(yùn)行過(guò)程頻繁因變頻器輸出電流過(guò)高(超過(guò)550A)自動(dòng)保護(hù)停機(jī),電機(jī)運(yùn)行頻率過(guò)低容易造成電機(jī)散熱差燒壞電機(jī),頻率較低造成注水泵動(dòng)力端轉(zhuǎn)速較低(轉(zhuǎn)速為91.6r/min)影響動(dòng)力端正常潤(rùn)滑,進(jìn)而嚴(yán)重影響注水泵正常運(yùn)行。采取抽掉2根柱塞,注水泵由原來(lái)的5缸泵改為3缸泵的改造方案。改造后運(yùn)行頻率45Hz,變頻器輸出電流350A,運(yùn)行正常。改造后,降低了注水泵額定排量,提高電機(jī)轉(zhuǎn)速,確保注水泵動(dòng)力端合理潤(rùn)滑。相比降低柱塞直徑,改造成本較低,且排量調(diào)節(jié)范圍大。預(yù)計(jì)年節(jié)電量40萬(wàn)kW?h。2.2.2注水泵沖次“大改小”(1)皮帶輪調(diào)節(jié)沖次。改造前,胡尖山元二增注水泵型號(hào)3175Pa-B3,額定排量16.6m3/h,額定壓力20MPa,沖次228次,電機(jī)功率110kW,電機(jī)型號(hào)YB2-315L1-6,配注量7m?/h,實(shí)際注水壓力15MPa,運(yùn)行電流140A,使用回流控制排量(未配套變頻器,通過(guò)控制柜啟動(dòng))。采用更換1個(gè)132次(直徑170mm)的小皮帶輪的改造方案。改造后運(yùn)行電流97A,預(yù)計(jì)年節(jié)電8萬(wàn)kW?h,節(jié)省修理費(fèi)0.5萬(wàn)元人民幣。改造后,降低了注水泵額定排量,提高注水泵泵效,注水泵的整體負(fù)荷降低。相比降低柱塞直徑,改造成本較低,可操作性較高。(2)更換電機(jī)、改變電機(jī)級(jí)數(shù)調(diào)節(jié)沖次。改造前,胡尖山作業(yè)區(qū)原162站注水泵型號(hào)3175Pb-A7,額定排量25m3/h,額定壓力20MPa,柱塞直徑55mm,沖次325次,電機(jī)功率160kW,電機(jī)型號(hào)Y315L-4。配注量13m3/h,變頻器頻率36Hz,注水壓力19MPa,使用回流控制排量。存在使用變頻器,同時(shí)還要開(kāi)回流,因壓力高頻率過(guò)低時(shí),變頻器超載自動(dòng)保護(hù)停機(jī)等問(wèn)題。改造后,更換1臺(tái)6極160kW電機(jī),額定轉(zhuǎn)數(shù)降低33%(由1485r/min降低到985r/min),變頻器的頻率提高12Hz,同時(shí)對(duì)變頻器加裝PID自動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒壓注水,完全關(guān)閉回流。臺(tái)泵預(yù)計(jì)年節(jié)電10萬(wàn)kW?h,節(jié)省修理費(fèi)0.5萬(wàn)元人民幣(圖5)。2.3注水泵沖次“小改大”改造前,五里灣一區(qū)南二注3臺(tái)注水泵型號(hào)5ST175-37.4/25,排量37.4m3/h,壓力25MPa,沖次230次,電機(jī)功率315kW,電機(jī)型號(hào)YFBP4002-6。配注量76m3/h,注水壓力(18~19)MPa,啟用3臺(tái)注水泵運(yùn)行(1#頻率50Hz,2#頻率33Hz,3#頻率33Hz)。由于2臺(tái)注水泵無(wú)法達(dá)到配注要求,且注水壓力較低,電機(jī)負(fù)荷余量大,更換注水泵電機(jī)皮帶輪,調(diào)整注水量為42m3/h的注水泵,沖次由230次調(diào)高到257次。對(duì)2#和3#注水泵變頻器50Hz的上限頻率進(jìn)行解鎖,實(shí)現(xiàn)變頻器頻率最高上限達(dá)到60Hz。改造后,由原來(lái)啟用3臺(tái)注水泵改為啟用2臺(tái)注水泵,2臺(tái)注水泵的運(yùn)行頻率均為54Hz,同時(shí)安裝PID自動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)完全關(guān)閉回流自動(dòng)恒壓注水。改造后總耗電量(改造前3臺(tái)注水泵電流分別為1#泵400A,2#泵370A,3#泵370A。改造后2臺(tái)注水泵電流均為440A)降低260A,預(yù)計(jì)年節(jié)省電費(fèi)53萬(wàn)元人民幣。通過(guò)改造停用1臺(tái)注水泵,節(jié)省修理費(fèi)預(yù)計(jì)2萬(wàn)元人民幣。
3結(jié)論及認(rèn)識(shí)
通過(guò)研究并引進(jìn)應(yīng)用先進(jìn)注水泵液力端技術(shù),延長(zhǎng)液力端主要配件使用壽命達(dá)到2800h以上,對(duì)比24臺(tái)注水泵監(jiān)測(cè)結(jié)果注水泵機(jī)組效率平均提高8.27%。更換注水泵高效電機(jī),實(shí)現(xiàn)注水泵電機(jī)效率提高3%;加裝注水自動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng),通過(guò)自動(dòng)穩(wěn)壓系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)注水壓力,實(shí)現(xiàn)完全關(guān)閉回流注水。結(jié)合各個(gè)注水站點(diǎn)的實(shí)際情況,選擇注水泵技改方案對(duì)注水泵進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化改造,使注水泵在節(jié)能、高效狀態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)行。通過(guò)注水泵節(jié)能改造,大大延長(zhǎng)注水泵無(wú)故障運(yùn)行周期,同時(shí)通過(guò)自動(dòng)穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用,減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,為后期無(wú)人值守注水站提供硬件支撐。目前A廠部分站點(diǎn)注水泵可實(shí)現(xiàn)無(wú)人監(jiān)控運(yùn)行+定期保養(yǎng)模式,站點(diǎn)操作人員日常僅通過(guò)SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition,數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)系統(tǒng)對(duì)單井配水情況進(jìn)行調(diào)節(jié)即可,注水泵運(yùn)行效率大大提高,注水泵房運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)降低。