油田注水泵節能降耗研究

　　注水采油是油田提高原油采收率的主要方法，注水可彌補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中的重要設備，是油田注水生產系統的動力之源。A廠油田開發生產已進入中、后期，注水量和注水壓力持續上升，采出水回注量持續增加，造成原有注水泵維修頻次高、泵效低、能耗高。面對油價持續低迷、生產成本大幅削減嚴重形勢，A廠積極引進并應用注水泵節能降耗技術，優化注水泵運行參數，不僅有效提高了注水泵機組效率，全面提升了注水生產系統效率，大幅度降低注水系統用電能耗，對油田原油生產“有質量、有效益、可持續”發展具有重要意義。

　　1A廠注水泵運行現狀

　　A廠共有注水井2389口，開井2190口，日注水量65887m3，2016年注水量達到2267萬m3，現有注水站78座，在用注水泵撬295臺（套），其中污水注水泵134臺，清水注水泵161臺，電機總容量5.4萬kW，注水單耗6.8kW?h/m3，其中注水系統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個方面，一是采出水對注水泵液力端泵閥腐蝕嚴重，造成原設計為清水的注水泵液力端維修頻次高、泵效低；二是注水泵和站點注水量不匹配，使高壓水打回流，造成電能浪費；三是站點配注量變化后，注水泵的運行方式沒有及時結合配注量進行調整，無法使注水泵好的狀態下運行。四是注水泵電機不符合《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》（GB18613—2012）要求，電機自身能耗較高。

　　2注水泵節能降耗技術

　　2.1主要應用的技術2.1.1節能高效注水泵的應用由于注采出水過程中受水質腐蝕、含顆粒物等因素影響，造成注水泵液力端配件機械磨損嚴重、維修頻繁，排量下降、泵機組效率低于節能監測限定值，普通分體式閥組無法適應注采出水要求，出現液力端主要配件使用壽命不足120h，遠低于設計壽命720h的要求。A廠通過研究并引進節能液力端，該液力端采用T字形結構液力端結構，T形孔較十字孔能大幅度緩解工作腔內倒角及其附近的應力集中現象；螺旋導向復合密封錐形組合閥組，金屬閥板錐面上結合非金屬密封材料，改善了密封性能；閥芯導向翼從直線型過渡到帶一定角度型，可使閥芯在上下運動時360°稍有轉動，使閥結合面均勻磨損，自行修復，提高閥的壽命（圖2）；柱塞自動調心技術、柱塞填料密封同步隔離技術、蓄能器的改進、改性密封組件等技術，延長液力端主要配件使用壽命達到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組效率測試數據及計算結果（略）。截止2017年先后改造65臺注水泵機組，經長慶技術監測中心（依據SY/T6275—2007《油田生產系統節能監測規范》）對柳三轉等24臺注水泵進行改造前后能耗監測，對比24臺注水泵監測結果表明，改造前注水泵平均機組效率72.28%，改造后注水泵平均機組效率80.55%，項目改造使注水泵機組效率平均提高8.27%。以機組效率和耗電量計算節能量，合計節電量為248.91×104kW?h/a，折算綜合節能量為831.36tce/a。表1、表2為長慶油田環境與節能監測評價中心的注水泵改造前后節能監測報告數據對比情況。注水泵液力端改造后的機組效率測試數據及計算結果（略），注水泵液力端改造節能量計算表（略）。2.1.2高耗能注水泵電機更換高效電機是指達到或優于《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》（GB18613—2012）標準中節能評價值的電機。高效電機通過降低電機定子繞組電阻損失、電機轉子繞組電阻損失、電機鐵耗損失、電機雜散損失、電機摩擦損失及流動損失，提高電機效率。我國目前廣泛應用的Y系列電機效率平均值為87.3％；高效電機的效率平均值為90.3％，超高效電機其效率平均值為91.7％。A廠2017年通過對91臺Y系列注水泵電機（總功率為19590kW）更換為2級的高效節能電機后，有效提高了注水泵電機效率。改造后電機效率提高3%，按照平均負載率80%，利用率0.7計算，每年可節電288.3萬kW?h，節省電費184.52萬元人民幣（圖4）。2.1.3注水自動穩壓系統應用截止到目前A廠已實現110臺注水泵壓力自動調節，該系統具備了較高的可靠性和穩定性，安裝后可實現完全關閉回流注水，通過自動穩壓系統閉環調節注水壓力，大幅度減少注水機泵和閥門的維修費用，減輕人員的勞動強度，達到提高注水系統效率和節能降耗的目的。2.1.4局部增壓技術應用對于個別井注水壓力高的情況采用局部安裝注水撬或增壓泵，不需要注水系統整體升壓改造，可以降低投資，達到節能降耗的目的。A廠自2008年開始在塞392區產建使用第一臺注水撬，經過8a的試點、推廣，目前已在全廠13個作業區推廣使用不同型號的各種注水撬60臺。2.2優化注水泵運行參數由于注水泵現場配注量的調整，以及注水泵安裝后參數通過變頻器（控制柜）調節范圍小，往往造成注水泵設備無法在好的綜合效率下運行。因此，在生產運行過程中需要對注水泵的參數結合每個站點的配注量和注水壓力、以及注水泵本身的負荷情況進行優化，實現注水泵在節能、高效狀態下運行。注水泵參數優化改造，依據注水泵理論排量=3.14×直徑2/4×沖程×沖次×缸數×60；注水泵電機功率=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；功率和轉速關系P1/P2=（n1/n2）22.2.1改變注水泵缸數調節注水泵排量改造前，大水坑鹽一轉注水泵型號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穩壓系統。關閉回流情況下，變頻器運行頻率為20Hz，運行過程頻繁因變頻器輸出電流過高（超過550A）自動保護停機，電機運行頻率過低容易造成電機散熱差燒壞電機，頻率較低造成注水泵動力端轉速較低（轉速為91.6r/min）影響動力端正常潤滑，進而嚴重影響注水泵正常運行。采取抽掉2根柱塞，注水泵由原來的5缸泵改為3缸泵的改造方案。改造后運行頻率45Hz，變頻器輸出電流350A，運行正常。改造后，降低了注水泵額定排量，提高電機轉速，確保注水泵動力端合理潤滑。相比降低柱塞直徑，改造成本較低，且排量調節范圍大。預計年節電量40萬kW?h。2.2.2注水泵沖次“大改小”（1）皮帶輪調節沖次。改造前，胡尖山元二增注水泵型號3175Pa-B3，額定排量16.6m3/h，額定壓力20MPa，沖次228次，電機功率110kW，電機型號YB2-315L1-6，配注量7m?/h，實際注水壓力15MPa，運行電流140A，使用回流控制排量（未配套變頻器，通過控制柜啟動）。采用更換1個132次（直徑170mm）的小皮帶輪的改造方案。改造后運行電流97A，預計年節電8萬kW?h，節省修理費0.5萬元人民幣。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、改變電機級數調節沖次。改造前，胡尖山作業區原162站注水泵型號3175Pb-A7，額定排量25m3/h，額定壓力20MPa，柱塞直徑55mm，沖次325次，電機功率160kW，電機型號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，同時還要開回流，因壓力高頻率過低時，變頻器超載自動保護停機等問題。改造后，更換1臺6極160kW電機，額定轉數降低33%（由1485r/min降低到985r/min），變頻器的頻率提高12Hz，同時對變頻器加裝PID自動穩壓系統，實現自動恒壓注水，完全關閉回流。臺泵預計年節電10萬kW?h，節省修理費0.5萬元人民幣（圖5）。2.3注水泵沖次“小改大”改造前，五里灣一區南二注3臺注水泵型號5ST175-37.4/25，排量37.4m3/h，壓力25MPa，沖次230次，電機功率315kW，電機型號YFBP4002-6。配注量76m3/h，注水壓力（18～19）MPa，啟用3臺注水泵運行（1#頻率50Hz，2#頻率33Hz，3#頻率33Hz）。由于2臺注水泵無法達到配注要求，且注水壓力較低，電機負荷余量大，更換注水泵電機皮帶輪，調整注水量為42m3/h的注水泵，沖次由230次調高到257次。對2#和3#注水泵變頻器50Hz的上限頻率進行解鎖，實現變頻器頻率最高上限達到60Hz。改造后，由原來啟用3臺注水泵改為啟用2臺注水泵，2臺注水泵的運行頻率均為54Hz，同時安裝PID自動穩壓系統，實現完全關閉回流自動恒壓注水。改造后總耗電量（改造前3臺注水泵電流分別為1#泵400A，2#泵370A，3#泵370A。改造后2臺注水泵電流均為440A）降低260A，預計年節省電費53萬元人民幣。通過改造停用1臺注水泵，節省修理費預計2萬元人民幣。

　　3結論及認識

　　通過研究并引進應用先進注水泵液力端技術，延長液力端主要配件使用壽命達到2800h以上，對比24臺注水泵監測結果注水泵機組效率平均提高8.27%。更換注水泵高效電機，實現注水泵電機效率提高3%；加裝注水自動穩壓系統，通過自動穩壓系統閉環調節注水壓力，實現完全關閉回流注水。結合各個注水站點的實際情況，選擇注水泵技改方案對注水泵進行參數優化改造，使注水泵在節能、高效狀態下平穩運行。通過注水泵節能改造，大大延長注水泵無故障運行周期，同時通過自動穩壓控制系統的應用，減少操作人員的勞動強度，為后期無人值守注水站提供硬件支撐。目前A廠部分站點注水泵可實現無人監控運行+定期保養模式，站點操作人員日常僅通過SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition，數據采集與監視控制）系統對單井配水情況進行調節即可，注水泵運行效率大大提高，注水泵房運行安全風險降低。