（大慶油田有限責任公司第四采油廠規(guī)劃設計研究所）

大慶油田某采油廠目前共有注水站17座，經(jīng)過多年連續(xù)運行后，三采注水系統(tǒng)注水泵能耗高、泵管壓差難控制、冷卻塔冷卻效果差等問題逐漸顯現(xiàn)。除設備老化問題外，安全環(huán)保、節(jié)能降耗和生產(chǎn)管理等方面也需要改進提高。近幾年在注水站改擴建過程中，通過優(yōu)化設計解決上述問題，消除了安全隱患，方便了生產(chǎn)，保證了生產(chǎn)的平穩(wěn)運行。

1 改擴建項目中的工藝設計優(yōu)化

1.1 優(yōu)化注水泵配置，減少投資

為方便管理和節(jié)約投資，三采注水站一般與已建水驅注水站合建。三采開發(fā)階段的前期和中后期采用深度水稀釋注入，中期采用曝氧深度水稀釋注入（曝氧深度水降低三元配制母液的黏度，保證三元母液的注入效果）。由于不同注入階段注入三采溶液濃度不同、水質(zhì)水量不同，高壓水的需求量也隨之變化。為使階段性供需能力平衡、提高系統(tǒng)效率、降低泵水單耗，在三采注水站與已建水驅注水站改擴建設計中，充分考慮今后十年原水驅注水量的需求變化和三采各階段注水量的發(fā)展趨勢，分析兩個站的注水量與水質(zhì)要求，將新增三采注水泵的運行能力和原水驅注水泵的運行能力與注入井水量需求匹配，優(yōu)化注水泵配置，提高設備運行效率。

以2015年某改擴建的注水站為例，該注水站為新增三采注水站和已建水驅注水站（已建300 m3/h注水泵3臺）的合建站，原水驅注水站設計規(guī)模為1.44×104m3/d；擴改建后設計規(guī)模為3.97×104m3/d，其中三采注水最大規(guī)模1.3×104m3/d，水驅注水最大規(guī)模2.67×104m3/d。新增三采注水站所轄三采區(qū)塊注水量預測見表1。從表1中可以看出三采區(qū)塊的總體注水量介于6 043～13 104 m3/d之間，其中曝氧深度注水量在1 310～6 960 m3/d之間波動。如果三采注水站獨立運行，按照不同階段、不同水質(zhì)、不同注水量的需求，需建設150 m3/h注水泵（DF150）2臺，250 m3/h注水泵（DF250）3臺，300 m3/h注水泵（DF300）2臺。各年份開泵方案見表2。該區(qū)塊已建水驅注水站原注水量為7 000～7 500 m3/d，站內(nèi)已建有300 m3/h注水泵3臺。由于所轄水驅區(qū)塊的不斷開發(fā)，注水量需求逐年增加，2015年至2024年注水量預測見表3。

表1 三采區(qū)塊注水量預測表 單位：m3?d-1

表2 三采注水站獨立運行開泵方案表

表3 水驅注水站注水量預測表 單位：m3?d-1

從表3看出水驅水量介于10 665～26 703 m3/d之間波動，如果只考慮水驅注水站單獨運行，隨著所轄水驅區(qū)塊的不斷開發(fā)，需新建2臺300 m3/h注水泵才能滿足注水要求。

上述水驅注水量和三采注水量如果分別設置注水泵，三采需要2臺150 m3/h注水泵，3臺250 m3/h注水泵，2臺300 m3/h注水泵；水驅需要5臺300 m3/h注水泵。

優(yōu)化設計中考慮到三元驅和水驅都用深度污水，綜合注水能力與注水（入）井水量需求的合理匹配，在設計中將兩區(qū)塊同水質(zhì)外輸閥組增設連通閥，連通匯管，只需根據(jù)三采注水量需求設置注水泵，不再增加水驅注水泵。三采驅的多余曝氧深度水可以為深度水提供補充。經(jīng)過能力核算，該注水站改擴建后只需新建400 m3/h注水泵1臺，300 m3/h注水泵2臺，250 m3/h注水泵1臺，綜合最高運行方式為運 6備 1。優(yōu)化后，三采和水驅合建注水站流程示意圖見圖1，注水泵運行方案見表4。由于企業(yè)設計標準化的要求，泵的選型以 250 m3/h（DF250）、300 m3/h（DF300）、400 m3/h（DF400）為主。從表4中可以看出在某些階段泵的排量和注入水量很難匹配。如2023年，曝氧深度水量需求只有55 m3/h，設計中仍選用了250 m3/h注水泵，多出的排量可考慮進入管網(wǎng)，為深度水提供補充。

圖1 三采、水驅合建注水站流程示意圖

表4 該注水站改擴建后注水量預測及注水泵運行

1.2 優(yōu)化外輸閥組，降低能耗管

對于已建的三采注水站和水驅注水站的合建站，由于三采區(qū)塊和水驅區(qū)塊所需的深度水可以互用，優(yōu)化設計將兩區(qū)塊注水站外輸閥組連通，可有效降低注水泵的單耗。

某站已建300 m3/h水驅注水泵2臺，運1備1；250 m3/h三采注水泵3臺，運2備1。注水站注水量2011—2020年預測見表5。從表中可以看出投產(chǎn)初期兩種水質(zhì)的注水泵和注水量均能匹配。2014—2015年三采注水量減少，三采注水泵能力剩余，泵管壓差增大、泵效低、泵水單耗上升，同時水驅注水量逐年增加，導致水驅注水泵能力不足。

鑒于兩區(qū)塊所用水質(zhì)均為深度水，在兩區(qū)塊注水站外輸管線增設了連通。通過設計優(yōu)化，調(diào)配了水源資源和注水泵，實現(xiàn)機泵能力互補，三采系統(tǒng)注水泵泵水單耗顯著降低，運行效率明顯提高。運行效果見表6。

表5 該注水站注水量預測表 單位：m3?d-1

表6 閥組連通前后注水泵參數(shù)對比表

1.3 優(yōu)化冷卻工藝，提高冷卻效果

優(yōu)化改造前，某廠注水機組冷卻水采用冷卻塔冷卻工藝。其流程是：清水來水進儲水罐，罐內(nèi)水自壓進入冷卻水泵，經(jīng)泵提升至注水機組冷卻系統(tǒng)，回水經(jīng)冷卻塔冷卻后再回到儲水罐，完成一次循環(huán)。工藝流程示意圖見圖2。

圖2 冷卻水冷卻工藝流程示意圖

長期運行過程中冷卻塔塔內(nèi)散熱材料結垢嚴重，冷卻效果差，導致冷卻水需求量增加，冷卻水泵負荷增大，電機溫度過高，影響安全運行，同時冷卻塔存在水耗大的問題。針對這些問題，在改造設計中對工藝進行了改進，注水機組電機冷卻水不再經(jīng)冷卻塔降溫，而是經(jīng)換熱器與防凍液換熱后再去冷卻注水機組。防凍液由干冷卻器和水冷卻器分段冷卻。根據(jù)系統(tǒng)設定的冷卻溫度，先啟動干冷卻器對防凍液逐級冷卻，若達不到設定的冷卻參數(shù)，系統(tǒng)再啟動水冷卻器對防凍液進行冷卻。

該工藝主要由清水罐、干冷卻器（風冷散熱）、水冷卻器（壓縮機制冷）、板式熱交換器、自控系統(tǒng)等組成，工藝流程示意如圖3所示。

圖3 改造后冷卻工藝流程示意圖

與原冷卻塔冷卻工藝相比，改進后的冷卻工藝可以使機泵軸瓦溫度下降5.6～14.4 ℃，冷卻效果更好，水耗大幅下降，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，管理方便，運行成本更低，達到了節(jié)能降耗的目的。平均每年節(jié)約運行成本30多萬元。兩種冷卻工藝的建設投資及生產(chǎn)運行費用對比見表7。

表7 兩種冷卻工藝的建設投資及生產(chǎn)運行費用對比

2 改擴建項目中的其他設計優(yōu)化

2.1 改進溢流排污外排，減少環(huán)境污染

改造前，部分注水站的注水儲罐溢流排污直接外排至站外溝渠，對周圍環(huán)境造成污染。在改造設計中針對注水站周邊有無污水站的情況采取了兩種處理方式：

1）對于附近建有污水站的注水站，將注水儲罐的溢流排污管接至污水站回收水池中，由回收水泵輸送至污水系統(tǒng)處理，處理達標后外排。系統(tǒng)設計選擇了合適的坡比，將注水罐溢流排污管線引入回收水池進口管線，同時結合現(xiàn)狀做好如帶壓開孔或回收水池的清淤、清洗等相應的施工措施。

2）對于附近沒有污水站的注水站，應新建排污池，將注水儲罐的溢流排污外排至排污池，通過吸污車將污水運至污水處理點集中處理。建成后需加強管理，及時將排污池內(nèi)的污水運走，避免冬季凍堵，影響注水站安全生產(chǎn)。

2.2 優(yōu)化泵管壓差控制，降低工人勞動強度

某注水站改造前，由生產(chǎn)管理人員操作注水泵出口管線上的電動蝶閥來調(diào)節(jié)泵管壓差。由于泵管壓差變化頻率高，蝶閥開閉操作過于頻繁，不易控制，調(diào)節(jié)精度不高，人員的勞動強度較大。針對這一問題，在設計中采用了壓差自動調(diào)節(jié)裝置，該裝置根據(jù)前后壓差自動調(diào)節(jié)，使泵管壓差達到最小，精度較高，并減小了操作人員的勞動強度。

泵出口壓差自動調(diào)節(jié)裝置由主控元件、執(zhí)行元件、調(diào)節(jié)單元、測壓傳感單元四部分組成。系統(tǒng)示意圖見圖4。

圖4 壓差調(diào)節(jié)裝置系統(tǒng)示意圖

主控元件接收電機電流信號、流量計信號及測壓傳感單元測出的調(diào)節(jié)器前后壓差信號后進行讀數(shù)、計量和計算，并發(fā)令給執(zhí)行元件，同時配合專用通信控制器與上位計算機進行通信。執(zhí)行元件接受主控元件信號后通過調(diào)節(jié)單元的調(diào)節(jié)器開啟（快開微開）和關閉（快關微關）進行大調(diào)或微調(diào)。調(diào)節(jié)單元采用了中心流道向圓周均勻通過，具有直通流線型和高進低出流線型的優(yōu)點，并有抗高壓差沖刷功能，使流量調(diào)節(jié)更加平穩(wěn)。

壓差自動調(diào)節(jié)裝置的應用，提高了調(diào)節(jié)精度、方便了生產(chǎn)管理、降低了操作人員的勞動強度，保證了生產(chǎn)的平穩(wěn)運行。

2.3 改進高壓注水出戶干線，消除安全隱患

杏北油田各注水站注水泵房出戶管線壓力一般為15～20 MPa。改造前注水泵房高壓出戶管線均為室內(nèi)埋地穿墻出戶。隨著管道使用年限的增加，高壓出戶管線存在著腐蝕穿孔的風險。如不能及時發(fā)現(xiàn)處理，穿孔后極易將泵房基礎破壞，危及房屋安全。為了消除安全隱患，在注水站改造設計中對出戶管線進行了兩個方面的優(yōu)化設計：

1）注水泵房內(nèi)高壓出戶管線不再埋地出戶，改由地上穿墻出戶。這樣設計既能方便工作人員巡檢和發(fā)現(xiàn)管道安全隱患，還便于后期管道的維護維修。改造前后高壓出戶管線現(xiàn)場圖見圖5、圖6。

圖5 改造前高壓出戶管線

圖6 改造后高壓出戶管線

2）為減小沿程管道壓力損失，高壓出戶管線在設計上采用了45°彎頭埋地與已建干線連接；同時在立管段進行了保溫設計，防止因停運造成管線凍堵。

3 結論與認識

1）三采注水系統(tǒng)不同階段注入水量不同，設計中將其與水驅連通運行后，有利于三采注水系統(tǒng)機泵高效低耗運行；

2）與冷卻塔冷卻工藝相比注水電機綜合冷卻工藝應用效果更好，性能較更穩(wěn)定，生產(chǎn)費用更低，站內(nèi)無需補注大量清水；

3）在注水泵出口管線上安裝壓差調(diào)節(jié)裝置可以有效地調(diào)節(jié)泵管壓差，達到節(jié)能降耗、降低操作人員勞動強度和方便管理的目的；

4）注水高壓出戶管線穿墻部分由地下改為地上可以有效地消除安全隱患，方便管理；注水儲罐溢流排污外排至回收水池或排污池，實現(xiàn)了含油污水的再處理，杜絕了外排含油污水對環(huán)境的污染。