作者：周扬民,仪垂杰等
出版社：石油工业出版社
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油田注水管网动态流量平衡节能技术试读：
前言
油田注水是高含水油田采油生产中的重要环节。随着油田进入二、三次开发后期，注水地面系统与井下注水驱油层动态变化不相适应的矛盾日益突出，如泵站负荷与供注水能力不匹配，注水层间压力不均衡，管柱蠕动现象严重，有效注水周期变短等问题，已成为制约我国大庆、胜利等老油田持续发展的瓶颈。为了适应油田生产发展需要，本书结合油田注水生产现状，分析注水系统各个环节高能耗的根源和进行技术节能的途径，为油田注水开发的节能降耗提供参考。
本书共分为七章。第一章讨论了油田注水系统工艺流程、系统组成和节能技术；第二章讨论了注水泵站的组成、PCP技术和变频节能技术；第三章讨论了注水管网的能耗和节能技术；第四章讨论了分层注水能耗与节能分技术；第五章讨论了油田注水集散控制技术；第六章讨论了油田注水优化设计方法；第七章为书中所介绍节能技术在油田注水管网系统中的应用。
杨志远、闫兆民、李超、许丽丽等同学参加了本书的整理资料、绘制图表等工作。本书在写作的过程中得到了胜利油田胜利采油厂的大力支持，在此表示感谢。
由于作者水平所限，书中难免存在缺点和不当之处，敬请读者不吝指正。编者2010年9月第1章 油田注水系统1.1 概 述
在油田开发过程中，有些油田由于地层能量逐渐下降，到一定时期地层能量就不能使油井保持自喷；有些油田则因为原始地层能量低或油稠，一开始就不能自喷。油井不能保持自喷时，或虽能自喷但产量过低时，就必须借助机械的能量进行采油。目前采用的机械采油方法有深井泵采油和气举采油。随着油藏中原油的不断开采，地层能量进一步下降，表现为油井液面下降甚至供油不足，油井产量急剧下降。通过注水井向油层注水补充能量，保持地层压力，增大储层向油井的供液量，恢复油井液面。
油田注水是采油生产中最重要的工作之一，在油田的开发中具有极其重要的意义。与其他物质相比，注水驱油具有一定的优点，一方面水的来源比较易于解决，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，注水井中的回注水本身具有一定的压力，回注水在油层中具有较强的扩散能力，使油层保持高压力水平，使油层压力始终处于饱和压力以上，就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，保持良好的流动能力。这样，就可以使油井的生产能力保持旺盛，能够以较高的采油速度采出较多的地下储量，即有利于提高油田原油采收率。从1954年开始在玉门油田首先采用注水以来，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，注水保持压力的开采方法已得到大面积使用。
如何通过控制注水和控制产出水量使油田保持长期高产、稳产，即用“控水”来达到“稳油”的目标，是特高含水期油田保持高产、稳产的关键。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，有效地控制采水量的增长幅度。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。为了继续实现油田稳产，油田能耗将急剧升高。因此，充分发挥已建和在建生产能力，进一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建设中的重要任务。1.2 注水工艺流程
注水系统由水源、注水站、配水间、注水井、注水管网等组成。水源有地面水（包括江河、湖泊、水库）、地下水（水源井取水）、海水、含油污水等，需经不同程度、不同工艺的处理，使之达到注入水质标准。进行水处理可单设水处理站，亦可与注水站联合设置合一水站，小型注水站常与独立的小水源联合设站。注水站是注水系统的核心部分，其作用是担负注水量短时存储、计量、升压、注水一次分配和水质监控等任务。配水间的工作是对注水站来水进行计量、调节、控制；在进行水井增注、封堵、解堵或其他注水措施时，利用泵站来的高压水，从配水间挤入注水井，减少一些井下作业任务。注水井口是注水系统地面工程的末端，是实现向地下注水的地面装置。
图1-1为注水系统结构图。可以看出，注水系统是由节点单元（包括注水站、配水间、注水井及管线交汇点）和管道单元（包括注水干线、注水支线）组成的大规模复杂流体网络系统。目前国内注水工艺流程主要有以下几种。图1-1 注水系统结构图1.2.1 单管多井配水工艺流程
如图1-2所示。注水站将水经单管配水干线送到多井配水间，分配计量后进注水井。这种流程的特点是配水间可与计量间合建，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。图1-2 单管多井配水流程图1.2.2 单管单井配水工艺流程
如图1-3所示。配水间在井场，每条干线辖几十口井，分层测试方便。用于油田面积大，注水井多，注水量较大的行列注水开发区块。图1-3 单管单井配水流程图1.2.3 双管多井配水工艺流程
如图1-4所示。该流程从注水站到配水间有两条干线，一条注水，另一条洗井。适用于单井注水量较小的地区，有利于保持水质，一般用于洗井次数多和酸化压裂较多区块。图1-4 双干管多井配水流程图1.2.4 分压注水工艺流程
如图1-5所示。当多油层油田的油层渗透率差别很大时，需采用压力不同的两套管网，对高、中渗透层和低渗透层实行分压注水。图1-5 分质分压注水流程图1.2.5 增压注水工艺流程
如图1-6所示，对于同一区块内少部分低渗透层的注水井，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单井增压。图1-6 增压注水流程图1.3 注水系统能耗分析与节能技术1.3.1 注水系统能耗分析
注水系统能量主要由四大部分组成。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分析。油田使用电3机的效率随轴功率而变化，效率约为96%，也就是说每注1m的水大约有4%的能量由电机本身损耗了。第二部分是注水泵消耗的能量，这部分能量可用水泵效率曲线来分析。它随水泵输出流量而变化，目3前油田用注水泵平均运行效率约为77%，即每注1m水大约有20%的能量被注水泵损耗了。第三部分能量为管网摩阻损失，可以用管网效率来分析。第四部分能量是将水注入油层所需的能量。这部分能量决定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。因此油田注水系统耗电量很大，平均占油田生产用电量的40%以上。随着油田进入高含水开发期，为保证地层有足够的能量要向地下注入大量的水，为了节约油田开发中已经紧张的用电量，把注水能耗增长的速度降下来，实现注水节能降耗、提高油田的经济效益已成为刻不容缓的事情。1.3.1.1 电机效率分析
1．电机效率计算
采用测量法计算电机效率，见式（1-1）、式（1-2）。
2．电机平均运行效率
电机平均运行效率见式（1-3）。1.3.1.2 注水泵效率（1）当采用流量法时，注水泵效率计算见式（1-4）和式（1-5）。（2）当采用热力学法时，注水泵效率计算见式（1-7）和式（1-8）。（3）注水泵平均运行效率按式（1-9）计算。1.3.1.3 注水站效率
1．注水站效率
注水站效率见式（1-10）。
2．注水站平均运行效率
注水站平均运行效率见式（1-11）。1.3.1.4 注水管网运行效率
注水管网运行效率计算见式（1-12）。1.3.1.5 注水系统效率
注水站系统效率计算见式（1-13）。1.3.1.6 注水单耗
1．注水系统单耗
用统计方法或测量方法，注水系统的总耗电量及总注水量，见式（1-14）。
2．注水站单耗
用统计方法或测量方法，注水站的总耗电量及总输出量，见式（1-15）。
3．注水机组单耗
用统计方法或测量方法，注水站的总耗电量及总输出量，见式（1-16）。1.3.2 注水系统主要节能技术1.3.2.1 电机节能（1）选择节能型高效电机。国家有关部门不定期公布能耗大的淘汰产品，设计时应注意选择新型高效产品。（2）结合油田实际，合理选型，减少无功损失。（3）注水泵合理匹配，避免“大马拉小车”。
选用功率为1000kW及以上的注水泵电机时，其效率应大于95%，功率因数应不小0.85。1.3.2.2 注水泵节能（1）合理选择高效大排量离心注水泵。由于大排量离心注水泵过流面积大、阻力小，使之容积损失和水力损失小，泵效比小排量泵高。对于注水量较大、注水压力要求不高的油田，应推广应用D300-150型、D250-150型、D280-160型系列离心式注水泵。（2）合理利用注水泵的高效区。为适应用水量和水压的变化，常采用多台注水泵并联运行和单独运行相结合的方式。为使注水泵的工况尽可能处在高效区内，应注意使它在并联时每台水泵的工况点接近高效区的左面边界。这样，当单泵运行时，工况点右移，仍可能处在高效区内，在整个工况变化范围内效率较高。
当注水泵并联工作时，每台注水泵的工况点随着并联台数的增多，而向扬程高的一侧移动，台数过多，就可能使工况点移出高效区的范围，测试资料表明，当两台或三台注水泵并联运行的实际出水量为注水泵叠加水量的73%～82%时，用电单耗较单台运行高4%～15%。（3）小油田选用柱塞泵。柱塞泵水力性能较离心泵好，漏水量比离心泵小，其泵效比离心泵高得多，实际运行效率达到85%以上。因此对于注水量小、注水压力高的小油田或低渗透油田，应选择高效柱塞泵。1.3.2.3 管网节能
注水系统中管网费用约占70%～80%，应对管网进行优化设计，使其达到投资少、能耗低的目标。（1）经济流速的确定。
在流量已定时，流速的确定会直接影响到管网的投资和运行费用。流速取得小些，管径增大。相应的管网造价增加，而管段中的水头损失减小，水泵所需扬程将降低，运行费用降低，因此在管网设计时，应对管径进行优化设计。（2）减小管网能量损失。
注水管网内壁应作涂料防腐，不仅可以增加管网使用寿命，而且可以减小粗糙系数。资料表明，内壁涂衬后，粗糙系数在10～20年内都保持在0.011～0.013之间。对于早期敷设的管线，如果内壁未作涂衬，水管内壁有不同程度的结垢，粗糙系数最高可超过0.020。可以采取酸洗的力法，使管道恢复到原来的输水能力和能量消耗。（3）分区注水。
由于低渗透油田具有储层致密、弹性能量小、导压系数低、驱油能耗大、储层孔隙度和渗透率低、吸水能力差、地层易被污染、单井产能低等特点，可以考虑采用潜油电泵分区注水。1.3.2.4 分层注水节能
分层注水节能原理是将各层按油层性质、含油饱和度、压力等相近，层与层相邻的原则，按开发方案要求划分几个注水层段，通常与采油井开采层段对应，采用一定的井下工艺措施，进行分层注水，以达到保持地层压力提高油井产量和节能的目的。它是为解决油田开发中的层间矛盾，实现有效注水，保持地层能量，维持油田长期稳产、高产，提高水驱动用储量和采收率的重要手段，使高、中、低渗透性的地层都能发挥注水的作用，实现油田长期高产稳产，提高最终采收率的目标。
分层注水节能的实现是通过在注水井内下封隔器把油层分隔开几个注水层段，在各注水层段均有配水器，并安装不同直径的水嘴的注水工艺，解决了层间的矛盾，把注水合理地分配到各层段，对渗透性好、吸水能力强的层控制注水；对渗透性差、吸水能力弱的层加强注水，以提高产量。第2章 油田注水泵站能耗与节能2.1 概 述
利用注水井把水注入油层，以补充和保持油层压力的措施称为注水。注水泵站是注水系统的核心部分，其作用是担负注水量短时存储、计量、升压、注水一次分配和水质监控等任务。油田投入开发后，随着开采时间的增长，油层本身能量将不断地被消耗，致使油层压力不断地下降，地下原油大量脱气，黏度增加，油井产量大大减少，甚至会停喷停产，造成地下残留大量死油而采不出来。为了弥补原油采出后所造成的地下亏空，保持或提高油层压力，实现油田高产稳产，并获得较高的采收率，必须对油田进行注水。这项措施是油田开发中，普遍采用的一种行之有效的保持地层压力、提高采油速度和采收率的重要措施，是实现原油稳产高产所不可缺少的；油田注水系统的耗电量巨大，注水效率一直是油田效益分析中普遍关注的问题之一。国内各大油田的注水系统普遍存在效率低、能耗高、能源浪费严重的问题。而且，注入水的质量，不但直接影响到注水压力的高低、注入水量的多少、注水设备的腐蚀程度、注水井的洗井周期和修井工作，而且还影响到水驱油效率。所以提高注入水的质量，可以提高水驱油效率，提高油田的最终采收率。不仅如此，还可以提高采油速度，减轻注入水对注水设备的腐蚀，延长注水设备的使用寿命。提高注入水的质量，是降低能耗、节省生产费用、增加经济效益的重要途径之一。
目前我国注水泵效率68%，注水管网效率58%，地面注水系统平均效率37.5%，系统能量损失高达62.5%，能量浪费相当严重。
在我国，注水泵运行泵效平均为72.1%，国内先进值为78.09%，3国外为80%～85%；国内注水单耗平均为6.94kW·h/m，先进值为336.15kW·h/m，国外为5.6～6.0kW·h/m；国内平均注水系统效率为47.8%。而国外注水系统效率一般在65%以上。
从以上数据可以看出，我国油田注水系统的效率与国外水平相比，还有相当大的差距；因此，提高注水系统效率，实行节能降耗将成为我国油田工作的重点。
国内油田中，注水耗电约占油田总用电量的33%～56%；其中，注水泵站中能耗又约占整个注水系统能耗的70%～80%。所以，要想提高油田整体效益，降低注水系统的能耗，注水泵站便是关键之一。
我国的注水泵站普遍存在着以下问题：（1）绝大部分采用的是离心泵。现有离心泵虽有容量大的优点，但其高效区范围狭窄，实际运行过程中，泵组运行效率一般要低于70%。（2）老型号水泵占有相当大的比重，且多年运行使他们磨损严重，泵特性发生改变，泵效偏低。（3）由于油层注水压力、地质配注量和其他原因（如洗井、管道破裂等）造成的注水需求处于不断变化之中，使注水泵额定排出量与配注量不匹配，导致泵管压差，注水泵时常通过调节出口阀门而使得泵组在节流状态下运行，一方面使得泵组运行偏离了高效区，另一方面阀门处又因节流白白损失了大量的能量。（4）注水泵站自动化程度低。绝大部分油田的泵站还处于人工按时巡检方式，不但工人劳动强度大，而且对系统的监控效率不高。
为了有效降低油田注水系统的能耗，需要找出各具体注水泵站能耗高的关键原因所在，针对这些原因对系统进行改造：如果是由于泵组设备老化造成的低效率，可以更换新泵组；如果系统注水波动大，可以通过加强管理适当减小波动；工人劳动强度大、系统监控效率低，可以建立泵站自动化监控系统。2.2 注水泵站能耗分析2.2.1 电机能耗分析
三相异步电动机是油田开发中广泛使用的一种动力机械，在满负荷工况条件下，电机的效率一般较高，通常在80%左右；然而，一旦负荷下降，电机的效率便随之显著下降。因为电机选型时是按最大可能负荷和最坏工况所需的功率而定的，多数电机在大部分运行时间的负荷率都在50%～60%，所以实际运行时的效率都是比较低的。因此，提高这部分电机的运行效率，有着巨大经济效益和社会效益。2.2.1.1 三相异步电动机结构
1．定子结构（1）定子铁芯作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。
构造：定子铁芯一般由0.35～0.5mm厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁芯的内圆中有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。定子铁芯槽型有以下几种：
半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。
半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。
开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。（2）定子绕组作用：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。
构造：由三个在空间互隔120°度角、对称排列的结构完全相同的绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。定子绕组的主要绝缘项目有以下三种（保证绕组的各导电部分与铁芯间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）：
①对地绝缘：定子绕组整体与定子铁芯间的绝缘。
②相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。
③匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。（3）机座作用：固定定子铁芯与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。
构造：机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。
2．转子结构（1）转子铁芯作用：作为电动机磁路的一部分以及在铁芯槽内放置转子绕组。
构造：所用材料与定子一样，由0.5mm厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁芯冲压后的硅钢片内圆来冲制转子铁芯，定子和转子铁芯；一般小型异步电动机的转子铁芯直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300～400mm以上）的转子铁芯则借助于转子支架压在转轴上。（2）转子绕组作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。
构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。
①鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁芯，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100kW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。
②绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路连接。
③三相异步电动机其他附件结构包括端盖、轴承、轴承端盖、风扇。
3．三相异步电动机的工作原理
当向三相定子绕组中通入对称的三相交流电时，就产生了一个以1同步转速n沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由1于旋转磁场以n转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。
异步电动机工作特性分析：电动机的效率与负载率的大小有关。当电动机在额定负载附近运行时，其效率和功率因数都较高，但当负载率较低时，其效率和功率因数都将急骤降低。而实际运行中的电动机，由于电动机产品容量的不连续性、安全系数过高的选择等，使电动机的额定功率总是超过最大可能的峰值负载功率约30%以上，而负载峰值所持续的时间又往往是远小于总运行时间，“大马拉小车”的现象非常普遍。我国中小型异步电动机，大部分平均负载率在20%～65%之间，特别是机械、纺织等行业情况更为严重。若电动机处在空载或轻载运行时适当降低电动机定子电压，使其运行在效率最佳状杰。此时功率因数较高，具有显著的节能效果（如图2-1所示）。图2-1 异步电动机的效率和功率因数曲线2.2.1.2 异步电动机正常运行时的损耗及功率因数分析
电机的效率是电机输出功率与输入功率的比值的百分数。因此供电机的电能即输入功率并不仅用来驱动电机即输出功率，还有一部分将成为电机固有的损耗。电机的主要损耗为铜耗和铁损，其中铜耗是由于电流流过电机绕组而产生，与电流的平方成正比；铁损是由于定子和转子铁芯中的磁化电流而产生，与供电电压成正比。其他损耗很小，可忽略。调压节电原理是当负荷下降时，可以适当降低电源电压以减少铁损，同时电流随之下降也减少了铜损及无谓的浪费，此时电机的效率将得到改善。电机负荷的检测通常采用功率因数法进行，电机负荷大，则它的功率因数大；电机负荷小，则它的功率因数小。
由于单独使用功率因数或效率指标来衡量电机的节能效果是不全面的，因此需要兼顾两者进行考虑。异步电动机的损耗决定了其运行中的效率η和功率因数cosф，也就决定了电动机是否能经济运行，因此有必要首先分析和计算损耗。电动机的损耗一般分为四类：Cu1Cu2（1）铜损耗：定子绕组损耗P和转子绕组损耗P；Fe1Fe2（2）铁损耗：定子铁芯损耗P和转子铁芯损耗P；mech（3）机械损耗：P，包括轴承摩擦损耗、通风损耗和电刷摩擦损耗；图2-2 异步电动机简化等效电路S（4）杂散损耗：P，除上述之外的其他损耗。
正常运行时，定子和转子的铁芯损耗是固定不变的。其中转子铁芯损耗因为转子中磁通频率很低，可以忽略。当转速不变时，机械损耗也可认为是常数。杂散损耗在国际标准规定中为异步电动机额定输出的0.5%（铜条转子）。铜损耗包括不随负载变化的空载定子铜损和随负载变化的定子和转子铜损。
异步电动机各参量之间的关系常采用等值电路来进行分析。图2-2为简化后的一相等值电路。1
其中 r——定子绕组电阻，反映定子绕组的损失；1x ——定子绕组的感抗；mmr ，x——反映主磁通和铁损的等效励磁电阻和励磁电抗；2r′——折算到定子回路的等效转子电阻，反映转子绕组的损失；——反映转子输出功率的等效电阻；s——转差率；1U ——定子的相电压；1I ——定子相电流；0I ——定子的励磁电流分量；2I ′——折算后的转子侧电流。
异步电动机在正常运行时的功率与损耗如下：
输入功率见式（2-1）。
定子铜损见式（2-2）。
定子铁损见式（2-3）。
电动机总损耗见式（2-4）。
转子铜损见式（2-5）。
机械损耗与空载附加损耗见式（2-6）。
电动机总损耗见式（2-7）。
输出功率见式（2-8）。
电动机效率见式（2-9）。
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