油田注水工艺优化研究根据开发方案，牛圈湖油田油层压力系数0.71，属异常低压系统，开发方式为采用超前注水提高地层压力的注水开发方式。

注水开发的特点是注水井数量较多，达94口，注水量较大，约6000m 3/d ，注入压力相对不高，不到20MPa 。

注水量的变化趋势是随着地层压力的提高逐渐减小，第十年的注水量将减小到初始注水量的60%左右。

对油田上述特点，进行油田注水设备的优选，注水工艺的优化，为今后油田地面工程设计提供必要的技术支持。

一、 注水设备优选油田常用的注水升压设备有2种，柱塞泵和离心泵。

以下就排量、排出压力、效率等性能参数及维修、维护、设备价格等方面对这两种泵进行对比。

a. 离心泵离心泵的性能范围很广。

油田注水采用的离心泵均为多级离心泵，其扬程在1500m~2500m 之间，最高可达3000m 。

排量一般较大，从40m 3/h~500 m 3/h 。

轴功率从几百到数千千瓦，所以一般采用高压电机拖动。

离心泵在设计时，其效率可根据计算确定，依其排量和比转数，效率范围从36~90%。

高扬程、排量不高的泵效率一般不是很高。

泵内的损失分为机械损失、容积损失和水力损失，与之相应泵的效率分为机械效率、容积效率和水力效率，三种损失之和为泵的总损失，三种效率之积为泵的总效率。

机械效率基本受比转数控制，机械效率ηm 与比转数n s 的关系如下：6705.1511sm n +≈η 根据上式估算泵的机械效率见表7-6。

表7-6 ηm 与n s 关系数据表容积效率ηv 受控于泵的泄漏量q ，对于分段式多级泵，容积效率表示如下：Qq Q q m 111++=η 式中：q ：密封环处泄漏量q 1：轴向力平衡机构处泄漏量 Q ：泵的排量水力效率ηh 通常只能用经验公式进行估算。

其值与泵的比转数关系不大，而与泵的大小有关，可用下式估算：3lg 0835.01nQ h +=η 式中：Q ：泵的设计排量(m 3/s) n ：泵的转速(r/min)泵的总效率为上述三种效率之积。

图7-6给出了单机离心泵、混流泵和轴流泵与比转数和排量的关系。

单级离心泵、混流泵和轴流泵可达到的效率范围与比转数及流量的关系（图7-6）由上图可见，离心泵的效率范围从36%~90%。

同一排量的泵，比转数n s 大约在160时，泵的效率最高。

牛圈湖油田注水量为29～68L/s，若运转1台泵，选择单级扬程159m的13级离心泵，其比转数经计算为64，查上图可得知其效率为76%，轴功率计算为1889kW，电功率为2099kW。

若运转2台泵，则比转数为45，效率下降到68%。

轴功率为2111 kW，电功率为2345 kW。

由上述方法得到的效率为这一性能离心泵效率的上限，略高于设备说明书的标定效率。

离心泵与原动机一般采用键连接传动，传动效率为100%。

所以上述效率既为泵的总效率。

牛圈湖油田注水量的变化幅度预计为设计水量的43%~100%。

对于这样的变化幅度，运转2台泵的必要性不大，同时多耗电约245kW。

所以选择运转1台泵。

温州嘉利特荏原泵业有限公司生产的TDF250-290×7型离心注水泵设备报价243万元。

泵的排量需进行调节，可以通过调节阀、回流和调节电机转速来实现。

用回流调节将造成大量的能量浪费，一般不宜采用。

通过调节阀调节（泵恒转速）与变频调速的运行参数对照见表7-7。

表7-7 泵恒转速与变频调速运行参数对照表表7-7中电机效率按90%计算。

由上表可见，增加变频调速之后，节电百分率从3.2%~6.8%，按注水量匀速递减考虑，平均节电百分率为5.64%。

按电机平均运行功率1800kW计算，年平均节电89万度。

曾加变频调速的工程费用约330万元（其中变频器和变频用变压器设备费300万元，配专用变频电机设备增加费20万元，施工费10万元），按电费0.5元/度计算，投资回收期为7.2年，内部收益率5%，财务净现值-341.37万元，经济上不可行。

经计算电费高于0.62元/度时，经济上可行。

变频调速投资较大，节电效果不是很明显，不推荐采用，用调节阀调节流量即可满足生产需要。

b.柱塞泵柱塞泵是容积式泵，其性能特点是在设计工况范围内排量与排出压力无关，为一常数。

一般适用于输送高粘度、大比重的液体，排出压力较高而排量相对不大。

排出压力为20MPa时排量一般不大于30m3/h，排出压力25MPa时排量一般不大于24m3/h。

轴功率一般不超过200kW，采用低压电机拖动。

近年来，开始出现大排量的高压柱塞泵，重庆水泵厂生产的3D9-105/22型柱塞泵，额定排出压力22MPa时，排量可达105 m3/h。

其轴功率达到750kW以上，采用高压电机拖动。

大港油田中成机械制造有限公司生产的最大型的柱塞泵，额定排出压力20.7MPa时，额定排量为42 m3/h，配低压电机功率为315kW。

柱塞泵在设计时，其效率用计算方法很难确定，只能用试验方法确定。

传动方式有皮带传动和键连接传动两种。

电动泵的效率范围是η=60%~90%。

用于油田注水的柱塞泵效率一般较高，计算传动损失在内的泵效可达80%甚至85%以上。

大港油田中成机械制造有限公司生产的柱塞式注水泵采用皮带传动，效率均在85%以上，重庆水泵厂生产的柱塞式注水泵采用键连接传动，效率最高达89%。

柱塞泵的排量调节方法有2种，一种是通过回流调节，另一种是通过变频调节。

柱塞泵的设备价格，重庆水泵厂生产的3D9-83/22型三柱塞泵，额定排出压力22MPa，额定排量83 m3/h，配高压电机功率630kW，设备报价80万元。

大港油田中成机械制造有限公司生产的5ZB-20/43型五柱塞泵报价45万元。

根据牛圈湖油田的注水量及其变化特点，选用排量相对较小的5ZB-20/43型五柱塞泵，对注水量变化适应性较强，其所配低压电机便于变频调速。

c.两种泵型的比较柱塞泵与离心泵相比，运行效率至少高10个百分点，年节电量近15%。

见表7-8。

表7-8运行离心泵与柱塞泵耗电量对照表注：表中未考虑离心泵节流调节系统压力的损失运行柱塞泵，泵效高，单台排量较小，使用比较灵活，可选择1～2台变频运行，变频设备投资不高，节能效果较好，便于控制。

但设备数量多，需厂房面积较大，易损件较多，维修工作量较大。

运转离心泵，设备数量少，维修工作量小。

但设备效率较低；单台设备较大，排量调节不是很灵活，电机变频设备投资较大，不经济；在相当长的时期内靠节流调节注水系统压力，造成较大的浪费。

通过上述分析比较，我们认为牛圈湖油田注水设备应选择柱塞泵，单台设备排量适中，使设备数量不致太多，同时使用又较灵活，变频设备不很昂贵，得到最佳的使用效果。

二、注水系统优化研究（一）布站方式根据牛圈湖油田的井网部署，布站方式考虑两个方案。

方案一是分期建设3座注水站，一期工程在联合站建设1座规模为4800m3/d的注水站；二期工程分别在主体区块的东西两侧各建1座注水站，规模分别为500m3/d和1000m3/d。

方案二是只在联合站内建1座注水站，分期实施，一期工程建设规模4800m3/d，二期工程1500m3/d。

方案一注水系统压力损失小，最大压力损失0.75MPa；只是建站投资略大，管理岗位较多。

方案二注水系统管线过长，注水站到最远端注水井超过10km，压力损失超过1.4Mpa，超出规范推荐的压降上限0.4 Mpa；但建站投资较少，工作岗位集中，便于管理。

方案二注水系统压力损失已超出规范上限较多，故推荐方案一，即分期建设3座注水站。

（二）注水系统方案1.方案一传统流程，详见附图8，高压水由注水站经系统管线输送到配水间，在配水间内分配计量，再到井口注入地层。

2.方案二采用树枝状干管稳流阀组配注流程，详见附图9，不设配水间，单井计量设在井口房内。

3.方案三采用配水间与树枝状干管稳流阀组配注流程相结合的注水流程，详见附图10。

4.方案比较方案一方便管理，但需建设配水间，单井及系统注水管线较多，工程投资较大。

方案二无需建设配水间，节省注水管线，工程投资较少。

方案三考虑到本工程的特点，注水井数量大，均匀分布，将方案一和方案二结合起来，建设6座配水间，辖60口井，其余单井采用树枝状干管稳流阀组配注流程。

（三）注水管材注水管线材质主要考虑两种，碳钢和玻璃钢。

碳钢强度高，管线腐蚀或损坏后容易修复，与玻璃钢管线相比，流通能力明显偏小，容易腐蚀，综合造价略高。

玻璃钢管具有流通能力强，重量轻，隔热效果好等优点，在油田注水中的应用已经很成熟，大庆、辽河、胜利、华北、大港、江汉、克拉玛依、长庆等全国各大油田均有使用，有些油田已经普及。

各注水系统的主要工程量及投资估算见表7-9。

表7-9 各注水系统主要工程量及投资估算表通过上述分析对比，综合考虑采用配水间结合树枝状干管稳流阀组配注注水流程，分期建设3座注水站，6座配水间，注水干线采用钢管，单井管线采用玻璃钢管。

第四节油田产出水处理技术优化研究油田采出水通常用于油层回注，这样既可以节省宝贵的清水资源，同时可以避免含油污水外排带来的环境污染。

根据开发方案，牛圈湖油田西山窑组油藏平均孔隙度12.9%，平均渗透率1.72×10-3μm2，属于低孔特低渗储层。

因而对注入水水质要求较高，含油量达到碎屑盐油藏注入水水质推荐指标的A1级标准，悬浮物固体含量达到A3级标准。

本油田采出水处理技术的研究方向是用于油层回注，研究任务是确定出适合本油田的水处理方法。

用于油层回注的油田产出水主要控制指标有悬浮固体含量、悬浮物颗粒中值粒径、含油量、腐蚀率和细菌含量，辅助性指标有溶解氧、硫化氢、侵蚀性二氧化碳、铁及PH值。

水处理方案应根据原水的性质，产水量及其波动变化趋势，水质控制指标等因素综合考虑确定。

油田注入水的主要控制指标如果已达标，注水又较顺利，辅助性指标可不考虑。

注水达不到要求，须查明原因时，才检测辅助性指标。

本油田的采出水处理目标是处理后水的主要控制指标达标，其中尤以原油、悬浮物含量和粒径最为重要，细菌含量和辅助性指标如果需要可通过药剂处理达标。

水中难于去除的油一般是以乳状液的形态存在的，悬浮固体通常以悬浮液或胶体形态分布于水中，粒径在0.1~十几μm之间，大部分在1~10μm之间。

水中的这种分散颗粒，如不进行脱稳，很难在工程允许的停留时间内分离出来。

通常要加入破乳剂、混凝剂，使颗粒增大，与水容易分离。

一、水处理工艺分析目前国内普遍采用的油田采出水处理工艺一般是两段式处理流程。

第一段处理工艺分为以下几种：重力式沉降工艺，压力式沉降工艺，旋流除油工艺，浮选工艺和生物氧化法；第二段处理工艺根据水质及处理要求选用不同的过滤工艺组合。

（一）第一段处理工艺重力式沉降工艺适用于油品性质好，油水密度差较大的工艺条件，对水质、水量的变化适应性较强。