海上平台离心式注水泵扩容改造应用分析

刘帅，李明海，王新柱 (中海石油 (中国) 有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057)

1 项目概述

某海上采油平台所辖开发油藏具有密度低、粘度低、地饱压差较大的特点，为未饱和油藏。根据油藏特性，在生产开发期间，注水量不足引起注采不平衡，地层能量下降造成油藏大规模脱气，电泵泵效降低，油井产能下降，影响油井产量和最终采收率。ODP设计上采用的注水泵为一用一备模式，设计最大注水量为2 400 m3/d。受油藏滚动开发影响，注水井数量由初始设计的3口逐步调整增加至6口，注水的需求量由2 250 m3/d增加至3 650 m3/d[1]。为了满足注采平衡需求，实现增产增注的目的，需要对注水系统进行扩容增注适应性改造。

注水系统扩容增注改造以实现注水量增加为目的，以现场实践应用效果为参照，从工艺、设备、结构等角度进行改造尝试，最终实现由单串集输注水到双串分列注水的适应性改造，达到了增注增产的目的。

2 注水工艺流程改造

2.1 注水工艺设计现状

平台注水系统包括1个注水缓冲罐、2台注水增压泵、2台注水泵，一条供6口井注水管汇。原有工艺流程设计为注入水从注水缓冲罐6寸管出口连接到两台离心式注水增压泵入口，注入水增压泵增压至3 MPa后进入到两台注水泵入口，注水泵把注水水源提高到21 MPa注入本平台的注水井。注水增压泵主要是为了给注水泵提供稳定的压头，注水增压泵出口设计有压力控制管线进行注水泵入口压力控制，注水泵出口设计有液位控制阀管线实现注水缓冲罐液位控制。

2.2 注水工艺流程的制约因素分析

双串运行测试过程中，在整个工艺设计上，工艺流程上的三个压力节点成为增注的限制因素。

注水增压泵进口管线分流气蚀影响泵效。原始设计工艺流程上，注水缓冲罐出口一条6寸管线输送的水量被两台注水增压泵分流，离心式注水增压泵进水量不足，造成双串运行时注水增压泵气蚀，泵效降低，达不到增注增压效果。

注水增压泵出口管线汇输引起压头损耗。双串运行时，注水增压泵出口管线处于联通状态，给两台注水泵供给水源，由于离心泵运转时受泵效影响压头不一致，造成两台泵出口在汇输管线处输水量不一致，造成离心泵压头损耗，注水泵出口得不到足够水量。

注水泵出口管线汇集输损伤设备，注水量受制约。两台注水泵在设计上出口共用一条注水管汇。当双串运行共用一条6寸出口管线时，两台注水增压泵在变频调整过程中，会出现某台低频泵泵效低水压不足的情况，泵体在做功过程中产生的热量无法随注水介质流动传递到下游，造成泵出口管线局部高温，对注水泵机封等部件造成高温损伤，降低其使用寿命。出口单条管线在流量上被管线设计最大允许流量所制约，无法释放注水增注能力。

2.3 工艺流程改造应用分析

2.3.1 注水缓冲罐出口管线H型通道改造解决给水问题

注水缓冲罐出口至注水增压泵进口只有一条6寸管线供两台注水增压泵使用，水源进液量受制约，影响离心式注水增压泵泵效。通过现场调研，最终采取H型管道设计。在原有的注水缓冲罐底部开孔增加一路6寸出口管线，将增加的出口管线与原有设计的管线使用管线阀门连通，改造完成后，两台注水增压泵进口管线实现扩容共享功能，既可以实现双串运行期间可以互不干扰独立运行，也可以实现单泵运行期间进口水源管线的自由切换。

2.3.2 注水管汇分列运行工艺流程改造解决增注问题

注水泵出口管线在运行期间共用一条6寸出口，两台离心式注水泵同时运行时，受泵出口共享压头影响，低频低泵效离心泵会出现泵不出液的问题，影响泵效和设备使用安全。

通过现场调研和注水井水量分析，现场设计增加一路注水管汇，使当前注水井能够实现两路注水功能。同时在保留原有集中注水功能的前提下，对两台泵出口进行工艺管线改造，实现双串互联互通，整个工艺改造完成后，注水泵输水方式由单泵集输转变为双串分列集输方式。

2.3.3 注水能力扩容形势下的两用一备模式前瞻性改造

在注水工艺改造过程中，考虑到未来油藏滚动开发需求，调整井项目伴随的注水量增加，注水系统双串运行将成为一种常态。注水系统泵组两用一备需要体现预留接入口，为未来改造提供便利。

现场在注水系统扩容增注改造中，在注水缓冲罐出口和注水管汇区改造时预留备用接口，为两用一备模式下的备用泵接入提供便利，改造设计更具前瞻性。

3 注水设备功能优化

3.1 注水系统设备性能情况

某平台设有注水增压泵为WHPA-P-4101A/B ，型号KDY120-110×3。WHPA-P-4101A/B性能参数如表1所示。

表1 WHPA-P-4101A/B性能参数

某平台注水泵为WHPA-P-4102A/B，型号KDY100-150×8。WHPA-P-4102A/B性能参数如表2所示。

表2 WHPA-P-4102A/B性能参数

3.2 注水设备频繁故障问题适应性改造

自注水系统投用6个月以来，注水泵总计出现21次故障问题，其中17此机械密封故障，稀油站穿孔渗漏4次故障。造成注水时效低，注水量不达标。

3.2.1 离心式注水泵机械密封故障问题分析及处理措施

注水系统运转以来，共计发生17次机械密封故障，其中6次抱轴器断裂故障。

现场通过拆解分析查找到机械密封频繁故障原因：(1)抱紧环材质缺陷;(2)部分多级离心泵的轴向力平衡处理不到位，造成机械密封承受压力过高;(3)螺栓强度不足，造成抱轴器连接松脱断裂。处理措施：(1)将抱轴器材质更换为双相钢，耐海水腐蚀能力优于316 L；(2)抱轴器的整体厚度增加2 mm；(3)螺栓材质更换为A4-80。

3.2.2 注水泵稀油站冷却器冷却效果差及穿孔原因分析及处理措施

注水泵稀油站功能用于提供冷却油至各轴承箱，然后利用甩油环的飞溅润滑的方式来冷却轴瓦及轴承。随注水压力及注水量的提升，泵组需要不断提频，轴承的温度也随之升高，冷却效果欠佳，稀油站冷却器频繁穿孔使得冷却效果恶化，泵的时效变差。两套冷却器的使用时间不超过4个月出现四次穿孔故障。

现场分析故障原因：(1)两套稀油站是串联模式，二者无法并联使用；(2)冷却器是列管式油冷却器，通过胀管工艺消除铜管与管板的间隙，起到密封和紧固作用，可靠性差, 容易脱落造成冷却器进水；该冷却器的选材为普通铜管，耐海水腐蚀差，容易穿孔[1]。

处理措施：(1)两台稀油站并联运行实现冷却功能共享；(2)冷却器换型：风冷散热器，该散热器由翅片式散热器、齿轮泵，冷却风扇，过滤器以及其他辅助元件构成

4 测试数据

注水系统中压变压器共有4台设备，两台900 KW的注水泵和两台220 KW的注水增压泵，6300 V中压变压器容量为2000 KVA。注水设备一用一备模式下，满负荷运行的总功率为1120 kW，中压变压器容量可以满足设备运转需求。但双串运行系统运转，4台注水设备一起用，满负荷的总功率将为2 240 kW(有功功率)，以变压器功率因数为0.85计算，需要变压器容量为2635 kVA，而中压变压器的容量为2 000 kVA，变压器将超负荷运行。

为了验证注水系统变压器最大容量情况下的注水设备运转信息，现场进行了一次变压器最大容量下的运转测试，验证了变压器容量受限情况下的注水水量信息。

通过实际运转测试，双串运行期间，注水泵及注水增压泵在提频过程中，双串运行51HZ已经达到中压变压器符合极限，计算注水泵功率只能达到满负荷功率的85%。由于测试时注水工艺流程扩容增注改造尚未进行，双串运行情况下受离心泵出口压头影响，现场测试只有133 m3/h。根据油藏推测最大注水量3 650 m3/d，也就是152 m3/h注水量的要求，当前变压器容量无法满足后期注水需求，需要对中压变压器进行扩容改造。

在经济成本和施工条件限制得综合考量下，现场对2 000 kVA中压变压器进行更换升级，将原有的2 000 kVA中压变压器进行移位拆除，使用其他平台备用两台容量1 600 kVA中压变压器进行替换，使注水增压泵和注水泵满负荷运行时中压变压器满足容量要求

5 结语

某平台注水系统通过工艺流程改造、设备优化升级、变压器扩容等系列改造实现了单串集输到双串分列运行的运行模式的调整，解决了注水系统瓶颈问题。从工程总体设计的角度而言，建议对大型旋转设备在设备选址上应规避平台底层甲板等受限位置，减少后期现场改造带来的舷外作业风险高、难度大的施工困扰。设备材质选型与实际工况不符是现场适应性改造面对的主要问题，在设备选型时需要平衡经济性和适应性的关系。某平台注水系统扩容增注改造过程也验证了现场系统适应性改造是一项涉及安全、工艺、机械、电气、仪表、结构等各个专业的综合工程，结合实际统筹考虑才能为问题处理提供一套完善的解决方案。