渤海边际油田远程遥控无人注水工艺设计与实践

2021-03-06马金喜邹昌明李翔云

中国海洋平台 2021年1期

桑军，马金喜，邹昌明，李翔云，郝铭

(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459)

0 引言

渤海海域蕴藏着丰富的石油天然气资源，在几十年的资源勘探过程中，不仅发现了一系列大中型地质构造相对简单的油气田，而且发现了一些储量规模小、品位低、分布广，难以经济有效开采的边际油田。据统计，渤海油田约88%的储量需注水开发，其余利用天然能量开发。针对边际油田开发，为降低投资、提高油田开发可行性，采用依托周边设施尽可能简化系统设计的原则，一般只设置计量设备，不设置油气水处理系统，气液通过海底管道输送至所依托平台进行处理[1-3]。注水开发的油田利用依托平台采用远程高压注水或低压输水+高压就地注水+有人驻守的模式。目前尚未动用开发的边际区块大多依托距离较远(>5 km)，需注水开发提高采收率，采用常规方案投资较高，尤其是新建长距离注水海管或采用有人就地注水方案效益更差，如何经济有效地开发这些依托距离远、动用储量低的区块是所面临的新问题。国家能源形势的变化势必推动和促进渤海边际油田开发技术的不断创新和实践。

1 渤海边际油田开发注水工艺技术现状

目前针对渤海边际油田不同的依托距离和依托平台的剩余空间情况，已形成3种不同形式的注水工艺，其各有适用情况和优缺点，如表1所示。

表1 目前渤海边际油田注水方式的技术特点比较

2 研究思路与技术路线

在远程注水方案的基础上，利用平台设置水源井以提供注水水源，并设置水源井水处理设施和注水处理设施，通过自动化升级及可靠的远程监控实现无人就地注水，进而简化公用系统、简化平台设施[4]。研究技术路线如图1所示。

3 远程遥控无人注水开发工艺技术

为提高远距离依托注水开发的边际油田经济效益，降低开发门槛，提出远程遥控无人就地注水开发方案。该方案不必敷设长距离海管远程注水，是三一模式的升级版[5-6]，也是边际油田注水开发的新模式，具体如图2所示。

渤海旅大29-1 WHPA平台上有8口井，且需要注水开发，平台距周边最近的依托油田约16 km。对于这种依托距离远、需注水开发的平台，由于操作频繁，一般都考虑有人驻守。但根据油田的具体情况，将旅大29-1 WHPA平台大胆地设计为无人驻守远程遥控注水开发平台，这也使其成为渤海油田中依托距离超过15 km、采取远程遥控就地注水开发的边际油田无人驻守平台。

图1 研究技术路线图

图2 远程遥控无人注水开发示例

对于无人驻守远程遥控注水平台，一般要求其注水设备和控制系统非常可靠，应对意外情况的能力强。按照这个要求，在设计旅大29-1 WHPA平台注水系统时，在保证平台安全的情况下采取如下新作法。

3.1 基于可靠性的地面卧式电潜泵增压技术

实现远程遥控无人注水开发的关键是注水泵的可靠性及无人自动化与远程遥控技术。注水泵属于较大型的旋转设备，泵出口压力属于高压力级别，且要求注水泵长期连续运行，一旦出现故障或关停可能出现憋压、泄漏的问题，对生产有较大影响，安全风险也较高。对于边际油田无人注水开发所需的小流量、高扬程泵，在研究选型方案时必须基于可靠性前提，重点对泵的连续运行时间、检修周期、故障停泵频次等关键指标进行综合比较。

渤海海上平台注水泵的泵型主要有离心泵和往复泵：离心泵作为注水泵的主要泵型有BB3、BB4、BB5，3种泵型都适用于大流量注水工况，流量调节范围广、可靠性高，但在小流量、高扬程工况下效率较低[7]；往复泵适用于小流量、高扬程的注水工况，初始投资低，但检泵周期短，维修工作量较离心泵大。

另外，还有一种地面卧式电潜泵，其相对于一般BB3、BB4离心泵，结构简单，由泵体、止推箱和电机组成，维修工作量小、维修简便、可靠性较高，特别适用于小流量、高扬程工况。

旅大29-1项目对3种泵型在渤海油田的使用情况进行调研，具体如表2所示。

表2 渤海油田海上平台注水泵的应用情况

为满足边际油田开发注水小流量、高扬程的运行工况，同时兼顾无人驻守高可靠性的要求，提出基于可靠性的地面卧式电潜泵增压技术及无人平台远程遥控就地注水方案。

(1) 在设计、建造、安装时提出泵橇强度要求，对泵甲板进行加固，提高甲板平整度要求，提高注水泵的对中水平，加强泵体的振动监测。

(2) 注水泵现场控制盘传输进出口压力、进出口温度、电机运行电流、轴承温度、轴承振动等信号至中控。

(3) 设置回流管线并设置电动阀门解决主备泵切换后的防冻问题。

(4) 在泵出口设置压力传感器和遥控阀门，保证泵启动前满足泵的气蚀裕量并保证泵腔排气完全，灌泵排气阀为电动阀门；离心泵启动和停止前均需缓慢关闭出口电动阀门。

(5) 实现远程盘车及测试功能，实现远程启停。

3.2 无人自动化与远程遥控注水开发技术

平台注水井的注入压力、流量和注水温度都是动态变化的，在实际生产过程中需频繁通过人工操作进行干预，因此无人平台需加强自动化控制，降低人工巡检、维护和操作频率。同时，通过工艺流程集成创新，实现流程远程切换，工艺设备远程启停和备用切换，增强系统的可靠性和稳定性。

3.2.1 远程就地注水自动化升级技术

利用先进的仪表和控制系统，将现场生产和注水数据及报警信号送至远程遥控平台中控室集中监控，现场仪表采用带可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议(Highway Addressable Remote Transducer，HART)的智能仪表。将重点区域和装置采用闭路电视(Closed-Circuit Television，CCTV)监控系统全覆盖。增加相应的现场检测点和自动调节功能、水系统设备远程启动和复位、动设备与电气设备状态监测，实现无人井口平台远程控制就地注水。具体技术如表3所示。

通过自动化升级实现远程遥控注水，简化工艺流程，便于无人常态化操作，日常人员登平台频率达7～10 d，大幅降低操作成本。

表3 无人平台远程就地注水自动化升级技术

续表3 无人平台远程就地注水自动化升级技术

3.2.2 远程就地注水工艺技术

旅大29-1 WHPA平台为无人平台，水处理流程需实现远程控制功能。所有压力表、压差表等信号需远程传输至中控，现场除按常规要求设置高清摄像头外，对重要设备单独配置高清摄像头，对设备运行实现远程监控。

(1) 水源井水处理系统

水源井水处理系统主要包括1台旋流除砂器和1台脱气缓冲罐，能够在无人操作的工况下稳定运行。旋流除砂器排砂口设置电动开关阀，具有远程开、关功能。在水源井出口设置旁路，用于海管预热和置换工况，在旁路上设置电动开关阀，具有远程开、关功能。在主流程上设置电动开关阀，具有远程开、关功能。部分现场仪表配置要求如图3所示。当需要海管预热或置换时，先关闭主流程的开关阀，再打开置换流程的开关阀，实现流程切换。

注：ESP-电潜泵；FR-带远传流量计；PC-压力控制；LC-液位控制；PDI-压差变送器；PDIC-压差控制器图3 水源井水处理系统流程图

(2) 远程遥控无人注水系统

注水缓冲罐按照常规需求设置压力表(PI)、压力变送器(PIT)、液位计/液位变送器(LI/LIT)等，所有信号需远程传输至中控，使中控工作人员能够实时得到相关参数。注水泵为变频控制，可根据注水量需求适当调节排量。在注水泵入口分别设置电液式关断阀，在注水泵出口分别设置电动调节阀、电液式关断阀和电动排气阀。注水泵部分现场仪表配置需求如图4和图5所示。当主泵启动时，其前后的关断阀打开，并且出口排气阀打开，当泵出口的压力满足泵正常启动运行要求时，打开出口阀门，注水泵正常运行，此时备用泵前后的关断阀处于关闭状态。在主管线设置压力调节阀，若注水泵出口压力过高，则进行泄压。

4 应用实践

以旅大29-1项目为例，在渤海实现无人平台远程遥控就地注水，与常规无人平台远程高压注水开发方案相比，节省一条16.1 km高压注水海管和依托平台的海上改造施工费用，总投资节约1.2亿元，收益率提升约4.9%。可依托的边际油田开发储量动用门槛由600万方降低至450万方，为渤海边际油田开发提供了新模式。