老油田注采输核心设备节能减排技术探析

2024-05-13薛悦

中国设备工程 2024年9期

薛悦

（大庆油田第六采油厂第二作业区技术管理室，黑龙江大庆 163000）

我国老油田逐渐进入发展中后期，其含水量大幅度增加，产量下降，与地面配套技术无法适应，而且还存在设备性能老化、耗能较高、效率较低，产能源持续增长等情况，已无法适应我国当前绿色能源发展战略和能量损耗考核需求。某些老油田根据其实际生产过程和特征，围绕石油开采、集输、注水等主要的地面工艺系统的核心设备，在关键技术的引导下，对多种技术进行优化和创新，有效实现节能减排，同时使抽油机、注水泵等油田核心设备的节能水平得到显著提升，也使老油田经济效益不断提升，促进老油田全面高质量发展。

1 老油田注采输核心设备运行

1.1 安全预警

老油田注采输核心设备在实际运行过程中，安全预警管理要针对安全设计进行优化和完善，从而使系统整体安全性能和质量达到安全水平。在实际优化过程中需要以将事故物源控制作为出发点，并提出避免事故发生的方法和途径，以此来从根本上发现并消除事故与危害，也能够防止误操作和设备故障造成的危害。从论证到设计再到基础建设，为了达到生产、技术改造等目的，需要从以下几方面着手：（1）项目规划设计阶段。应用技术性方法对危险因素进行有效排除，使得人们无法触及危险区域，例如，可以将危险区域封闭起来，同时安装一些安全保护设施。而且在实际规划过程中，要对如何达到信息化问题进行充分考虑。目前，已经有大量的自动化监控设备被应用到了油井中，可以利用监控来了解和发现井组中潜在或者已经出现的安全隐患，通过远程操作，可以将设备隐患进行有效控制，从而可以及时加强安全防范部署，以此来完全杜绝施工过程中的安全问题。（2）操作阶段。制定系统设备维护与预防措施，运用设备故障分析技术，对设备中存在的问题进行快速检测与解决。而且相关工作人员应经常对各种安全设备进行检测，确保这些设备在任何时候都能保持稳定，并配备所需的防护用品等。对设备进行维护时，应遵循强制性维护和按需求维护的基本原则。强制维护指的是要遵守各级维护条例，以运行周期为依据，对设备进行强制维护，按需维护指的是以设备的状况监控为依据，有目的地进行维护。（3）制定管理方法。为使用者和操作者提供相关的技术资料，如维护安全手册等。因此，应加大对员工的教育与培训力度，以提高工作人员对不安全因素的处理水平和处理能力。

1.2 运行安全

老油田注采输核心设备在实际运行过程中应安全预警管理，就是要针对设备在运转过程中，可能会产生的一些异常情况或是存在一些安全隐患，制定相应的措施，以防止在设备运行过程中，会给工作人员带来较大危害，也能够避免误操作和设备损坏等事故。要想保证生产设备的安全运行，就要从以下几个角度着手，对生产装置的不安全状况、操作人员和管理人员的不安全行为、不安全环境的不安全因素进行分析。（1）对设备非安全状况进行预先控制。由非人为原因引起的异常情况，在进行任何作业时，都要注意被作业的物体是否会出现异常。在设备实际运行过程中，因操作者对设备相关技术的认识不足而造成设备故障。例如，在抽油过程中，可能由于逆向流动，造成管道破裂和石油泄漏等情况，从而引起火灾或中毒等现象。（2）对设备操作过程中的安全状况进行预测。其中包含对设备环境安全警告，操作人员必须了解装置本身存在的故障，并能准确地对设备的故障做出判断和定位，从而实现设备的可靠度的预控制。（3）对设备的自然环境进行预先控制。风雨、温度、雷电和其他一些自然因素使得部分设备处于异常的状态。例如，在冬季由于温度较低，会发生加热炉液位计被冻，从而显示失灵的情况，而在严重缺水情况下，烧干锅可能会导致炉体损坏。（4）人为因素安全预控。工作人员技术和专业素质直接影响设备的安全运行。如果无法胜任岗位的人员独自进行作业，会大幅度提高失误概率，所以应在有经验的人员带领下进行操作。

1.3 安全配套设施

只有严格按照法律和纪律来提高相关设备的质量，才能够保证设备的安全、稳定运行。（1）要严格落实工作职责，确保所有环节都有专门的工作人员管理和负责，推动工作职责的履行。（2）加强防范意识，加强防范措施，提高工作人员发现和解决问题的能力。（3）要加大三标建设力度。加强自身的治理，做好三标创建工作，为企业的安全生产奠定坚实基础。（4）优化安全生产隐患的整治工作。要想建立《隐患动态台账》，在实际制订过程中需要设立中、长期方案，并对具体工作人员进行明确，做好相应整改工作。加大滩海进井路及井台的保护工作，严格执行长期管理制度，做好巡视防护，并做好封闭工作，对潜在风险进行动态销账管理。（5）强化品质监督管理。加强对品质规范的研究，加强对品质的检测，提高品质监督水平。实施四方监督管理制度，做好项目建设的参与工作，严格执行《工程施工监控表》，加强对项目的质量监测，对不合理的工艺环节和不安全的隐患进行及时排查和纠正，确保项目的顺利实施，避免出现质量问题。

2 老油田注采输核心设备节能减排技术

2.1 永磁调速技术

在某地老油田清水站中，安装了6个离心式抽水泵，每个抽水泵的出水量为600m3/h，132kW为电机输出功率。因用水要求从450～900m3/h变化很大，所以需要同时应用2台抽水泵，以此来满足供水需求。为了确保供水和用水的均衡，超过1/3的水经超压回路回流至清水储罐，使清泵实现较多的无用功。

由于水量波动大，供给与需求不匹配等问题的存在，为了防止因水泵倒转引起的能源消耗，通常利用变频技术来对供水进行调控。但是，在潮湿的野外环境和狭窄的空间，造成了较高的故障发生率和较大的维护难度，使其无法平稳运行。经过技术对比，应用对恶劣环境具有较好适应能力的永磁调速技术来对离心泵速度进行调节，以达到生产要求。

清水站改造两台永磁调速技术，并将其应用于变频控制系统中。在实际工作过程中，可以根据用水负荷的变化，利用PLC控制器控制电动执行机构，对主动导体转子和从动导磁转子的耦合面积进行调控，从而对水泵速度进行调整，从而达到对自动调整离心泵供水量的目的，以确保供用水均衡，同时，还能使清水泵的能耗得到节约，并使电动机和水泵实现从硬联接到软联接，达到减少系统振动损耗，提高设备使用寿命的目的。图1为永磁驱动控制的工作原理。

图1 永磁驱动控制原理

2.2 永磁复合电机直驱抽油机技术

由于游梁式抽油机具有结构简单、运行稳定、易于检维修等特点，所以在石油开采设备中占据了绝对优势，其应用数量可达95%。但是，由于其驱动的静负载扭矩较大，与其相匹配的电机的额定功率远远高于实际运行的功率，电动机的功率利用率只有20%，并且产生了较大的空载损耗，再加上减速齿轮箱和四连杆机构等中间传动环节存在一定的能量损耗，使其在地面系统运行时效率不会超过70%。电动机、四连杆件、齿轮箱的效能值分别为80%、95%和91%。为此，降低抽油机运行中的传输损耗，采用高效率、大起动扭矩的电机，是当前该领域研究的重点。

为解决常规的游梁式抽油机存在的功率低、能耗大等缺点，本文采用新型的直接驱动方式——永磁复合电机直驱抽油技术。这一技术在应用过程中不需要三相异步感应电动机，也不需要皮带和减速齿轮。永磁复合电动机是一种将磁性齿轮（如图2）和永磁电动机相结合的组合技术。该电动机采用一个内转子，内转子的高速运转主要由电机驱动，而外转子则通过磁场调节来实现对负荷的控制。经调磁环由高转速转动磁场转变为低转速转动，从而达到低转速、大扭矩的目的。

图2 磁性齿轮结构

技术特性：电机转子主要应用非接触型扭矩传输，无机械摩擦，也不需要应用润滑，运转效率超过85%。电动机具有较小的转子数和较大的滚动轴承，具有较长的使用寿命。由于直驱游梁式抽油机具有单根转动的特点，因此具有较低的机械损耗和较低的机械振动。

2.3 计量站真空相变加热炉技术

在对老油田进行开采过程中，油田计量站的常压水套具有提高石油天然气集输起始温度，保证各井、站产出的石油向联合站输送的关键作用，也是石油生产和集输的主要装置，其能耗约为总能耗的17%。试验结果表明，该系统的整体热效率仅为64%，属于偏低的一种。目前我国的水套加热炉普遍面临的问题是其工作负荷系数较小，一般只有50%～60%。由于燃烧效果较差，导致人工控制的燃烧器无法随着采油过程的改变，而实现对燃烧器的负载及分配空气的自动调节。

油田安全生产的自动化和智能化程度不断提升，对高效节能和安全可靠的储油热设备提出了更高的要求。根据当前原油集输加热设备的实际特点，对油田计量站应用的真空变相加热炉进行合理应用，使用全自动燃烧系统，可实现对燃气的自动调节，防止因过热而引起的燃气的浪费。为了改善燃气的燃烧效果，提出了一种基于烟气氧气含量的闭合循环燃烧方法。燃烧器具自动清洗、自动点火、火焰连续探测功能，具有灭火防护和燃气电磁阀泄漏检测防护等多项作用，确保了燃烧系统的安全性和可靠性。利用燃气净化设备对油田生产天然气进行净化处理，既确保了天然气的品质，能够提高燃烧炉的稳定性，同时，也能够有效地解决天然气的计量问题。处理后的残余水经齿式水泵封住了外部输送管道，避免原位排出造成的安全问题及对环境的影响。

2.4 大排量对置式柱塞泵替代离心泵改造技术

某老油田的注水系统以二次增压的注水为主，在对油田进行加工后，通过下污水站的离心泵进行了一级提压，然后将其输送到增注泵站，通过增注泵站的活塞泵进行了二次提压，最终通过配水阀组将其分布到各个注水井中，使其进入地层中进行驱油，使生产废水的回收利用达到了零排放。在油田开发过程中，由于注水条件的不断改变，导致注水系统中的注水要求和注水工艺之间的不匹配，以及老旧设备的高能耗、低效率等问题日益突出。试验结果显示，该设备在整个注入过程中，能源的使用率为52.4%，水泵的工作效率为71.1%，水泵的能耗是整个注入过程中损耗最大的部分。在提高注水系统性能和改进过程中，重点安装泵的选择是非常重要的。目前，主要应用离心泵和活塞泵两种泵型，其优势在于其容积大、维修工作量少，其不足之处在于其运行离开了有效区域后，其效率迅速降低。在此背景下，由于油田注水量经常波动，而工艺无法及时进行调整情况下，出现了使用大排量对式柱塞泵来代替离心泵，并与变频调速技术相匹配，从而可以提升泵机组的效率。

技术特征：泵体的两个流体动端部是全部横向设置在曲轴两侧，运行时一侧活塞在循环过程中移动时，其转动的惯性会影响曲轴，再将其传输给另一侧的活塞，从而形成动力。相对单侧活塞式泵站，该泵站的整体效率可提高约5%。采用一支曲轴同时驱动两支液体端部，可有效地克服往复活塞泵排量大、压力大、容积大的矛盾，使其与同等排量的单向活塞泵相比，减小了泵的容积。一次运转不会出现空档，整体受力比较均衡，运转更为顺畅。