注水泵應(yīng)用現(xiàn)狀及選型分析

李亞軍，唐 波，王立輝，唐 瑜，周 軍，李 博

（1.中國石油塔里木油田設(shè)備物資處，新疆庫爾勒 841000；2.渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著油田開發(fā)過程的不斷深入，新區(qū)上產(chǎn)水量不斷增長，老區(qū)含水率不斷升高，氣藏見水形勢愈發(fā)嚴(yán)峻，注水對保持地層壓力，提高采出率至關(guān)重要[1]。注水泵是注水系統(tǒng)的核心，具有高揚(yáng)程高功率的特點(diǎn)，也是原油開采中的耗電大戶，占塔里木油田開發(fā)總耗電的1/5[2]。結(jié)合油田生產(chǎn)實(shí)際工況，合理選擇節(jié)能高效的注水泵，對于降低油田生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 油田注水泵基本情況

油田注水井的分布點(diǎn)多、線長、面廣，目前塔里木油田共有注水井493 口，分布于8 個油氣開發(fā)部的13 萬平方千米生產(chǎn)現(xiàn)場，日注水量26 712 m3，均采用注水泵注入地層。目前共有注水泵214 臺套，其中柱塞泵39 臺、多級離心泵31 臺、水平電泵144臺，總功率20 552 kW。

2022 年上半年，西北油田節(jié)能監(jiān)測中心對油田范圍內(nèi)主要注水區(qū)域的39 臺注水泵能效情況進(jìn)行抽查、監(jiān)測，結(jié)果顯示水平電泵實(shí)際測試效率和合格率最低，只有1.90%和18.75%（表1）。

表1 西北油田節(jié)能監(jiān)測中心能耗監(jiān)測結(jié)果

以2021 年為例，214 臺注水泵總計(jì)運(yùn)行時間50 萬小時，累計(jì)注水975 萬立方米，其中低效率的水平電泵運(yùn)行時間為36.3 萬小時、占比高達(dá)72.9%，累計(jì)注水450.3 萬立方米、占比46.1%（圖1）。

圖1 2021 年各類注水泵運(yùn)行時間及注水量對比

高效率柱塞泵數(shù)量占比及注水泵平均效率均低于長慶油田、西北油田等單位（表2）。水平電泵數(shù)量多且使用時間長，是油田注水泵平均效率過低的主要原因。

表2 3 個油田柱塞泵數(shù)量占比及柱塞泵平均效率對比 %

2 注水泵經(jīng)濟(jì)性分析

綜合考慮節(jié)能降耗因素，以全生命周期成本最低為目的，從設(shè)備技術(shù)性能、運(yùn)維成本、節(jié)能降耗等3 個方面，開展柱塞泵、多級離心泵、水平電泵對比分析，以及注水泵提質(zhì)增效設(shè)備選型分析[3]。

2.1 技術(shù)性能

在已有注水泵使用情況調(diào)研分析基礎(chǔ)上，充分考慮注水系統(tǒng)設(shè)備效率，從設(shè)備性能特點(diǎn)、應(yīng)用范圍、設(shè)備配套、實(shí)際效率等方面對3 種泵型進(jìn)行對比。由表3 可知，水平電泵在注水泵設(shè)備效率方面，小排量工況低于柱塞泵，大排量工況低于多級離心泵，均可被柱塞泵和多級離心泵替代。

表3 3 種注水泵的技術(shù)性能特點(diǎn)

2.2 運(yùn)維成本

統(tǒng)計(jì)分析主要生產(chǎn)單位2014—2021 年的設(shè)備購置、維護(hù)材料費(fèi)用、人工成本、大修費(fèi)用等，對比得出：購置費(fèi)用方面多級離心泵功率最大，購置費(fèi)用最高；材料人工費(fèi)方面柱塞泵因易損件更換頻繁，維護(hù)材料費(fèi)及人工成本最高；大修費(fèi)用方面多級離心泵更換葉輪等關(guān)鍵部件，水平電泵更換泵節(jié)（5 年內(nèi)全部更換一遍），大修費(fèi)用遠(yuǎn)高于柱塞泵（表4）。維保費(fèi)用占購置費(fèi)用比例中，水平電泵最高。

表4 3 種類型注水泵年度維保費(fèi)用對比

2.3 節(jié)能降耗

由于3 種類型注水泵型號規(guī)格繁多，運(yùn)行壓力、排量大不相同，實(shí)際工況也會隨生產(chǎn)需要而發(fā)生變化，為全面系統(tǒng)開展運(yùn)行能耗對比，以注水泵對每方水升壓1 MPa 消耗的電量C 來分析：

其中，年累計(jì)耗電量為該注水泵全年耗費(fèi)的累計(jì)電量，年累計(jì)注水量為該注水泵全年累計(jì)從出口匯管排出的水量，出口壓力、入口壓力分別為該注水泵出口管線壓力（即注入壓力）和入口管線壓力（即吸入壓力）。

結(jié)合注水泵2021 年累計(jì)耗電量、2021 年累計(jì)注水量和實(shí)際吸入壓力、注入壓力等參數(shù)，對注水泵電能消耗進(jìn)行核算（表5），水平電泵、多級離心泵、柱塞泵依次為0.76 kW·h、0.47 kW·h、0.33 kW·h，2021年注水泵平均注水能耗為0.63 kW·h。

表5 2021 年注水泵單位壓力注水能耗

如果以1 臺注水泵進(jìn)出口壓差20 MPa、日注水量500 m3、每年8000 h 運(yùn)行時間為條件，在目前設(shè)備運(yùn)行效率及能耗下計(jì)算得出：水平電泵年耗電費(fèi)是柱塞泵的2.3 倍，每年多60 萬元（電價按0.42 元/（kW·h）計(jì)算），相當(dāng)于多排放二氧化碳956 t，需多種植樹12 179 棵來實(shí)現(xiàn)碳中和。如果以30 臺同類型的機(jī)泵進(jìn)行計(jì)算，則水平電泵每年將多耗電費(fèi)1800 萬元、多排放30 000 t 二氧化碳，需多種植37 萬棵樹來碳中和（圖2）。按照1 萬千瓦時電消耗二氧化碳6.67 t、一棵樹吸收二氧化碳78.5 kg 計(jì)算，可得表6 所示的3 種類型注水泵節(jié)能減排對比。

表6 3 種類型注水泵節(jié)能減排對比

圖2 各類型注水泵年耗電費(fèi)

2.4 全生命周期成本分析

如果選取油田范圍內(nèi)近似處理能力的柱塞泵（5ZB-20/25）和水平電泵（QCZS 550/25），從設(shè)備采購、電能耗費(fèi)、維保費(fèi)用等方面進(jìn)行分析對比，水平電泵較柱塞泵年運(yùn)行電費(fèi)和維保費(fèi)總計(jì)多59 萬元，15 年全生命周期成本費(fèi)將多出883 萬元。如果按30 臺同類型的機(jī)泵計(jì)算，水平電泵全生命周期成本比同參數(shù)柱塞式注水泵多出近2.7 億元（圖3）。

圖3 柱塞式注水泵與水平電泵全生命周期成本對比

3 注水泵選型建議

通過對比柱塞泵、多級離心泵、水平電泵設(shè)備技術(shù)性能可以得出，柱塞泵適用范圍最廣，設(shè)備效率最高，水平電泵設(shè)備效率最低。對比3 類注水泵運(yùn)維費(fèi)用、節(jié)能降耗和全生命周期（15 年使用時間）成本，得出柱塞泵較水平電泵全生命周期成本低100%，節(jié)能130%。為此，建議新建項(xiàng)目優(yōu)先選用節(jié)能、低成本的柱塞泵，有計(jì)劃分批次推進(jìn)水平電泵更換為柱塞泵，以提升注水系統(tǒng)效率，推進(jìn)設(shè)備節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)油田設(shè)備管理提質(zhì)增效[4]。