注水泵应用现状及选型分析

李亚军，唐 波，王立辉，唐 瑜，周 军，李 博

（1.中国石油塔里木油田设备物资处，新疆库尔勒 841000；2.渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

随着油田开发过程的不断深入，新区上产水量不断增长，老区含水率不断升高，气藏见水形势愈发严峻，注水对保持地层压力，提高采出率至关重要[1]。注水泵是注水系统的核心，具有高扬程高功率的特点，也是原油开采中的耗电大户，占塔里木油田开发总耗电的1/5[2]。结合油田生产实际工况，合理选择节能高效的注水泵，对于降低油田生产成本、实现高质量发展具有重要意义。

1 油田注水泵基本情况

油田注水井的分布点多、线长、面广，目前塔里木油田共有注水井493 口，分布于8 个油气开发部的13 万平方千米生产现场，日注水量26 712 m3，均采用注水泵注入地层。目前共有注水泵214 台套，其中柱塞泵39 台、多级离心泵31 台、水平电泵144台，总功率20 552 kW。

2022 年上半年，西北油田节能监测中心对油田范围内主要注水区域的39 台注水泵能效情况进行抽查、监测，结果显示水平电泵实际测试效率和合格率最低，只有1.90%和18.75%（表1）。

表1 西北油田节能监测中心能耗监测结果

以2021 年为例，214 台注水泵总计运行时间50 万小时，累计注水975 万立方米，其中低效率的水平电泵运行时间为36.3 万小时、占比高达72.9%，累计注水450.3 万立方米、占比46.1%（图1）。

图1 2021 年各类注水泵运行时间及注水量对比

高效率柱塞泵数量占比及注水泵平均效率均低于长庆油田、西北油田等单位（表2）。水平电泵数量多且使用时间长，是油田注水泵平均效率过低的主要原因。

表2 3 个油田柱塞泵数量占比及柱塞泵平均效率对比 %

2 注水泵经济性分析

综合考虑节能降耗因素，以全生命周期成本最低为目的，从设备技术性能、运维成本、节能降耗等3 个方面，开展柱塞泵、多级离心泵、水平电泵对比分析，以及注水泵提质增效设备选型分析[3]。

2.1 技术性能

在已有注水泵使用情况调研分析基础上，充分考虑注水系统设备效率，从设备性能特点、应用范围、设备配套、实际效率等方面对3 种泵型进行对比。由表3 可知，水平电泵在注水泵设备效率方面，小排量工况低于柱塞泵，大排量工况低于多级离心泵，均可被柱塞泵和多级离心泵替代。

表3 3 种注水泵的技术性能特点

2.2 运维成本

统计分析主要生产单位2014—2021 年的设备购置、维护材料费用、人工成本、大修费用等，对比得出：购置费用方面多级离心泵功率最大，购置费用最高；材料人工费方面柱塞泵因易损件更换频繁，维护材料费及人工成本最高；大修费用方面多级离心泵更换叶轮等关键部件，水平电泵更换泵节（5 年内全部更换一遍），大修费用远高于柱塞泵（表4）。维保费用占购置费用比例中，水平电泵最高。

表4 3 种类型注水泵年度维保费用对比

2.3 节能降耗

由于3 种类型注水泵型号规格繁多，运行压力、排量大不相同，实际工况也会随生产需要而发生变化，为全面系统开展运行能耗对比，以注水泵对每方水升压1 MPa 消耗的电量C 来分析：

其中，年累计耗电量为该注水泵全年耗费的累计电量，年累计注水量为该注水泵全年累计从出口汇管排出的水量，出口压力、入口压力分别为该注水泵出口管线压力（即注入压力）和入口管线压力（即吸入压力）。

结合注水泵2021 年累计耗电量、2021 年累计注水量和实际吸入压力、注入压力等参数，对注水泵电能消耗进行核算（表5），水平电泵、多级离心泵、柱塞泵依次为0.76 kW·h、0.47 kW·h、0.33 kW·h，2021年注水泵平均注水能耗为0.63 kW·h。

表5 2021 年注水泵单位压力注水能耗

如果以1 台注水泵进出口压差20 MPa、日注水量500 m3、每年8000 h 运行时间为条件，在目前设备运行效率及能耗下计算得出：水平电泵年耗电费是柱塞泵的2.3 倍，每年多60 万元（电价按0.42 元/（kW·h）计算），相当于多排放二氧化碳956 t，需多种植树12 179 棵来实现碳中和。如果以30 台同类型的机泵进行计算，则水平电泵每年将多耗电费1800 万元、多排放30 000 t 二氧化碳，需多种植37 万棵树来碳中和（图2）。按照1 万千瓦时电消耗二氧化碳6.67 t、一棵树吸收二氧化碳78.5 kg 计算，可得表6 所示的3 种类型注水泵节能减排对比。

表6 3 种类型注水泵节能减排对比

图2 各类型注水泵年耗电费

2.4 全生命周期成本分析

如果选取油田范围内近似处理能力的柱塞泵（5ZB-20/25）和水平电泵（QCZS 550/25），从设备采购、电能耗费、维保费用等方面进行分析对比，水平电泵较柱塞泵年运行电费和维保费总计多59 万元，15 年全生命周期成本费将多出883 万元。如果按30 台同类型的机泵计算，水平电泵全生命周期成本比同参数柱塞式注水泵多出近2.7 亿元（图3）。

图3 柱塞式注水泵与水平电泵全生命周期成本对比

3 注水泵选型建议

通过对比柱塞泵、多级离心泵、水平电泵设备技术性能可以得出，柱塞泵适用范围最广，设备效率最高，水平电泵设备效率最低。对比3 类注水泵运维费用、节能降耗和全生命周期（15 年使用时间）成本，得出柱塞泵较水平电泵全生命周期成本低100%，节能130%。为此，建议新建项目优先选用节能、低成本的柱塞泵，有计划分批次推进水平电泵更换为柱塞泵，以提升注水系统效率，推进设备节能降耗，实现油田设备管理提质增效[4]。