概述
1.定义
油田注水是将合格介质增压至所需注水压力后，再向注入井分配的过程。
2.作用
注水是油田开发中的一种十分重要的开采方式，它可以有效地补充地层能量，在提高原油采收率，确保油田高产、稳产中起到了积极作用。
3.能量消耗
注水系统消耗的能量可以分为三大部分，一是驱动注水泵电机及注水泵消耗的能量；二是管网摩阻损失及管网上各种控制阀件耗能，通常用管网效率来描述；三是将水注入油层所需的能量，这部分能量决定于油层所要保持的压力、储油层的性质和油层的动态等因素。
4.节能降耗的必要性
注水系统的耗电量是巨大的，约占我国油田生产用电的３３％～５６％。而且随着油田综合含水率的上升，注水能耗还将急剧上升。因此，注水系统的节能降耗对于降低油田生产成本具有重要的意义。
技术原理
1.油田注水节能常用技术
1)注水系统管网优化
将个别区块的注水系统与水驱系统进行统一优化调整，优化后根据总水量的需求停运注水泵数量，降低能耗，提高注水效率。对系统较为独立、优化难度大及多种水质并存的注水管网，可以通过改善水质，进行管网整合，优化注水半径，提高注水系统效率。
2)更新高耗低效注水泵机组，降低无效损耗
部分注水泵机组，运行效率较低，能耗较高，
通过更新此类注水泵机组，能够提高整个系统注水泵机组效率，降低注水系统的无效损耗。
3)注水管网整体降压和单井增压技术
对压力损失矛盾比较突出，具有压力分布成区域性特点的区块，考虑对注水管网进行分压，提高注水系统效率。
4)前置泵调参技术
前置喂水泵调速的原理是在现有多级离心式注水泵拆级后，新建ｌ台排量与主泵相同、扬程1.6ＭＰａ的前置喂水泵与拆级后的主泵串联运行。通过对前置喂水泵进行变频调速，采用压力闭环变频控制的方式，根据站外系统压力适时调节喂水泵扬程，实现减小泵管压差的目的。
（1）该技术主要适用于系统压差较大的高压离心注水泵站的节能改造，通过前置喂水泵变频可降低系统压差，并适当提高注水泵效，降低注水单耗。与高压注水泵变频相比，可大大节省投资。
（２）初步解决了三项关键技术：前置泵与注水泵的合理匹配、注水泵的密封形式及前置泵与注水泵的最佳控制模式。
5)变频调参技术
（１）柱塞泵低压变频技术。柱塞泵通过变频器调节泵的转速，仅对水量进行调节，扬程不变时，功率会降低。目前在用的柱塞泵变频设施设备功率为７．５～２００ｋＷ，实际运行频率为３０～５０Ｈｚ，柱塞泵变频范围保持为６０％～１００％，节能效果在１０％～１５％。在外围独立建设的注水站及注配间，使用柱塞泵变频技术可有效解决实际注水量与地质配注量匹配问题，收到明显的效果。
（２）高压离心式注水泵变频技术。离心泵通过变频调节电机转速，改善机泵工况，降低泵管压差，减少电能消耗。高压离心式注水泵变频实际运行下限为４７Ｈｚ，节电率为１０％左右，单套投资在４５０万元左右。该技术的选用必须经严格的技术经济论证。
6)注水系统仿真优化技术
注水系统仿真优化是依据大系统理论、网络理论和优化理论，建立起注水系统仿真优化数学模型，依据注水系统配注要求，优化出系统开泵方案及运行参数。该技术能够对注水系统进行全过程控制，具有系统调控、巡视、保护、数据处理和网络通讯等几大功能，并保持注水系统综合高效运行，节约能源，减轻工人劳动强度，提高注水系统生产自动化管理水平。
7)液体黏性调速离合器技术
根据牛顿内摩擦定律，活塞左端受控制油压力的作用克服弹簧力而右移，使主、被动摩擦片问的间隙减小，输出转速增大。当控制油压力减小时活塞左移，间隙增大，输出转速减小。由于注水泵的转速可在主电机启动后逐步增加，因而可以起到轻载启动的作用。润滑油的作用是向摩擦片之间充分供油形成工作油膜，并将所生成的热量带走。控制油通过给油缸不同压力实现注水泵的无级调速。
（１）在多台注水泵并联工作的情况下，其中一台安装调速装置不会影响其他注水泵的运行。
（２）可以轻载启动，有助于提高注水系统设备的寿命和运行可靠性。
（３）对油田注水泵进行调速具有运行可靠，投资少，自动化程度高的特点。
2.油田注水节能新技术、新工艺
1)液力偶合器调速技术
液力偶合器是以液体为介质传递功率的一种液力传动装置，它安装在电动机和给水泵之间，并在电动机转速恒定的情况下无级调节给水泵的转速。它的优点是可以空载启动电动机，能控制大负载逐步地启动，可减少对电网冲击。用于注水泵，对泵的转速作无级调速改变泵的工况，降低泵的轴功率，实现节省耗电量；另外液力偶合器可方便地使用遥控方式或者自动控制方式，同时还可利用液力偶合器的油路系统为泵、电机或增速装置集中供油，可省去稀油站；与注水泵一体在现场安装，占地面积小，一次性投资低。
液力调速与变频调速技术性能比较
（１）传递功率范围。变频调速目前仍以中小容量为主，大容量较少。液力调速容量范围宽广，国内产品最大规格已达６５００ｋＷ，国外已达２７０００ｋｗ。特别是对高电压、高转速大容量设备，液力调速占有绝对优势。
（２）调速范围与调节精度。变频调速范围较宽，通常可达１０：１左右。液力调速范围相对较窄，与机泵匹配通常可达５：１（对于机泵已足够用）。
（３）传动品质。变频调速除可分级启动外，基本上不能改善传动品质。液力调速是柔性传动，具有空载启动、可控软启动、过载保护、缓和冲击、隔离扭振、协调多机驱动时平衡功率等功能，能有效地改善传动品质。
（４）对环境的影响与适应。液力调速对环境无影响，对使用条件要求不高，可以在户外、井下、炎热、寒冷、粉尘和潮湿等环境下使用。变频调速所产生的高次谐波对电网严重污染，而治理谐波污染的费用较高，变频调速对使用环境的要求比液力调速要高得多。
（５）占地面积。变频调速占地面积小，利于空间狭小场合使用，但控制柜需占有较清净的另一房间。液力调速占地面积大，需在电机与工作机之间占有一定空间，不利于老设备改造。
（６）对电网与电机的影响。液力调速能使电机空载启动，降低电机启动时间和启动电流，降低对电网的冲击，保护电机在外载荷超载时不受损坏。由于液力调速使电机一直在额定转速下运转，因而调速时电机功率因数和效率下降较少，温升不大。变频调速存在的高次谐波和换流瞬时压降，引起电压波形畸变，造成电机损耗增加、效率下降并升温。使电机绝缘承受冲击电压，从而影响电机寿命，变频调速直接使电机带载低速运行，造成电机功率因数和效率低下，使电机升温和散热困难。多数情况下变频调速需使用专用的变频调速电机，而非普通的笼型电机所能胜任。
液力调速与变频调速经济效益比较
液力调速与高电压变频调速设备初始投资之比通常约为１：１０。
2)注水电机斩波内馈技术
2007年进行了初步试验，具有一定的节能效果，但配套注水电机运行不够稳定，需要进一步试验研究，完善注水机组节能系列技术。
3.注水泵及其驱动电机的节能降耗
目前，国内注水泵站是按最不利条件下的流量和扬程配置的，选择的离心泵流量过大，扬程过高。注水泵一般规定了最佳工作点（即ＢＥＰ），但在实际生产中，泵站的流量和扬程在大部分时间内远远低于所设计的流量和扬程，从而使泵偏离ＢＥＰ运行。而且设备规格过大性能参数偏离，可能带来设备运行不稳定。如液体流动状态紊乱会造成轴承、密封件损坏甚至轴断裂；生成气穴会使轴向力和径向力增大。这些问题不但造成安全隐患，还消耗了大量能量。因此必须采取相应的调节措施，使水泵适合负荷的变化运行。
1)改变叶轮的几何参数
车削叶轮，从离心泵的切割定律知道，当叶轮外径经车削略微变小后，泵的Ｈ～Ｑ曲线将向下移动，在管路特性曲线不变的情况下，泵的工况点变动，流量变小。由于叶轮切削后不能恢复，车削量有限，因此只能用于要求流量长期不变的场合。
2)多级水泵的拆级
多级离心泵可以通过拆级来改变水泵的特性曲线，拆级后的水泵扬程降低，流量增大，与没拆级水泵比较能节约电能，且水泵的拆级和恢复是可逆的，因此适用于压力变化的场合。
3)转速调节
注水泵的调速方法有两种：一是将注水泵直接与调速电动机连接，当改变电动机转速时，泵的转速得到改变；二是在离心泵与交流电动机之间增加一调速设备，当不改变电动机的转速时，通过调速设备来改变离心泵的转速。调速电动机有两大类：一类是有附加转差损耗的调速系统，如转子串电阻调速、定子调压调速、电磁调速等；另一类是无附加转差损耗的调速系统，如串极调速、变极调速等。有附加转差损耗的调速系统，有能量损失，故效率较低。无附加转差损耗的调速系统中的变频调速技术不仅使调速对象产生节能效果，而且能对系统其它部分产生有利影响，使整个系统获得更好的节能效果，因此是值得大力推广的。调速设备主要有液力调速离合器和调速型液力耦合器两种。
注水泵可分两类，一类为提升类用泵，即泵所增加的扬程主要用于管路所需要的工作压力，如联合站污水处理系统中的离心泵、注水站供液泵、水塔上水泵；另一类为输送类用泵，即泵增加的扬程主要用于管路的摩阻损失，如长距离输水泵。大多数离心泵兼有提升类和输送类性质，只不过各有侧重。注水泵调速节能控制系统可分为定压调速和变压调速两种。对侧重点不同的泵，只有根据实际使用情况配以恰当的调速控制系统，才会有理想的效果。注水泵的定压凋速是以满足最大流量下的压力值为凋速信号，当排量变化时，调速泵的排出压力不变，从而节约了电能，输送类泵排量明显大于提升类水泵，因此其采用定压调速节能效果不如提升类泵。注水泵的变压调速与给水系统的管路特性曲线密切相关，当给水量减少时，由于提升类泵管路曲线中的工作压力大予输送类泵的工作压力，满足系统所需的泵压显然是提升类泵大于输送类泵，也就是说采用变压调速控制系统时，输送类泵的节能效果优予提升类水泵。
4.管网节能降耗
国内油田注水系统管网效率偏底，管网摩阻损失及各种控制阀件耗能偏高，有很大的节能降耗空间。
1) 做好规划设计
注水站尽量布置在注水管辖区的中心位置，注水半径应为５ｋｍ之内，将注水泵到注水井口的压力损失控制在１ＭＰａ之内。对于边远区块油田，可采用小站注水流程，减少因高压管线过长，使管网沿程阻力损失增大。有些注水系统管辖区内不同注水井的吸水能力不同，造成注水压力差别较大，为迎合部分高压井而被迫提高整个管网的注水压力则节流损失将大大增加。这时应把高压井和低压井区别对待，采取高压井与低压井分设管网，分别使用或共用低压泵供水，对高压井增设增压泵。在流量一定时，流速的确定会直接影响管网的投资和运行费用。流速取值小时，管径增大，相应的管网造价增加，而管段中的水头损失减小，水泵所需扬程将降低，运行费用将会降低，因此在管网设计时，应当对注水管网的管径进行优化设计。
2)改变管网结构参数，提高系统效率
注水管网结构参数包括输水支管、总管，吸水支管、总管等长径参数及管道弯头角度等。由雷诺数Ｒｅ—ＤＵ／ｖ知，无论是泵出水管还是总汇管，其“雷诺数Ｒｅ”值均已进入“阻力系数值入不随Ｒｅ变化段”。因而，改变管中流态以降低沿程损失，作为节能途径是不可取的。将直管与总管间的９０。汇流角改为１３５。汇流角，对比测试压力损失值。在相同工况下，压力损失值相对减小２５％。所以改变支管汇流角及弯头角度，在一定程度上可减小其局部压力损失。在结构布局许可的前提下，尽量做到管路“短而直”，以减少沿程压力损失和局部压力损失。
3)尽量减少管网流量与压力损失
管网流量损失主要是因为阀件、接头等元件中过液件腐蚀，密封受损和老化引起泄漏造成的，属非功能性流量损失。只要选择高质量阀件、及时更换易损密封件，提高管理与操作水平，这部分非功能性流量损失是可以避免的。压力损失的大部分消耗在各控制阀件及球形稳压器上。而这些控制闽件，是管网控制功能所需要的，这部分压力损失属功能性损失，无法消除，可通过开发高效节能元件来降低这部分损失。
4)降低管网磨损，提高注水水质
合理选择注水管管径，管径小，流速快，则使管网磨损加大，能耗增加；降低管道内壁粗糙度，管网磨损与其粗糙系数的平方成正比，由于油田注入水水质腐蚀性较强，注水管的制造应采用耐腐蚀材料并采用防腐工艺｝改善注入水水质，在注入污水之前，可以采取加缓蚀剂、防垢剂以及污水过滤处理等措施来减少水质对管网的破坏。
5.其他技术
1)高压变频调速技术
工作原理为：通过检测注水泵出口及汇管压力，相应调整注水电机电源频率，闭环控制注水泵转速，从而调节水量降低泵管压差，避免电机在工频状态下通过出口节流和回流控制注水泵造成的能耗损失。
技术特点为①大范围、全排量，无级连续调节。②调节速度从低到高，实现大功率电机软启动。③设备采用接入式电气连接。
技术局限性为：①设备功能利用率低，性价比低。②配套设施多，投资高。③接入式安装，可靠性差。④设备稳定性差，存在谐波干扰。
适用于注水波动较大，管网连通性差的注水站(例如聚驱注水站)，适于采用橇装，但设备投资及配套设施投资高。
2) 前置泵串级调速技术
也称作泵控泵技术，即增压泵控制串联大功率注水泵的泵控泵技术，可实现降低泵管压差、提高泵效、降低注水单耗。
前置泵串级调速系统由一台高压注水泵和一台低压增压泵组成，其实质上是注水泵和增压泵串联特性的叠加。注水泵、增压泵串接，流过注水泵和增压泵的流量相同，管网入口处压力等于注水泵和增压泵的工作扬程之和。
技术特点为：①利用低压泵调节高压注水扬程。②按需配备有限的调节范围。③设备及关键技术成熟，可靠性高。
技术局限性为：①调节范围小，对生产波动较大的注水站不适应。②现场操作及设备控制保护复杂。③与常规注水站生产管理比较，前置泵串级调速系统运行时，需要操作人员增加监测前置泵、低压变频器、供电电源的工作状态及工艺参数等生产管理内容，设备运行管理点增加。
适用于管网相对完善、注水量相对平稳、系统内多个局部注水站泵管压差较高的注水站。通过对泵管压差较高的注水站实现多点调整，带动注水系统整体优化运行，适合在已建站改造中实施，设备投资较低。
3) 斩波内馈调速技术
将内馈电机与斩波控制技术有机结合起来，通过交流控制装置将转子的部分功率转移出来，以电能的形式反馈给电机输入端。反馈功率越多，电机的输出功率越少，转速就越低，从电网输入的电能越少；反之，反馈功率越少，电机输出的机械功率越多，转速就越高，从电网输入的电能越高。
技术特点为：①可任选调速范围。②旁路式安装，设备维修不影响主回路运行。③调节速度从高到低，实现中压控制高压电机调速。
技术局限性为：①绕线式电机需定期维护。②与现有注水电机通用性差。③内馈式电机制造工艺复杂。
适于在管网完善、水量平稳的注水系统的中心站应用。通过中心注水站的压力、水量调整，完善管网的整体调整。设备投资相对较低，最适合在新建站实施。
4)离心注水泵涂膜技术
对注水泵内的主要过流机件(包括泵壳体、叶轮、导翼等)，喷涂高光洁度材料涂层，以减少机械损失，提高注水泵效率，节约电能。
5)注水泵减级
将现有注水泵的叶轮级数及泵管压差减小，提高泵效。
6)前置喂液泵
在对原有注水泵减级的同时，在注水泵的进口处加装一台单级离心泵，对进入注水泵的液体进行增压。
7)液体黏性调速离合器
结构由主机、液压系统和自动控制系统组成，可依据风机和水泵本身的负载特性，达到节能的目的。
国内应用和发展
在陆上油田开发中，注水系统是其生产系统的主要组成部分，它担任着实现油田高产稳产，保持地层能量等重要任务。同时，注水本身也是能耗大户，据统计，注水耗电一般占整个油田总耗电量的33 %～56 %，而且根据国内大多数油田注水系统效率为38 %～50 %的现状可知，有将近1/ 2 以上的注水用电量被各种损耗所浪费。
注水设备发展现状
(1) 大功率高压多级离心泵
(2) 柱塞泵
(3) 增压注水泵
① 管道式电动机多级增压离心注水泵
② 倒置式增压注水电动潜油泵
③CCDB型磁传动水平注水泵
注水设备运行及管理先进技术
(1) 大功率高压注水离心泵变频调速技术
(2) 柱塞泵变频调速技术
(3) 注水站巡控技术
(4) 注水泵叶轮拆级
注水泵状态监测及故障诊断
国外应用和发展
目前国外生产高压注水泵主要有美国、德国、日本、英国、俄罗斯、意大利等国家, 其中以美国和德国的产品技术水平和系列化程度为最高。美国生产的离心注水泵一般为 5～8级, 最大流量 1 365m3/h,最大扬程 3 600 m, 最高转速 8 000 r/min,比转速为 110, 最高功率 6 000 kW, 泵效 65%～83%。美国勃朗杰克逊公司 (Byron1Jakson1Co)和太平洋公司 (Pacific) 生产的高压离心注水泵最大功率 8 000 kW, 流量 5 000 m3/h,扬程 4 000 m以上。美国 Worthington Pump Inco生产的往复式注水泵的最大流量 360 m3/h,功率 3 000 kW以上,排出压力 50 MPa以上。美国英格索尔兰德公司( IngersollRandCo )生产的柱塞泵动力最高达到3 675 kW (5 000 hp) ,最高压力达 70 MPa以上。美国韦尔泵公司设计的单级超高压注水泵, 最高设计压力 60 MPa。由于是单级泵, 因此其结构紧凑, 密封可靠性高, 适合海上平台及边际油田注水, 输送介质可为海水、油田采出水或二者的混合水, 泵的服务寿命可达 25 a。德国 KSB公司生产的多级离心泵, 流量范围为 392～4 454 m3/h,扬程 1423～3 803 m, 转速 4 460～6 700 r/min, 泵效高达 82.5%以上。
供应商信息
河间市冀中石油机械有限公司
天津市聚能高压泵有限公司
济宁市中煤工矿物资有限公司
江阴市昌隆高压泵制造有限公司
天津市通洁高压泵制造有限公司
宝鸡市金心泵业制造有限责任公司
无锡市林杰高压泵厂
美国勃朗杰克逊公司
太平洋公司
美国 Worthington Pump Inco
美国英格索尔兰德公司
美国韦尔泵公司
德国 KSB公司
部分参考文献
1]杨福忠.注水系统节能技术应用分析[J].中外能源，2008，卷号（4）：118—122.
[2]庞海宏.注水系统节能技术的探讨[J].中外能源，2009，14（8）：100—102.
[3]靳丽芳. 油田注水工程节能技术探讨[J]. 油气田地面工程，2010，29（7）：50—51.
[4]南洋. 浅谈油田注水系统节能技术[J].内蒙古石油化工，2006，32（8）：35—36.
[5]段礼祥，张来斌，王朝晖等.油田注水设备技术现状及发展方向[J].石油机械，2005，卷号（10）：68—71.