楊麗峰 楊麗明 任淼淼

1大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠

2大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠

3中國石油新疆油田分公司

大慶外圍油田滲透率低、儲層物性差，注水開發(fā)后注水井的注水壓力上升快，欠注井日益增多。采取增壓注水措施后，欠注井得到了很好的治理，但在生產(chǎn)過程中，增壓設(shè)備存在工況不匹配、故障率高的問題，主要表現(xiàn)為軸瓦燒研。目前在用的增壓設(shè)備以“小排量、大壓差”的設(shè)計(jì)參數(shù)為主，為此從壓力平衡角度提出分工況設(shè)計(jì)的建議，以減輕機(jī)泵設(shè)計(jì)能力與實(shí)際工況不匹配帶來的故障率高的問題，使增壓泵在合理區(qū)運(yùn)行[1]，保證增壓工藝的平穩(wěn)運(yùn)行。

1 增壓泵應(yīng)用現(xiàn)狀

目前26臺在用的增壓泵中有5臺存在軸瓦燒研的問題，投產(chǎn)初期機(jī)泵的維修費(fèi)用高達(dá)3萬元/臺，設(shè)備運(yùn)行時(shí)率只有11%，分析原因主要有以下兩個(gè)方面：

（1）液力端閥片損壞。受注水工藝特殊性影響，柱塞泵的故障多，且多數(shù)集中在液力端[2]。運(yùn)行過程中，增壓泵的柱塞受到電動機(jī)傳遞的動力和高壓水的壓力作用，當(dāng)液力端閥片損壞后，連桿在返回的行程受高壓水作用，對軸瓦和軸頸造成沖擊，交變載荷次數(shù)增多，引起軸瓦溫度升高。目前有4臺增壓泵在投用的第1年閥片損壞就高達(dá)20次。

這類問題多出現(xiàn)在投產(chǎn)初期，由施工焊渣掉落、來水水質(zhì)差等原因?qū)е?，屬于可控因素，通過增加過濾器、定期檢查閥片或更換復(fù)位彈簧[3]可基本解決。

（2）實(shí)際增壓范圍遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)能力。增壓泵的實(shí)際增壓范圍Δpreal低于設(shè)計(jì)能力Δpdesign較多時(shí)，機(jī)泵的進(jìn)、排液壓力不平衡，就會出現(xiàn)軸瓦磨損、機(jī)油溫度升高現(xiàn)象。增壓泵的設(shè)計(jì)參數(shù)是根據(jù)開發(fā)預(yù)測值確定，但實(shí)際壓力變化與預(yù)測值之間往往存在差異，這就導(dǎo)致機(jī)泵設(shè)計(jì)能力與運(yùn)行工況不匹配、故障率高。目前19臺在用的增壓泵在投產(chǎn)前半年因?yàn)樽⑺畨毫ι仙徛霈F(xiàn)了機(jī)泵設(shè)計(jì)能力富余的情況，其中5臺泵反復(fù)出現(xiàn)軸瓦燒研。

這類問題的發(fā)生屬于人為不可控因素且難以避免，很難事先采取合理的手段來預(yù)防，因此，做好壓力平衡對保障液力平衡式增壓泵的正常工作至關(guān)重要。

2 液力平衡條件

往復(fù)式柱塞泵由柱塞、連桿、曲軸組成一個(gè)曲軸連桿機(jī)構(gòu)，工作時(shí)通過曲柄連桿把電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為柱塞的往復(fù)運(yùn)動[4]，動力端靠曲軸、連桿運(yùn)動時(shí)飛濺的潤滑油潤滑。

與柱塞式注水泵不同，增壓泵由于來水壓力高，在曲軸向回運(yùn)動時(shí)，軸瓦與曲軸不易脫開，無法形成間隙，潤滑油難以形成油膜起到潤滑作用，后果就是軸瓦燒研。液力平衡式增壓泵是將柱塞加工成階梯式，階梯式柱塞與兩套密封一起形成平衡腔。平衡腔兩端分別與泵出口和平衡腔相連，使柱塞兩端受力達(dá)到平衡，降低動力部件的摩擦[5]。

增壓泵在運(yùn)行過程中，由于泵進(jìn)、出口壓力的變化，柱塞大、小端受力不同，通常用平衡率ηf來描述平衡狀況，計(jì)算公式為

式中：F1為柱塞大端受力，N；F2為環(huán)形空間受力，N；D為柱塞大端直徑，mm；d為柱塞小端直徑，mm；p1為進(jìn)口壓力，MPa；p2為出口壓力，MPa。

由式（3）可知，平衡率的大小與泵的進(jìn)、出口壓力及柱塞大、小端的直徑有關(guān)[6]。因此，生產(chǎn)過程中，進(jìn)、出口壓力的變化成為影響增壓泵平穩(wěn)運(yùn)行的重要因素。一般情況下，平衡率在80%以上設(shè)備運(yùn)行相對平穩(wěn)。

3 故障原因分析

大慶外圍低滲透油田單井注水量低（15～45 m3/d），注水開發(fā)后注水壓力上升速度變化不一。當(dāng)注水井的注水壓力上升緩慢時(shí)，其配套的增壓泵在運(yùn)行初期就會處于較差的工況環(huán)境，不利于設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。以1#增壓泵為例，增壓泵建于2016年，設(shè)計(jì)排量Q=90 m3/d，增壓范圍Δp=7 MPa。投產(chǎn)的第1個(gè)月內(nèi)增壓不足0.3 MPa，運(yùn)行2月后增壓泵燒瓦停泵，維修后重新運(yùn)行不足1月再次燒瓦停泵，增壓范圍1 MPa。對1#增壓泵進(jìn)行平衡率計(jì)算及受力分析（表1）。

表1 1#增壓泵平衡率計(jì)算及受力分析Tab.1 Calculation of balance rate and force analysis of 1#booster pump

1#增壓泵的最低平衡率ηmin是75%。當(dāng)泵出口壓力過低時(shí)，柱塞在排液過程中，連接桿除了受到柱塞與填料的摩擦力和慣性力，還要承受與柱塞運(yùn)動方向相反的9 861.56 N的力[7]。受力會通過連桿傳遞給曲軸，由于連桿、曲軸始終受力，油孔受壓，潤滑油不能注入形成油膜潤滑，致使軸瓦與曲軸之間因摩擦而產(chǎn)生大量的熱，聚集的熱量使軸瓦燒研[8]。

當(dāng)泵速和排量一定時(shí)，柱塞的大端直徑D一般不變，根據(jù)平衡率計(jì)算公式，通過改變柱塞小端直徑d和進(jìn)、出口的壓力值，可以使平衡率滿足生產(chǎn)要求。對于外圍油田應(yīng)用的“小排量、大壓差”增壓泵來說，在進(jìn)、排液過程中小端柱塞的密封盤根始終承受較高的泵排出壓力的作用，易影響密封性能[9]；在優(yōu)化柱塞小端直徑d來提高平衡率時(shí)，如果柱塞小端的尺寸過小，會增大加工難度，且運(yùn)行中容易產(chǎn)生顫動，難以保證同軸度，導(dǎo)致柱塞偏磨，這樣就使密封效果變差[10]。目前有12臺在用的增壓泵盤根滲漏嚴(yán)重，單泵平均日滲漏的水量達(dá)2～3 m3，平均1～2個(gè)月更換一次盤根。

4 參數(shù)調(diào)整

在實(shí)際生產(chǎn)中，注水井的壓力變化很難準(zhǔn)確預(yù)測，根據(jù)預(yù)測值確定的設(shè)備能力更是難以保證設(shè)備平衡率達(dá)到80%以上。因此，考慮到外圍油田使用的增壓泵排量小、壓力高的特點(diǎn)，在優(yōu)化柱塞小端尺寸存在困難時(shí)，可以適度降低設(shè)計(jì)壓力，先配套低增壓范圍Δplow的柱塞總成，待運(yùn)行壓力上升到Δplow上限時(shí)，更換柱塞總成并增大機(jī)泵的設(shè)計(jì)能力至Δpdesign。因此，選取3臺設(shè)計(jì)排量相同、設(shè)計(jì)壓差不同的增壓泵進(jìn)行出口壓力值調(diào)節(jié)試驗(yàn)，使機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)平衡率ηadjust達(dá)到80%，接近壓力平衡的狀態(tài)（表2）。

表2 平衡率調(diào)整計(jì)算Tab.2 Calculation of balance rate adjusting

由表2可知，2#增壓泵的最低平衡率ηmin=67.35%，當(dāng)調(diào)節(jié)該泵的出口壓力使調(diào)整后的平衡率ηadjust達(dá)到80%時(shí)，增壓泵運(yùn)行的壓差為3.8MPa，占設(shè)計(jì)壓差（7 MPa）的54.29%；3#增壓泵的ηmin=75%，當(dāng)該泵調(diào)整后平衡率ηadjust達(dá)到80%時(shí)，增壓泵運(yùn)行的壓差為2.0 MPa，占設(shè)計(jì)壓差（5 MPa）的40%；4#增壓泵的ηmin=79.34%，調(diào)整后的平衡率ηadjust達(dá)到80%時(shí)，增壓泵運(yùn)行的壓差為0.2 MPa，占設(shè)計(jì)壓差（4 MPa）的5%?？梢钥闯?，相同排量的增壓泵，設(shè)計(jì)低壓范圍越大的增壓泵，ηmin值越低，想要平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，提升的壓力就要越高，當(dāng)ηadjust達(dá)到80%時(shí)，運(yùn)行壓差接近設(shè)計(jì)壓差的50%。

綜上所述，提出分工況設(shè)計(jì)的建議。在工藝設(shè)計(jì)階段與機(jī)泵廠家結(jié)合，觀察根據(jù)預(yù)測值生產(chǎn)的機(jī)泵在不起壓的工況下的最低平衡率。當(dāng)設(shè)備的最低平衡率接近80%時(shí)，可按照預(yù)測壓力值正常設(shè)計(jì)；當(dāng)最低平衡率低于80%時(shí)，可考慮降低機(jī)泵的增壓能力，按照設(shè)計(jì)壓差能力的50%配置柱塞總成，并將設(shè)計(jì)壓差能力的柱塞總成做冷備用；增壓泵的平衡率提高至80%以上后，觀察注水井壓力上升趨勢再酌情改造，由此可以降低設(shè)備故障的概率，提高運(yùn)行時(shí)率，保證增壓工藝的平穩(wěn)運(yùn)行。

5 結(jié)論

（1）增壓注水是提高外圍低滲透油田注水系統(tǒng)效率的有效措施之一，充分利用增壓泵的設(shè)計(jì)能力提高增壓泵的平衡率，可以降低設(shè)備損壞概率，延長機(jī)泵的使用壽命，保證增壓注水的平穩(wěn)運(yùn)行。

（2）在液力平衡式增壓泵的選用過程中，柱塞大、小端的尺寸選擇及優(yōu)化工作要兼顧平衡率和設(shè)備加工精度，才能保證機(jī)泵的正常運(yùn)行。

（3）機(jī)泵的設(shè)計(jì)能力難以適應(yīng)未知變化速率的注水壓力，這就需要規(guī)劃設(shè)計(jì)階段進(jìn)行多方面的考量，提高增壓泵的最低平衡率，做好壓力平衡工作。工藝設(shè)計(jì)過程中，對于設(shè)備最低平衡率接近80%的增壓泵，可按照設(shè)計(jì)參數(shù)正常設(shè)計(jì)；對于平衡率低于80%的增壓泵，按照設(shè)計(jì)壓差能力的50%配置柱塞總成，并將設(shè)計(jì)壓差能力的柱塞總成做冷備用，以避免設(shè)備軸瓦燒研等現(xiàn)象的發(fā)生，提高機(jī)泵的運(yùn)行時(shí)率，保證油田的開發(fā)效果。