原紅超 于家盛 孫九江 潘秀英 陳瓊浩 羅勇平

(1.中國(guó)石油華北油田山西煤層氣分公司，山西 048000；2.中國(guó)石油華北油田蘇里格勘探開發(fā)分公司，陜西 710000 3.中國(guó)石油華北油田質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督中心，河北 130982)

隨著煤層氣井排采工藝特別是L型水平井排采工藝的不斷優(yōu)化改進(jìn)，無(wú)桿排采工藝技術(shù)成為煤層氣行業(yè)公認(rèn)的舉升技術(shù)，水力管式泵目前是煤層氣開采的主要排采設(shè)備之一?，F(xiàn)場(chǎng)同時(shí)發(fā)現(xiàn)水力管式泵動(dòng)力液管線振動(dòng)明顯，經(jīng)常造成管線刺漏，設(shè)備密封不嚴(yán)的問(wèn)題，給日常生產(chǎn)管理造成不利影響。研究如何降低水力管式泵動(dòng)力液管線振動(dòng)的方法已成為當(dāng)前煤層氣行業(yè)創(chuàng)新研究的重點(diǎn)工作之一。目前針對(duì)水力管式泵動(dòng)力液管線振動(dòng)的主要措施有降低井口動(dòng)力液管線高度、增加地面管線地錨、降低設(shè)備系統(tǒng)壓力等，隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增加，降低井口管線高度和增加地面管線地錨的方法對(duì)于降低振動(dòng)的效果并不理想。降低設(shè)備工作壓力雖然有降低振動(dòng)的效果，但是設(shè)備工作壓力降低的同時(shí)也降低了井下泵工作的效率。通過(guò)論證這些方法都不能作為降低水力管式泵動(dòng)力液管振動(dòng)的有效方法。

水力管式泵動(dòng)力液管線振動(dòng)對(duì)排采設(shè)備的整體運(yùn)行時(shí)率有嚴(yán)重的不利影響，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析得出，水力管式泵柱塞泵供水方式造成進(jìn)液管線在工作中始終處于未充盈狀態(tài)是動(dòng)力液管線產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因。不優(yōu)化柱塞泵供水方式很難常達(dá)到降低動(dòng)力液管振動(dòng)效果。

1 水力管式泵工作原理

水力管式泵排采工藝主要由地面設(shè)備、井下泵、中心管、動(dòng)力液管組成(圖1)。地面設(shè)備運(yùn)行后電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)柱塞泵將動(dòng)力液增壓，液壓站按照時(shí)間或壓力控制換向水閥工作，將增壓后的動(dòng)力液通過(guò)中心管注入井筒時(shí)推動(dòng)井下泵柱塞上行，泵吸液、中心管與油管形成的環(huán)形空間中液體排至地面；換向后動(dòng)力液通過(guò)環(huán)空注入井筒推動(dòng)井下泵柱塞下行，泵排液，液體進(jìn)入油管環(huán)空。依照以上步驟做循環(huán)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)排水的功能。

圖1 水力管式泵排采工藝組成

2 水力管式泵動(dòng)力液管線振動(dòng)的危害

根據(jù)統(tǒng)計(jì)因水力管式泵動(dòng)力液管線振動(dòng)引起的故障占總故障數(shù)的80%以上，其產(chǎn)生危害主要有以下幾種情況。

日常維護(hù)工作中發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力液管線振動(dòng)經(jīng)常引起自身漏失。由于頻繁振動(dòng)使動(dòng)力液管線的絲扣連接處產(chǎn)生橫向撞擊，導(dǎo)致絲扣處密封不嚴(yán)。此外，振動(dòng)經(jīng)常破壞管線保溫層，冬季來(lái)臨之后，動(dòng)力液管線凍堵的情況時(shí)有發(fā)生。

動(dòng)力液管振動(dòng)與柱塞泵引起共振，使柱塞泵故障率增加。柱塞泵的振動(dòng)經(jīng)常造成泵腔本體、接頭發(fā)生頻繁的刺漏情況，又大大縮短盤根、閥片、水閥彈簧等部件的使用壽命。少數(shù)情況下柱塞泵振動(dòng)造成泵腔開裂造成設(shè)備大修，耗費(fèi)大量資金和人力更換新柱塞泵。

動(dòng)力液管線振動(dòng)對(duì)水力管式泵工作效率也有一定的影響，由于振動(dòng)造成柱塞泵接頭、盤根密封不嚴(yán)，使設(shè)備整體工作壓力下降，從而降低了井下泵運(yùn)行效率，為了彌補(bǔ)系統(tǒng)壓力的降低，重新設(shè)置更高的系統(tǒng)壓力值，又加劇了動(dòng)力液管線的振動(dòng)。

綜上所述，水力管式泵動(dòng)力液管線振動(dòng)，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常穩(wěn)定生產(chǎn)，只有降低振動(dòng)才能降低設(shè)備故障率，減少零部件更換的數(shù)量，以及降低水力管式泵運(yùn)行能耗。

3 水力管式泵動(dòng)力液管線振動(dòng)的原因分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)水力管式泵柱塞泵供水方式是造成動(dòng)力液管線振動(dòng)大的主要原因，水力管式泵動(dòng)力液是由水箱流向柱塞泵后加壓的，這種供水方式經(jīng)常出現(xiàn)柱塞泵供液不足的情況，導(dǎo)致動(dòng)力液管線產(chǎn)生明顯振動(dòng)。

3.1 柱塞泵進(jìn)液不足

兩方面導(dǎo)致柱塞泵供液不足：①管線直徑過(guò)細(xì)、彎頭多、柱塞泵進(jìn)液管線濾網(wǎng)堵塞等造成柱塞泵供液量不足。②設(shè)備動(dòng)力液罐與柱塞泵高度差1.2m，最大供液壓力僅0.012MPa。因此進(jìn)液管線中出現(xiàn)不充盈的情況，在管線中形成了真空斷流段。真空現(xiàn)象對(duì)柱塞泵吸水行程影響不大，但造成柱塞泵泵腔進(jìn)水不足，在壓縮行程時(shí)柱塞對(duì)半腔動(dòng)力液進(jìn)行壓縮時(shí)會(huì)形成瞬態(tài)激勵(lì)，敲擊泵腔、閥體、閥座及柱塞，形成柱塞泵泵頭振動(dòng)。同時(shí)每次柱塞泵半腔壓縮的動(dòng)力液會(huì)對(duì)前面的動(dòng)力液形成一次瞬時(shí)撞擊，也就是“斷流空腔彌合水錘”效應(yīng)，這就是動(dòng)力液管線形成高頻振動(dòng)的原因。

3.2 柱塞泵工作方式加劇管線振動(dòng)

水力管式泵所用的三缸柱塞泵是三臺(tái)單獨(dú)柱塞泵并聯(lián)而成，曲柄成120°夾角，在電機(jī)的帶動(dòng)下即可連續(xù)壓縮輸送動(dòng)力液。柱塞泵的吸液和排液過(guò)程是交替進(jìn)行的，但活塞在位移過(guò)程中受進(jìn)液量變化影響，柱塞位移速度在不斷地變化之中，加壓后的動(dòng)力液瞬時(shí)流量、壓力不斷變化，并且是不連續(xù)的，加劇了動(dòng)力液管線產(chǎn)生不斷變化的強(qiáng)烈的振動(dòng)。

4 降低動(dòng)力液管線振動(dòng)的措施及效果

針對(duì)動(dòng)力液管線產(chǎn)生振動(dòng)原因，制定了一系列相應(yīng)措施，首先對(duì)柱塞泵進(jìn)液管線進(jìn)行優(yōu)化，將柱塞泵進(jìn)液管線的直徑加大到50mm,減少了水箱至柱塞泵管線上彎頭的使用數(shù)量，把進(jìn)水管線內(nèi)部過(guò)濾網(wǎng)去掉，改為水箱內(nèi)安裝濾網(wǎng)的過(guò)濾方式，創(chuàng)新加裝喂液泵，通過(guò)這幾項(xiàng)措施提高了柱塞泵的供液量。

4.1 喂液泵的工作原理

將喂液泵安裝柱塞泵進(jìn)液管線上(圖2)，動(dòng)力液通過(guò)喂液泵加壓到柱塞泵進(jìn)液口，加壓后的動(dòng)力液壓力可達(dá)1.5MPa。這樣以來(lái)動(dòng)力液滿足連續(xù)伺服三個(gè)單柱塞泵腔進(jìn)液，保證動(dòng)力液在柱塞泵進(jìn)液瞬間充滿泵腔。解決了柱塞泵供液不足、產(chǎn)生真空段等問(wèn)題，滿足柱泵進(jìn)液壓力要求，避免“斷流空腔彌合水錘”效應(yīng)引起的管線振動(dòng)。

圖2 喂液泵安裝位置

4.2 優(yōu)化供液方式的效果

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)JSP70-21-3井地面設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，改造后動(dòng)力液管線振動(dòng)明顯降低，振幅由95mm下降至18mm,同時(shí)也降低了柱塞泵自身的振動(dòng)(表1)。

表1 振動(dòng)部位振幅統(tǒng)計(jì)

此外，對(duì)比設(shè)備改造前后的30天內(nèi)故障次數(shù)和維修時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比，改造后設(shè)備故障次數(shù)和維修時(shí)長(zhǎng)降低50%以上(表2)。

表2 振動(dòng)部位振幅統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

(1)水力管式泵動(dòng)力液管線產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因是水力管式泵動(dòng)力液管線在工作中始終處于未充盈狀態(tài)，這種狀態(tài)下會(huì)在管線中持續(xù)出現(xiàn)真空段，加壓后高壓動(dòng)力液管產(chǎn)生水錘效應(yīng)，使動(dòng)力液管線不斷振動(dòng)。

(2)對(duì)水力管式泵進(jìn)液管線進(jìn)行優(yōu)化，將進(jìn)液管線的直徑加大,減少水箱至柱塞泵管線上彎頭的使用數(shù)量，把進(jìn)水管線內(nèi)部過(guò)濾網(wǎng)去掉，改為水箱內(nèi)安裝濾網(wǎng)的過(guò)濾方式，在水箱和柱塞泵之間加裝喂液泵，通過(guò)這幾項(xiàng)措施提高了柱塞泵的供液量，避免產(chǎn)生水錘效應(yīng)，降低了動(dòng)力液管線設(shè)備振動(dòng)以及因振動(dòng)引起的設(shè)備故障問(wèn)題。