注聚泵液力端的改進(jìn)設(shè)計(jì)

陳大彬CHEN Da-bin

（大慶油田有限責(zé)任公司資產(chǎn)設(shè)備管理部，大慶163318）

（Asset and Equipment Management Department of Daqing Oilfield Co.，Ltd.，Daqing 163318，China）

0 引言

聚合物驅(qū)油是提高采收率的重要方法之一，被稱作三次采油。它是在注入水中加入少量的聚合物，提高注入水的粘度，改善水油流度比，調(diào)整吸水剖面，從而提高驅(qū)替液在非均質(zhì)中的波及系數(shù)，擴(kuò)大掃油面積，從而能大大地提高原油的采收率。

聚合物實(shí)質(zhì)為聚丙烯酰胺（PAM）的水溶液，該溶液是一種分子量很大的化合物，具有高粘度（一般為2000～5000mpa·s）和高彈性的特點(diǎn)。屬于非牛頓型流體。在壓力為0.09MPa的條件下含氣量＜1%。用常規(guī)泵來注聚合物，將表現(xiàn)出對(duì)聚合物這種高粘度、長(zhǎng)分子鏈物質(zhì)的不適應(yīng)性，表現(xiàn)為容積效率低，自吸能力差，粘度降解大，性能不穩(wěn)定，可靠性不高。針對(duì)注聚泵在油田現(xiàn)場(chǎng)的使用中表現(xiàn)的不足之處，提出了改進(jìn)方案。

1 注聚泵的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)在八十年代末期，隨著聚合物驅(qū)油的開展才開始研制應(yīng)用這一領(lǐng)域的裝備。注聚合物專用泵是一種有特殊要求的柱塞泵。這種泵的工作介質(zhì)——聚合物具有高粘度，長(zhǎng)分子鏈的特點(diǎn)，這就要求相應(yīng)的泵具有良好的吸入性能，液流暢順，對(duì)介質(zhì)剪切力小。目前國(guó)內(nèi)油田注聚泵站應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)注入設(shè)備有3J/70/2500/16型計(jì)量泵、KD63及KD76型注聚泵、5SZ型注聚泵等，國(guó)產(chǎn)廠家不下十幾種。引進(jìn)的國(guó)外注聚泵有英國(guó)的NB－32型高壓計(jì)量泵、美國(guó)的MPl0型注聚泵及KP系列泵等。通過對(duì)油田在用注聚泵的使用情況進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)存在以下幾方面的問題：

①可靠性差，表現(xiàn)為易損件壽命短，柱塞偏磨發(fā)熱，閥組有效工作時(shí)間短，制造質(zhì)量差等；

②泵的注聚容積效率低；

③對(duì)聚合物粘度降解大；

④漏失較嚴(yán)重等。

從總體看，無論是國(guó)內(nèi)泵廠家還是國(guó)外泵廠商，對(duì)注聚泵這項(xiàng)技術(shù)（包括設(shè)計(jì)、工藝、材料、質(zhì)量等）還遠(yuǎn)不夠成熟。

2 注聚泵液力端的設(shè)計(jì)方案

作為三次采油重要設(shè)備之一的注聚泵，其性能和可靠性是非常重要的指標(biāo)。然而，從近幾年注聚泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況來看，無論是進(jìn)口的泵還是國(guó)產(chǎn)泵，都表現(xiàn)出對(duì)聚合物這種高粘度，長(zhǎng)分子鏈物質(zhì)的不適應(yīng)性，表現(xiàn)為容積效率低，自吸能力差，粘度降解大，性能不穩(wěn)定，可靠性不高。

為了能開發(fā)出高效注聚泵，滿足注聚的需要，本研究在設(shè)計(jì)時(shí)，從認(rèn)識(shí)聚合物介質(zhì)的流體特性入手，對(duì)注聚泵液力端有關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.1 聚合物母液的流動(dòng)特性分析 聚合物母液是一種非牛頓流體，分子鏈長(zhǎng)。因此，在流動(dòng)過程中，有“抽絲”現(xiàn)象，又象流體亂麻，尤其是在改變流動(dòng)方向或分流時(shí)更有“抽絲”特征。圖1形象地顯示了聚合物母液在不同分流時(shí)的表現(xiàn)。從圖中可以看出，直角分流有“抽絲”現(xiàn)象，見圖1（a），對(duì)流動(dòng)不利。圖2反映了聚合物在不同轉(zhuǎn)彎情況下的表現(xiàn)。從圖中可以看出，直角轉(zhuǎn)彎將有“抽絲”現(xiàn)象，見圖2（a），而帶有滯留區(qū)（即死水區(qū)）的直角轉(zhuǎn)彎將有兩處“抽絲”，流動(dòng)更加受阻，見圖2（b）。只有緩慢轉(zhuǎn)彎流動(dòng)無“抽絲”現(xiàn)象，對(duì)聚合物流動(dòng)有利，見圖2（c）。根據(jù)上述分析可以認(rèn)為，目前在用泵在設(shè)計(jì)時(shí)沒有充分認(rèn)識(shí)到這種流體的特性，是出現(xiàn)各種問題的重要原因。

圖1 聚合物在不同分流時(shí)的表現(xiàn)

圖2 聚合物在不同轉(zhuǎn)彎情況時(shí)的表現(xiàn)

2.2 注聚泵液力端的改進(jìn)設(shè)計(jì) 前面已經(jīng)提到，目前在用泵存在著容積效率低，對(duì)聚合物粘度降解大，漏失嚴(yán)重，可靠性差等問題。而導(dǎo)致這些問題的原因在于設(shè)計(jì)時(shí)沒有充分地考慮到聚合物這種介質(zhì)的特殊性，還是以水作為設(shè)計(jì)試驗(yàn)介質(zhì)，因而就不可能很好地適應(yīng)注聚合物三次采油工藝的需要。

本研究在設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)聚合物這種特殊介質(zhì)，分析在用泵存在的問題，著重考慮了如下幾方面的技術(shù)關(guān)鍵：

①當(dāng)聚合物流經(jīng)泵閥時(shí)，閥應(yīng)該能起到引導(dǎo)流體的作用，使流動(dòng)順暢，避免“抽絲”和降解。經(jīng)過分析和進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得到了注聚泵的容積系數(shù)(ηV)隨不同角度錐閥的變化規(guī)律（見圖3）。其變化規(guī)律也驗(yàn)證了對(duì)圖1的分析。這樣就得到了理想的導(dǎo)流型閥（見圖4及圖5），其導(dǎo)流性好，對(duì)聚合物降解也低。

圖3 不同錐閥角度對(duì)注聚泵容積系數(shù)的影響

圖4 120°單導(dǎo)向閥型

圖5 90°雙導(dǎo)向閥型

②在進(jìn)出口閥彈簧的匹配的方面，通過分析和對(duì)比試驗(yàn)，優(yōu)選出了合適的匹配關(guān)系。根據(jù)目前泵的吸入壓力P1=0.03～0.15MPa、出口壓力 P2=16MPa 的工況，進(jìn)出口彈簧一般分別取4.0kgf/cm及7.0kgf/cm是比較理想的。

③液力端缸體的設(shè)計(jì)要著重考慮流道光滑，對(duì)流面積均勻，避免出現(xiàn)如圖2中的滯留區(qū)，減少對(duì)聚合物的降解，盡量減少余隙容積等。

④泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，力求保證泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，潤(rùn)滑條件好，便于拆裝和維修。在設(shè)計(jì)過程中努力克服目前在用泵的某些不足，比如，接桿與柱塞的連接采用卡箍連接，使柱塞的連接實(shí)現(xiàn)了可調(diào)整形式，從根本上解決了由于制造不同軸而引起的柱塞偏磨和發(fā)熱問題。

⑤長(zhǎng)柱塞、長(zhǎng)沖程和低沖次對(duì)提高泵效、減少降解很有好處，設(shè)計(jì)中，盡量朝這個(gè)方向努力。

3 結(jié)束語

改進(jìn)后的注聚泵延長(zhǎng)了易損件壽命，特別是延長(zhǎng)了閥組有效工作時(shí)間，對(duì)聚合物粘度降解減小，容積效率有所提高。

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