壓差驅(qū)動(dòng)往復(fù)式水力增壓泵研究與應(yīng)用

任福深，陳素麗，楊萍萍，林春文，徐 峰，常玉連，雷 娜

（1．東北石油大學(xué)，黑龍江　大慶163318；2．北京石油機(jī)械廠，北京100010；3．大慶油田建設(shè)集團(tuán)，黑龍江　大慶163000）①

壓差驅(qū)動(dòng)往復(fù)式水力增壓泵研究與應(yīng)用

任福深1，陳素麗1，楊萍萍2，林春文3，徐 峰3，常玉連1，雷 娜1

（1．東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318；2．北京石油機(jī)械廠，北京100010；3．大慶油田建設(shè)集團(tuán)，黑龍江大慶163000）①

油田注水系統(tǒng)是油田生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，消耗能源巨大。針對(duì)油田注水系統(tǒng)高、低壓注水井同處一個(gè)注水區(qū)塊的工況，提出了一種利用油田管網(wǎng)來(lái)水作為主要?jiǎng)恿υ?，使用自行研制的壓差?qū)動(dòng)往復(fù)式水力增壓泵，將管網(wǎng)來(lái)水與低壓井間的壓差能量轉(zhuǎn)換成高壓井注水能量的解決方案。介紹了壓差驅(qū)動(dòng)往復(fù)式水力增壓泵的工作原理及在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中流量和壓力的調(diào)控方案，確定了更為實(shí)用的電控式壓差驅(qū)動(dòng)往復(fù)式水力增壓泵的結(jié)構(gòu)方案?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明了該泵運(yùn)行平穩(wěn)，維護(hù)方便，結(jié)構(gòu)合理，節(jié)能降耗效果明顯。

增壓泵；節(jié)能；注水；研究；應(yīng)用

1　增壓泵工作原理

增壓泵的主要增壓原理是將油田注水管網(wǎng)來(lái)水與低壓井注水壓差，傳遞給高壓井，其增壓原理及工作過(guò)程，如圖1所示。

圖1　工作原理

增壓泵體總體分為高壓腔和低壓腔兩部分，中間通過(guò)實(shí)體擋板隔開(kāi)。根據(jù)增壓泵的結(jié)構(gòu)，暫不考慮摩擦阻力，當(dāng)管網(wǎng)同時(shí)進(jìn)入左側(cè)低壓腔和右側(cè)高壓腔或者同時(shí)進(jìn)入右側(cè)低壓腔和左側(cè)高壓腔，管網(wǎng)來(lái)水壓力、低壓井配注壓力和高壓井配注壓力滿(mǎn)足式（1）所示的關(guān)系時(shí)，缸體內(nèi)的活塞就會(huì)形成定向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了增壓的目的。

式中：pL、pG和pD為管網(wǎng)來(lái)水壓力、高壓井配注壓力和低壓井配注壓力，MPa；D為缸體內(nèi)徑，mm；d為活塞桿直徑，mm。

2　工作過(guò)程

1） 當(dāng)活塞處于缸體左側(cè)時(shí)，將油田注水管網(wǎng)來(lái)水管線與單向閥2和左水口聯(lián)通，高壓井管線與單向閥4聯(lián)通，低壓井管線與右出水口聯(lián)通，管網(wǎng)來(lái)水進(jìn)入缸體推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng)。

2） 當(dāng)活塞處于缸體右側(cè)時(shí)，將油田注水管網(wǎng)來(lái)水管線與單向閥1和右水口聯(lián)通，高壓井管線與單向閥3聯(lián)通，低壓井管線與左出水口聯(lián)通，管網(wǎng)來(lái)水進(jìn)入缸體推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng)。

因此，可以在注水系統(tǒng)中查找滿(mǎn)足式（1）的工況，重復(fù)上述活塞運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高、低壓井同時(shí)注水的工藝。

3　流量與壓力控制

3．1 流量測(cè)算與控制

由增壓泵的工作原理可以看出，當(dāng)腔體結(jié)構(gòu)一定時(shí)，高低壓出口的流量比是一定的，具體注入流量大小與腔體機(jī)構(gòu)尺寸有關(guān)，流量測(cè)算如式（2）所示。

式中，QG和QD分別為單位時(shí)間內(nèi)增壓泵的高壓腔體出水量和低壓腔體出水量，m3／min；s為增壓泵的沖程，mm；n增壓泵的沖次，min－1。

不難得出，式（1）左右兩側(cè)差值越大，活塞的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)越快，泵出的水量也就越多。由于該類(lèi)型的泵主要使用于低壓井較多，高壓井較少的環(huán)境，因此高壓水注入流量一般會(huì)滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，低壓井的流量可以通過(guò)調(diào)整來(lái)水管線與低壓管線的間的閥門(mén)來(lái)調(diào)整。

3．2 壓力調(diào)整與控制

由于油田注水系統(tǒng)工況復(fù)雜，不同高壓井注水壓力變換較大，高低壓井流量比也可能不一樣，但如果每種壓力變換都重新設(shè)計(jì)出一種泵，工作量又非常大，既浪費(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)成本。將式（1）整理后得到增壓泵最高輸出壓力與其他因素間的關(guān)系如式（3）所示：

基于式（3）可以看出，當(dāng)管網(wǎng)來(lái)水壓力和低壓井配注壓力一定時(shí)，不需要對(duì)增壓泵整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的變動(dòng)，只需要調(diào)整活塞桿直徑，就可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高輸出壓力和輸出流量的調(diào)整，拓寬增壓泵的使用范圍。

4　結(jié)構(gòu)優(yōu)化與應(yīng)用

管網(wǎng)來(lái)水需要通過(guò)增壓泵的換向機(jī)構(gòu)控制，實(shí)現(xiàn)向不同腔體注水。理想的增壓泵結(jié)構(gòu)希望通過(guò)管網(wǎng)來(lái)水來(lái)控制增壓泵的換向機(jī)構(gòu)動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)增壓泵在完全不需要其它電力供給的情況下完成整個(gè)增壓過(guò)程，結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2　機(jī)械式全自動(dòng)壓差驅(qū)動(dòng)往復(fù)式水力增壓泵原理

運(yùn)行過(guò)程中，兩側(cè)的換向閥進(jìn)水口都處于關(guān)閉狀態(tài)，保證換向閥處于鎖死狀態(tài)，當(dāng)活塞帶動(dòng)換向桿到達(dá)缸體一側(cè)終點(diǎn)時(shí)，會(huì)打開(kāi)另一側(cè)換向閥的進(jìn)水口，依靠管網(wǎng)來(lái)水壓力推動(dòng)換向閥換向。

機(jī)械式全自動(dòng)壓差驅(qū)動(dòng)往復(fù)式水力增壓泵在室內(nèi)研究試驗(yàn)中，能夠順利實(shí)現(xiàn)換向和增壓，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。但是該泵在換向過(guò)程中，需要靠活塞的慣性力通過(guò)換向過(guò)程中的液力平衡點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)的密封性能要求較高，泵的啟動(dòng)控制困難，維護(hù)復(fù)雜，因此在油田注水系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中推廣性較差，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖4所示。

圖3　測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖4　第1代機(jī)械式全自動(dòng)增壓泵應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

針對(duì)全自動(dòng)增壓泵存在的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)提出了電控式壓差驅(qū)動(dòng)往復(fù)式水力增壓泵，原理如圖5所示。

圖5　電控式壓差驅(qū)動(dòng)往復(fù)式水力增壓泵原理

該泵主要添加了1臺(tái)小型電機(jī)和4個(gè)位置傳感器，并能通過(guò)遠(yuǎn)程的GPRS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的泵啟動(dòng)、停止等運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖6所示。

圖6　電控式壓差驅(qū)動(dòng)往復(fù)式增壓泵應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

當(dāng)管網(wǎng)來(lái)水進(jìn)入A、C腔，活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，B腔的高壓排水閥打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)向高壓井注水，D腔的水通過(guò)兩位四通滑閥注入低壓井。當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)到接近右端位置時(shí)，高壓接近開(kāi)關(guān)1發(fā)出電信號(hào)，電機(jī)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，當(dāng)閥芯運(yùn)動(dòng)到接近右端位置時(shí)接近開(kāi)關(guān)3發(fā)出電信號(hào)電機(jī)停。閥芯停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)B、D腔進(jìn)來(lái)水，活塞又向左運(yùn)動(dòng)，C腔的高壓排水閥打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)向高壓井注水，A腔的水通過(guò)兩位四通滑閥注入低壓井，周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)高低壓井同時(shí)注水。

由于換向裝置采用外來(lái)動(dòng)力控制，降低了裝置的加工精度要求，節(jié)約了加工成本。該類(lèi)型增壓泵在大慶油田某注水區(qū)塊內(nèi)得到了推廣應(yīng)用，在不改變?cè)⑺に嚨那闆r下，共裝配了5個(gè)配水間，部分現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，通過(guò)實(shí)地感觀和技術(shù)數(shù)據(jù)測(cè)試，該泵運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)噪聲，操作簡(jiǎn)單，容易維護(hù)，滿(mǎn)足了該高壓注水井的配注要求，節(jié)能效果顯著。

5　結(jié)論

1） 針對(duì)油田注水系統(tǒng)高、低壓注水井同處一個(gè)注水區(qū)塊的工況，提出了一種利用油田管網(wǎng)來(lái)水作為主要?jiǎng)恿Φ乃υ鰤罕米⑺桨浮?/p>

2） 介紹了壓差驅(qū)動(dòng)往復(fù)式水力增壓泵的工作原理及在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中的流量和壓力的調(diào)控方案。

3） 結(jié)合壓差驅(qū)動(dòng)往復(fù)式水力增壓泵的結(jié)構(gòu)改進(jìn)過(guò)程，確定了更為實(shí)用的電控式壓差驅(qū)動(dòng)往復(fù)式水力增壓泵的結(jié)構(gòu)方案。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明了該泵實(shí)用性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。

［1］ 任福深，程曉澤，林莉．油田供水系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化方案研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（11）：51－54．

［2］ 陳素麗．油田注水節(jié)能中心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（6）：72－74．

［3］ 孟勇，秦延才，王金亮．水力活塞增壓注水泵的研究與應(yīng)用［J］．石油機(jī)械，2003，31（12）：25－27．

［4］ 郭俊忠，常玉連，高勝．注水系統(tǒng)運(yùn)行方案優(yōu)化研究［J］．系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2002（12）：127－129．

［5］ 任永良，常玉連，邢寶海．油田注水管柱水力模型的建立與求解［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（7）：1468－1470．

Research on Differential Drive Reciprocating Hydraulic Booster

REN Fushen1，CHEN Suli1，YANG Pingping2，LIN Chunwen2，
XU Feng2，CHANG Yulian1，LEI Na1
（1．Northeast University of Petroleum，Daqing 163318，China；2．Beijing Petroleum Machinery Co．，
Beijing 100010，China；3．Daqing Oilfield Construction Group，Daqing 163000，China）

Water flooding system in oil field is an important part of oil production and is of tremendous energy consumption．A solution is put forward according to high and low pressure injection wells in a water injection block，oilfield water is used as a primary drive source and differential drive reciprocating hydraulic booster of selfdeveloped is used，which water energy of pdifference between the pipeline and the low pressure wells is converted into high pressure water flooding well energy．The operation principal，working process and control project of the flow and pressure in the using process of this device are introduced in this paper，and more practical structure scheme of electronically controlled differential drive reciprocating hydraulic booster is determined．Field application shows that the booster is running smoothly，maintenance is simple and reasonable structure，and energy saving effect is obvious．

booster；energy saving；water flooding；research；application我國(guó)陸上油田主要以注水采油工藝為主，隨著油田開(kāi)采進(jìn)入中后期，油水含油比例越來(lái)越低，填補(bǔ)底層壓力需要回注的水量也越來(lái)越多。由于注水管線堵塞、結(jié)垢及地質(zhì)配注工藝等諸多原因，常有高、低壓注水井處于一個(gè)注水區(qū)塊的現(xiàn)象［1-3］。為了保證地質(zhì)配注要求，目前常用的技術(shù)措施有2種：一是就高不就低原則，統(tǒng)一提高注水管網(wǎng)來(lái)水壓力，保證高壓注水井的配注壓力，同時(shí)調(diào)整低壓注水井口閥門(mén)開(kāi)度，限制注入流量；二是直接在高壓井口安裝增壓泵。第1種方式由于投資巨大，只適合在高壓井集中的獨(dú)立小區(qū)塊中使用。由于油田注水管網(wǎng)面積龐大，注水區(qū)塊間壓力不均衡［45］，管網(wǎng)來(lái)水壓力比低壓井的配注壓力高出很多，因此很多情況下，低注水井也存在截流的現(xiàn)象。針對(duì)這類(lèi)現(xiàn)象，東北石油大學(xué)研究了利用管網(wǎng)來(lái)水作為動(dòng)力的活塞泵——壓差驅(qū)動(dòng)式往復(fù)式水力增壓泵。該泵將管網(wǎng)來(lái)水與低壓注水井間的壓差能量輸送到高壓水井管線上，實(shí)現(xiàn)高、低壓井同時(shí)注水，節(jié)約能源，降低油田生產(chǎn)成本。

TE934．1

B

10．3969／j．issn．1001－3842．2015．09．005

1001-3482（2015）09-0018-04