液力平衡式增壓泵的故障原因分析及工藝設計改進建議

楊麗峰 楊麗明 任淼淼

1大慶油田有限責任公司第八采油廠

2大慶油田有限責任公司第九采油廠

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。目前在用的增壓設備以“小排量、大壓差”的設計參數(shù)為主，為此從壓力平衡角度提出分工況設計的建議，以減輕機泵設計能力與實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)運行[1]，保證增壓工藝的平穩(wěn)運行。

1 增壓泵應用現(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)初期機泵的維修費用高達3萬元/臺，設備運行時率只有11%，分析原因主要有以下兩個方面：

（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]。運行過程中，增壓泵的柱塞受到電動機傳遞的動力和高壓水的壓力作用，當液力端閥片損壞后，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、來水水質差等原因導致，屬于可控因素，通過增加過濾器、定期檢查閥片或更換復位彈簧[3]可基本解決。

（2）實際增壓范圍遠低于設計能力。增壓泵的實際增壓范圍Δpreal低于設計能力Δpdesign較多時，機泵的進、排液壓力不平衡，就會出現(xiàn)軸瓦磨損、機油溫度升高現(xiàn)象。增壓泵的設計參數(shù)是根據(jù)開發(fā)預測值確定，但實際壓力變化與預測值之間往往存在差異，這就導致機泵設計能力與運行工況不匹配、故障率高。目前19臺在用的增壓泵在投產(chǎn)前半年因為注水井壓力上升緩慢出現(xiàn)了機泵設計能力富余的情況，其中5臺泵反復出現(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重要。

2 液力平衡條件

往復式柱塞泵由柱塞、連桿、曲軸組成一個曲軸連桿機構，工作時通過曲柄連桿把電動機的旋轉運動轉化為柱塞的往復運動[4]，動力端靠曲軸、連桿運動時飛濺的潤滑油潤滑。

與柱塞式注水泵不同，增壓泵由于來水壓力高，在曲軸向回運動時，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，使柱塞兩端受力達到平衡，降低動力部件的摩擦[5]。

增壓泵在運行過程中，由于泵進、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、出口壓力及柱塞大、小端的直徑有關[6]。因此，生產(chǎn)過程中，進、出口壓力的變化成為影響增壓泵平穩(wěn)運行的重要因素。一般情況下，平衡率在80%以上設備運行相對平穩(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。當注水井的注水壓力上升緩慢時，其配套的增壓泵在運行初期就會處于較差的工況環(huán)境，不利于設備穩(wěn)定運行。以1#增壓泵為例，增壓泵建于2016年，設計排量Q=90 m3/d，增壓范圍Δp=7 MPa。投產(chǎn)的第1個月內(nèi)增壓不足0.3 MPa，運行2月后增壓泵燒瓦停泵，維修后重新運行不足1月再次燒瓦停泵，增壓范圍1 MPa。對1#增壓泵進行平衡率計算及受力分析（表1）。

表1 1#增壓泵平衡率計算及受力分析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%。當泵出口壓力過低時，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]。

當泵速和排量一定時，柱塞的大端直徑D一般不變，根據(jù)平衡率計算公式，通過改變柱塞小端直徑d和進、出口的壓力值，可以使平衡率滿足生產(chǎn)要求。對于外圍油田應用的“小排量、大壓差”增壓泵來說，在進、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，如果柱塞小端的尺寸過小，會增大加工難度，且運行中容易產(chǎn)生顫動，難以保證同軸度，導致柱塞偏磨，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重，單泵平均日滲漏的水量達2～3 m3，平均1～2個月更換一次盤根。

4 參數(shù)調(diào)整

在實際生產(chǎn)中，注水井的壓力變化很難準確預測，根據(jù)預測值確定的設備能力更是難以保證設備平衡率達到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，在優(yōu)化柱塞小端尺寸存在困難時，可以適度降低設計壓力，先配套低增壓范圍Δplow的柱塞總成，待運行壓力上升到Δplow上限時，更換柱塞總成并增大機泵的設計能力至Δpdesign。因此，選取3臺設計排量相同、設計壓差不同的增壓泵進行出口壓力值調(diào)節(jié)試驗，使機泵運轉平衡率ηadjust達到80%，接近壓力平衡的狀態(tài)（表2）。

表2 平衡率調(diào)整計算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%，當調(diào)節(jié)該泵的出口壓力使調(diào)整后的平衡率ηadjust達到80%時，增壓泵運行的壓差為3.8MPa，占設計壓差（7 MPa）的54.29%；3#增壓泵的ηmin=75%，當該泵調(diào)整后平衡率ηadjust達到80%時，增壓泵運行的壓差為2.0 MPa，占設計壓差（5 MPa）的40%；4#增壓泵的ηmin=79.34%，調(diào)整后的平衡率ηadjust達到80%時，增壓泵運行的壓差為0.2 MPa，占設計壓差（4 MPa）的5%。可以看出，相同排量的增壓泵，設計低壓范圍越大的增壓泵，ηmin值越低，想要平穩(wěn)運行時，提升的壓力就要越高，當ηadjust達到80%時，運行壓差接近設計壓差的50%。

綜上所述，提出分工況設計的建議。在工藝設計階段與機泵廠家結合，觀察根據(jù)預測值生產(chǎn)的機泵在不起壓的工況下的最低平衡率。當設備的最低平衡率接近80%時，可按照預測壓力值正常設計；當最低平衡率低于80%時，可考慮降低機泵的增壓能力，按照設計壓差能力的50%配置柱塞總成，并將設計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，由此可以降低設備故障的概率，提高運行時率，保證增壓工藝的平穩(wěn)運行。

5 結論

（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計能力提高增壓泵的平衡率，可以降低設備損壞概率，延長機泵的使用壽命，保證增壓注水的平穩(wěn)運行。

（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備加工精度，才能保證機泵的正常運行。

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