提高注聚泵的可靠性設(shè)計(jì)研究

謝光偉，周 海，桑科中

（渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

0 引言

我國的油田目前已經(jīng)進(jìn)入水驅(qū)的中后期，采收率為35%左右，通過對全國23 個(gè)主要油田的三次采油的主攻方向的研究表明，全國有63%的地質(zhì)存儲(chǔ)可以采用表面活性劑驅(qū)油，由此采出的油量相當(dāng)于又找到一個(gè)大型油田[1]。三次采油技術(shù)是目前能夠達(dá)到控制含水，穩(wěn)定目前原油產(chǎn)量，最大限度提高最終采收率，經(jīng)濟(jì)合理的予以利用和開發(fā)這一要求的主要技術(shù)。三元復(fù)合驅(qū)即堿、表面活性劑、聚合物，它可以大大延緩油田產(chǎn)量遞減的速度，已經(jīng)成為油田產(chǎn)量接替的主要措施。我國在20 世紀(jì)80 年代開始研究應(yīng)用，大慶油田的三元復(fù)合驅(qū)采油累計(jì)達(dá)2000 多萬噸。作為三元復(fù)合驅(qū)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備——注聚合物泵的可靠性研究有著重大的意義。

注聚合物泵輸送的介質(zhì)是聚丙烯酰胺母液，是一種非牛頓黏彈性液體，因其對機(jī)械剪切的敏感性以及其化學(xué)、物理性質(zhì)和驅(qū)油機(jī)理，對注入設(shè)備提出了特殊要求。注聚合物泵的主要性能是整機(jī)性能即運(yùn)行的可靠性以及聚合物溶液的保黏率：一是保證注聚泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、性能可靠、維修方便，二是著重考慮如何減小其對介質(zhì)的機(jī)械降解。

1 注聚泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對聚合物剪切有較大影響的泵固有參數(shù)有泵柱塞的沖程、沖數(shù)、泵柱塞的直徑，這3 個(gè)參數(shù)決定了泵的理論排量，同時(shí)也決定了泵閥開關(guān)次數(shù)及柱塞沖擊聚合物的次數(shù)。由式（1）可以知道，當(dāng)泵的缸數(shù)、排量一定時(shí)，泵柱塞直徑越大、沖程越長，泵的沖次就越低，泵閥對聚合物的降解作用就越低，故而注聚泵在設(shè)計(jì)時(shí)一般采用長沖程、低沖刺（轉(zhuǎn)速）設(shè)計(jì)。

式中 Qt——理論流量

Z——柱塞數(shù)

d——柱塞直徑

S——行程長度

n——泵的轉(zhuǎn)速

1.1 動(dòng)力端的設(shè)計(jì)

曲柄連桿結(jié)構(gòu)是國內(nèi)外柱塞泵一種常見的結(jié)構(gòu)形式，有成熟的理論基礎(chǔ)，從可靠性方面來說，優(yōu)先選擇曲柄連桿結(jié)構(gòu)這種傳動(dòng)形式。

（1）長沖程的設(shè)計(jì)：注聚泵是柱塞泵的一種，其動(dòng)力端的運(yùn)行方式與柱塞泵一致，其運(yùn)動(dòng)原理是曲軸通過連桿滑塊推動(dòng)柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。一臺(tái)柱塞泵在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中的沖程是恒定不變的，其沖程長度由曲軸的旋轉(zhuǎn)半徑?jīng)Q定，故曲軸的設(shè)計(jì)是長沖程的決定因素。在流量Qt一定的情況下，通過衡量柱塞的平均速度um以及轉(zhuǎn)速n，再確定曲軸的旋轉(zhuǎn)半徑。

（2）轉(zhuǎn)速的確定：轉(zhuǎn)速是影響注聚泵可靠性的關(guān)鍵因素之一，轉(zhuǎn)速越低、泵閥對聚合物分子鏈的剪切次數(shù)越少，可有效減少機(jī)械降解，同時(shí)轉(zhuǎn)速對柱塞、盤根、閥組等易損件的使用壽命有著重大影響，同等條件下轉(zhuǎn)速越低、易損件壽命越長。但在考慮轉(zhuǎn)速的同時(shí)，也需要綜合考慮注聚泵的比重量，轉(zhuǎn)速越低意味著曲軸的旋轉(zhuǎn)半徑越大，動(dòng)力端結(jié)構(gòu)尺寸越大，生產(chǎn)成本和基建成本較高，經(jīng)濟(jì)性不高。根據(jù)現(xiàn)場的使用效果，轉(zhuǎn)速一般選取200 m/min左右。

（3）潤滑方式的確定：柱塞泵的潤滑方式一般采用強(qiáng)制潤滑和壓力潤滑。壓力潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修量大，給現(xiàn)場服務(wù)人員造成不便，影響整機(jī)泵的可靠性，所以在一些小型泵上盡量采用飛濺潤滑方式。飛濺潤滑主要靠運(yùn)轉(zhuǎn)中連桿大頭甩起的油滴或油霧進(jìn)行潤滑，注聚泵使用根據(jù)井口流量一般采用變頻20～40 Hz 運(yùn)行，長時(shí)間低頻運(yùn)轉(zhuǎn)容易造成甩油量小導(dǎo)致潤滑效果不佳，導(dǎo)致曲軸箱溫度過高、油封失效等，建議在曲軸上設(shè)計(jì)甩油裝置，避免因轉(zhuǎn)速低導(dǎo)致無法甩油的現(xiàn)象，增強(qiáng)動(dòng)力端的可靠性。

（4）傳動(dòng)方式的確定：柱塞泵比較常見的傳動(dòng)方式有齒輪傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)一般用于大型柱塞泵（500 kW 以上）或者對環(huán)境比較特殊的工況，制造、安裝和后期保養(yǎng)的要求較高，故而齒輪傳動(dòng)的成本較高。皮帶傳動(dòng)雖然沒有齒輪傳動(dòng)恒定的傳動(dòng)比和高的傳動(dòng)效率，但運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小、結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝精度要求低，使用維護(hù)方便，比較適合油田注聚單擺平放的使用要求，因而注聚合物優(yōu)先選擇皮帶傳動(dòng)。

1.2 液力端的設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)柱塞泵的液力端比較常見的是水平式結(jié)構(gòu)和直通式結(jié)構(gòu)。水平式液力端使用的閥組一般為組合閥，組合閥的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，常用于注水區(qū)塊。考慮到聚合物液體黏度大、流動(dòng)性差的特性，注聚泵的液力端優(yōu)選直通式結(jié)構(gòu)，吸入閥和排出閥呈直通式布置，可提高聚合物溶液的輸送能力，通過對液力端過流通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可達(dá)到降低聚合物機(jī)械降解的目的。

聚合物在配置、輸送的過程中難免會(huì)混進(jìn)空氣，特別是吸入壓力較低的工況也會(huì)攜帶進(jìn)大量的空氣[2]。在閥組不斷開閉的作用下，會(huì)釋放出一定量的空氣，積聚在液力端而形成氣鎖，氣鎖現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響閥組壽命，造成振動(dòng)與噪聲。故而可采取上吸入下排出結(jié)構(gòu)有利于氣體聚集，并設(shè)計(jì)排氣裝置實(shí)現(xiàn)氣體的排出，增加注聚泵運(yùn)行的可靠性。注聚注入泵工藝一般利用目的液的高度差來保證泵吸入壓力，需要統(tǒng)籌考慮注聚泵進(jìn)口高度、過濾網(wǎng)以及進(jìn)口管徑規(guī)格，以保證注聚泵吸入性，比如一臺(tái)注聚泵注入流量為6 m3/h，常規(guī)注水泵使用DN65 mm 管，但注聚泵需考慮聚合物流動(dòng)性差的因素，選用DN100 mm 管較為合適。

2 閥組的設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)各大油田聚合物區(qū)塊配注方式根據(jù)現(xiàn)場工藝以及地質(zhì)特征不同有3 種模式，分別是：①聚合物母液添加表活劑后入泵，易產(chǎn)生泥垢糊賭閥組（圖1）；②聚合物母液低壓摻水稀釋后入泵，易造成混配不均，出現(xiàn)膠團(tuán)堵閥（圖2）；③配制聚合物母液直接入泵后再與表活劑、純堿等溶液一起配注到井口。

圖1 泥垢堵閥

圖2 膠團(tuán)堵閥

對注聚工藝來說，注聚泵的黏度需要長期穩(wěn)定在一定的數(shù)值，閥組的使用壽命與注聚泵的可靠性有著直接關(guān)聯(lián)，因而閥組的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

（1）閥組[3]設(shè)計(jì)利用歐拉法原理，設(shè)計(jì)錐型彈簧減少閥組運(yùn)動(dòng)中的魏斯特法爾（West-ephal）現(xiàn)象的影響，進(jìn)而減少聚合物通過滯后角倒流到泵腔內(nèi)產(chǎn)生的機(jī)械降解（圖3）。

圖3 新型閥組

（2）閥組密封面采用球面密封，減少高壓液體通過微小間隙倒流產(chǎn)生機(jī)械降解。

（3）選用閥球質(zhì)量時(shí)，應(yīng)考慮庫氏條件的約束[4]，綜合分析彈簧與閥球的預(yù)緊力以及閥球與閥座的沖擊力，增加閥組的使用壽命。

（4）排液口設(shè)計(jì)為均勻分布的內(nèi)出液口，降低流道阻力系數(shù)降，避免因現(xiàn)場工藝導(dǎo)致閥組堵塞，從而減少機(jī)械降解，延長閥組使用壽命。同時(shí)排液口設(shè)計(jì)宜為錐度角以便于目的液流出，減少結(jié)垢現(xiàn)象。

3 過流件材料的選擇

經(jīng)過大量數(shù)據(jù)資料查詢和現(xiàn)場應(yīng)用，還原物質(zhì)Fe2+、Fe3+、Cu2+對聚合物溶液的降解比較嚴(yán)重。因此，注聚泵的過流部件材料一律采用1Cr 不銹鋼，以消除上述離子對溶液的化學(xué)降解。

4 小結(jié)

注聚泵每個(gè)參數(shù)選取都對聚合物的可靠性有著不可忽視的影響。本文從對影響注聚泵可靠性的沖程、沖刺、液力端的結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析，為易出現(xiàn)曲軸箱發(fā)熱、氣鎖等現(xiàn)象提供了解決思路，并對閥組的結(jié)構(gòu)提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)理念，為注聚泵的后續(xù)發(fā)展提供參考。