水力管式泵動力液管線振動原因及治理

原紅超 于家盛 孫九江 潘秀英 陳瓊浩 羅勇平

(1.中國石油華北油田山西煤層氣分公司，山西 048000；2.中國石油華北油田蘇里格勘探開發(fā)分公司，陜西 710000 3.中國石油華北油田質(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)場同時發(fā)現(xiàn)水力管式泵動力液管線振動明顯，經(jīng)常造成管線刺漏，設(shè)備密封不嚴(yán)的問題，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力液管線振動的方法已成為當(dāng)前煤層氣行業(yè)創(chuàng)新研究的重點工作之一。目前針對水力管式泵動力液管線振動的主要措施有降低井口動力液管線高度、增加地面管線地錨、降低設(shè)備系統(tǒng)壓力等，隨著設(shè)備運行時間的增加，降低井口管線高度和增加地面管線地錨的方法對于降低振動的效果并不理想。降低設(shè)備工作壓力雖然有降低振動的效果，但是設(shè)備工作壓力降低的同時也降低了井下泵工作的效率。通過論證這些方法都不能作為降低水力管式泵動力液管振動的有效方法。

水力管式泵動力液管線振動對排采設(shè)備的整體運行時率有嚴(yán)重的不利影響，通過現(xiàn)場分析得出，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)是動力液管線產(chǎn)生振動的主要原因。不優(yōu)化柱塞泵供水方式很難常達(dá)到降低動力液管振動效果。

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、動力液管組成(圖1)。地面設(shè)備運行后電動機(jī)帶動柱塞泵將動力液增壓，液壓站按照時間或壓力控制換向水閥工作，將增壓后的動力液通過中心管注入井筒時推動井下泵柱塞上行，泵吸液、中心管與油管形成的環(huán)形空間中液體排至地面；換向后動力液通過環(huán)空注入井筒推動井下泵柱塞下行，泵排液，液體進(jìn)入油管環(huán)空。依照以上步驟做循環(huán)運行，可實現(xiàn)連續(xù)排水的功能。

圖1 水力管式泵排采工藝組成

2 水力管式泵動力液管線振動的危害

根據(jù)統(tǒng)計因水力管式泵動力液管線振動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)，動力液管線振動經(jīng)常引起自身漏失。由于頻繁振動使動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，振動經(jīng)常破壞管線保溫層，冬季來臨之后，動力液管線凍堵的情況時有發(fā)生。

動力液管振動與柱塞泵引起共振，使柱塞泵故障率增加。柱塞泵的振動經(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)情況下柱塞泵振動造成泵腔開裂造成設(shè)備大修，耗費大量資金和人力更換新柱塞泵。

動力液管線振動對水力管式泵工作效率也有一定的影響，由于振動造成柱塞泵接頭、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行效率，為了彌補系統(tǒng)壓力的降低，重新設(shè)置更高的系統(tǒng)壓力值，又加劇了動力液管線的振動。

綜上所述，水力管式泵動力液管線振動，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常穩(wěn)定生產(chǎn)，只有降低振動才能降低設(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行能耗。

3 水力管式泵動力液管線振動的原因分析

通過現(xiàn)場分析發(fā)現(xiàn)水力管式泵柱塞泵供水方式是造成動力液管線振動大的主要原因，水力管式泵動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)致動力液管線產(chǎn)生明顯振動。

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，在壓縮行程時柱塞對半腔動力液進(jìn)行壓縮時會形成瞬態(tài)激勵，敲擊泵腔、閥體、閥座及柱塞，形成柱塞泵泵頭振動。同時每次柱塞泵半腔壓縮的動力液會對前面的動力液形成一次瞬時撞擊，也就是“斷流空腔彌合水錘”效應(yīng)，這就是動力液管線形成高頻振動的原因。

3.2 柱塞泵工作方式加劇管線振動

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

4 降低動力液管線振動的措施及效果

針對動力液管線產(chǎn)生振動原因，制定了一系列相應(yīng)措施，首先對柱塞泵進(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)部過濾網(wǎng)去掉，改為水箱內(nèi)安裝濾網(wǎng)的過濾方式，創(chuàng)新加裝喂液泵，通過這幾項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)，動力液通過喂液泵加壓到柱塞泵進(jìn)液口，加壓后的動力液壓力可達(dá)1.5MPa。這樣以來動力液滿足連續(xù)伺服三個單柱塞泵腔進(jìn)液，保證動力液在柱塞泵進(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。

圖2 喂液泵安裝位置

4.2 優(yōu)化供液方式的效果

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

表1 振動部位振幅統(tǒng)計

此外，對比設(shè)備改造前后的30天內(nèi)故障次數(shù)和維修時長進(jìn)行對比，改造后設(shè)備故障次數(shù)和維修時長降低50%以上(表2)。

表2 振動部位振幅統(tǒng)計

5 結(jié)論

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

(2)對水力管式泵進(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)部過濾網(wǎng)去掉，改為水箱內(nèi)安裝濾網(wǎng)的過濾方式，在水箱和柱塞泵之間加裝喂液泵，通過這幾項措施提高了柱塞泵的供液量，避免產(chǎn)生水錘效應(yīng)，降低了動力液管線設(shè)備振動以及因振動引起的設(shè)備故障問題。