基于QC模式的提升注水泵單耗達標率措施研究

張 靜

（延長油田股份有限公司吳起采油廠，陜西 延安 717600）

0 引言

注水泵注水單耗是指注入單位水量的能源消耗。從做功角度看，注水泵的柱塞行程及柱塞面積是一定的，高注入壓力意味著高單耗水平。從功率角度看，為確保完成注水量，如果泵效低下則必須提高輸入功率，即增加單耗水平。影響單耗水平的其他原因還有設(shè)備帶病生產(chǎn)、井下堵塞以及維護保養(yǎng)不到位等[1]。結(jié)合企業(yè)一段時期內(nèi)多臺注水泵單耗水平歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，造成單耗水平達標率低的主要原因是注水壓力高和泵效低下[2]。而通過QC 模式控制對注水泵單耗關(guān)鍵節(jié)點進行全面評價則無疑是提升注水泵單耗達標率的一種有效途徑。

1 要因分析

該文結(jié)合注水泵單耗歷史數(shù)據(jù)，并運用頭腦風暴法總結(jié)提出了導(dǎo)致注水壓力高和泵效低下的14 條原因，并通過關(guān)聯(lián)圖分析法確定了7 個末端因素（如圖1 所示）。

圖1 注水泵單耗水平達標率低的原因分析關(guān)聯(lián)圖

2 要因確認

針對以上7 項末端因素，該文運用QC 法建立了注水泵單耗水平達標率低的要因確認計劃表（見表1），并分別進行了要因確認，再將末端因素進行逐一驗證，最終確定地層存在堵塞、污水處理工藝水平低、閥板材質(zhì)強度低、板式密封接觸面積大是導(dǎo)致注水泵單耗水平達標率低的4 個最主要因素。

表1 QC 模式下注水泵單耗水平達標率低的要因確認表

2.1 地層存在堵塞

該文從注水井中選取4 口注水壓力較高的水井，關(guān)井后記錄油壓落零時間并測量動液面，折算地層壓力后進行分析。從壓力恢復(fù)情況來看，各井停注關(guān)井后無反吐現(xiàn)象，折算地層壓力與原始地層壓力相近，結(jié)合注入量判斷地層仍然具備吸水能力。但油壓落零時間較長，說明存在一定堵塞。

分析認為，雖然地層靜態(tài)仍然具備吸水能力，但在高強度注水的沖刷下，近井地帶的巖石基質(zhì)逐漸碎裂，碎屑與注入水中的雜質(zhì)一同向深部涌入，近井地帶滲透率不斷降低且隨著注水時間的增加，降低態(tài)勢更加嚴重，表現(xiàn)為注水壓力逐年升高，而解決近井地帶的堵塞問題能夠有效降低注入壓力。因此，地層存在堵塞是導(dǎo)致注水泵單耗水平達標率低的要因之一。

2.2 污水處理工藝水平低

采出液在采油廠集輸聯(lián)合站經(jīng)二次沉降后分離出的污水不再經(jīng)除油、過濾等措施便直接回注。將回注水質(zhì)和經(jīng)處理后污水的水質(zhì)進行對比，可發(fā)現(xiàn)其中的固態(tài)懸浮物及含油量指標均較高。

分析認為，邊外注水固態(tài)懸浮物含量高且含油量高，會從2 個方面導(dǎo)致注水能耗上升，一是固態(tài)懸浮物堵塞近井地帶孔道，造成滲透率下降，注入壓力升高；二是注入介質(zhì)中的固態(tài)懸浮物外表粘上原油，易粘黏在柱塞泵閥板及閥座上，造成閥板關(guān)閉不嚴，在高壓下易發(fā)生刺漏，進而導(dǎo)致泵效快速下降，注水單耗升高。

將同型柱塞泵在不同介質(zhì)情況下的運行情況進行對比可以看出，聯(lián)合站部分精細注水泵介質(zhì)為處理后注入水，泵效能夠長時間保持在90%以上，而邊部注水泵因泵效下降快，維修周期僅為15d 左右，給現(xiàn)場帶來了繁重的工作量（見表2）。因此該文認為污水處理工藝水平低是導(dǎo)致注水泵單耗水平達標率低的要因之一。

表2 邊部注水泵與精細注水泵運行情況對比

2.3 閥板材質(zhì)強度低

聯(lián)合站注水泵閥座的材質(zhì)是合金鋼，閥板的材質(zhì)是MC尼龍。調(diào)研其技術(shù)參數(shù)可發(fā)現(xiàn)同等體積下的合金鋼閥板質(zhì)量約是MC 尼龍閥板質(zhì)量的7 倍。合金鋼制閥板因為自重太大，安裝后會發(fā)生下垂，進而與閥座貼合不嚴，存在夾角，無法發(fā)揮密封作用（如圖2 所示），因此只能選擇密度、硬度均較小的MC 尼龍材質(zhì)閥板。

圖2 合金鋼閥板與閥座貼合不嚴

然而從現(xiàn)場故障照片中可以看出，當出現(xiàn)刺漏情況時，硬度低的尼龍閥板損壞更加嚴重（如圖3 所示）。

圖3 尼龍質(zhì)閥板刺漏現(xiàn)場圖

通過統(tǒng)計注水點2 臺泵的故障原因可發(fā)現(xiàn)閥板刺漏占總故障原因的47%，幾乎占了故障原因的近一半，而硬度低是導(dǎo)致閥板刺漏的直接原因。

2.4 板式密封接觸面積大

柱塞泵工作原理是通過柱塞后拉與前推改變吸入閥與柱塞、排出閥與柱塞的密閉腔容積，使排出液體，并通過吸入/排出閥板與閥座的板式貼合實現(xiàn)密封。

當閥板上粘黏固態(tài)雜質(zhì)時，閥板會閉合不嚴，形成細微的高壓滲流通道。高速液流如同水刀一般切割閥板及閥座的材質(zhì)表面，從起初的刺痕迅速發(fā)育，最終形成凹槽，導(dǎo)致密封失效，泵效顯著下降。

該文更換了4 臺回注泵的全套閥板、閥座、柱塞配件后跟蹤泵效曲線，發(fā)現(xiàn)10d 左右泵效即下降到60%以下，平均泵效71%。統(tǒng)計并跟蹤10d 內(nèi)閥板磨損情況發(fā)現(xiàn)，當前注水泵的吸入閥密封面積為32.2cm2，排出閥密封面積為13.3cm2。在目前水質(zhì)條件下，閥板密封接觸面越大，固態(tài)雜質(zhì)墊在接觸面中的概率就越大，對泵效的影響就會越嚴重。因此判斷板式密封接觸面積大是導(dǎo)致注水泵單耗水平達標率低的要因之一。

3 制定對策與實施

3.1 制定對策

該文針對上述4 個要因逐項進行對策優(yōu)選，確定了針對性的提升注水泵單耗達標率的對策方案（見表3）

表3 提升注水泵單耗達標率對策表

3.2 對策實施

3.2.1 實施酸化解堵

按照酸液成分及作用機理設(shè)計優(yōu)選了酸洗解堵液配方（見表4）。

表4 酸洗解堵液配方

酸液中起主要作用的是鹽酸和氫氟酸，將二者按一定比例配合后使用。其中氫氟酸可以溶解巖石中的所有組分，包括酸鹽巖、硅酸巖和石英，這些也是地層巖石骨架及固態(tài)懸浮物的主要成分。

在確認酸洗解堵液配方的基礎(chǔ)上，將酸液由泵車擠入地層，然后直接注水，擴大酸液波及范圍。并在聯(lián)合站注入壓力最高的井上進行試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)酸洗后壓力下降了5.2MPa，說明酸洗解堵見效。同時注水單耗下降1.52kW·h/m3，說明注入壓力下降能夠顯著降低能耗。再在工區(qū)全部水井中組織酸洗，平均注入壓力下降3.89MPa，達到了降低能耗的目標要求。

3.2.2 延長沉降時間

原先是采出液進聯(lián)合站相應(yīng)罐（一級沉降），污水進相應(yīng)罐（二級沉降）分離后回注。優(yōu)化后改為采出液進相應(yīng)罐（一級），分水至相應(yīng)罐（二級）沉降后，再利用摻水系統(tǒng)返回下游聯(lián)合站相應(yīng)罐（三級）進行沉降后回注，如此將原先的二次沉降改為三次沉降，平均沉降時間增加了6.8h。

對回注污水水質(zhì)進行跟蹤化驗發(fā)現(xiàn)，流程優(yōu)化前、后固態(tài)懸浮物含量下降了31.8%，含油量下降了36.5%。

3.2.3 設(shè)計立式泵頭

針對注水泵水平式液力端存在的閥板材質(zhì)強度低和板式密封接觸面積大的問題，該文采用了設(shè)計立式液力端的解決思路，其進排水閥立式閥結(jié)構(gòu)簡圖如圖4 所示。和水平閥密封面接觸面積相比，立式閥的錐面密封面積減少了75%，材質(zhì)強度增加了122%。同時因為其為錐面設(shè)計，閥芯關(guān)閉時還能將雜質(zhì)撞碎，開啟時雜質(zhì)被水沖走，有效解決了注入水中固態(tài)懸浮物帶來的密封面發(fā)生刺漏、泵效下降等問題。

圖4 立式閥結(jié)構(gòu)圖

針對該文設(shè)計的新型立式閥和液力端，制造廠家制作了新型液力端并組織現(xiàn)場試用，第一批更換了5 臺液力端。在泵效保持90%以上的情況下，維修周期大幅度延長，從不足半月達到97.4d；在相同參數(shù)和日耗電量的情況下，平均注水單耗由4.43kW·h/m3下降至3.70kW·h/m3，更換泵頭后可使單耗下降41.5%。平均泵效達86.99%。

4 措施應(yīng)用效果

對2022年度5月—12月措施實施后的注水泵單耗達標率情況統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合站注水泵站單井注水壓力由9.88MPa 下降至5.51MPa，單耗水平由4.37kW·h/m3下降至2.63kW·h/m3，下降了39.8%，只有一口井因酸洗降壓效果不明顯，單耗水平未能達標。8 個月考核單耗指標合格率達87.5%，提升效果顯著。

5 結(jié)論

該文通過QC 模式進行關(guān)聯(lián)圖分析，明確了造成聯(lián)合站注水泵單耗水平達標率低的主要原因是注水壓力高和泵效低下。地層存在堵塞、污水處理工藝水平低、閥板材質(zhì)強度低、板式密封接觸面積大是導(dǎo)致注水壓力高和泵效低下的4個主要因素。1）通過實施酸化解堵，提升了近井地帶滲透率，平均注入壓力下降了3MPa 以上，有效解決了注水過程中地層存在堵塞的問題。2）通過增加一級沉降，延長沉降時間，跟蹤水質(zhì)變化發(fā)現(xiàn)固態(tài)懸浮物及原油含量比目前減少了30%，解決了邊外注水水質(zhì)差的問題。3）通過設(shè)計應(yīng)用立式泵并投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)泵效在3 個月內(nèi)始終保持在85%以上，徹底解決了閥板材質(zhì)強度低和板式密封接觸面積大的問題。4）通過基于QC 模式的提升注水泵單耗達標率的措施實施，聯(lián)合站注水泵單耗達標率達87.5%，降低了注水壓力。不僅保證了注水工作的連續(xù)運行，還減少了安全環(huán)保風險，綜合效益十分顯著。