聚合物注入站注聚單耗影響因素分析及節(jié)能措施研究

劉姝祺（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

在聚合物驅(qū)油過程中，注聚泵是必不可少的裝置，它以擠送聚合物為目的，是一種壓力泵。傳統(tǒng)的注聚泵工藝復(fù)雜，注聚泵耗電也一直是注聚系統(tǒng)主要能耗節(jié)點(diǎn)，其中注聚單耗是衡量注入系統(tǒng)耗電量的重要技術(shù)指標(biāo)。注聚單耗是指注聚系統(tǒng)設(shè)備每注入1 m3聚合物溶液所消耗的用電量，即月注聚單耗=注聚系統(tǒng)設(shè)備月耗電量/月注溶液量[1]。某油田某隊(duì)建成A、B、C 注入站3 座，管理注聚機(jī)泵70臺(tái)，主要擔(dān)負(fù)某區(qū)塊三次采油的注入任務(wù)，平均日注溶液6 700 m3。該區(qū)塊采用“比例調(diào)節(jié)泵”及“單泵單井”工藝流程。單泵單井注入工藝流程是一臺(tái)柱塞泵為一口注入井提供聚合物母液，經(jīng)注入泵增壓后，與高壓水經(jīng)靜態(tài)混合器混合稀釋至一定濃度的目的液的流程；比例調(diào)節(jié)泵工藝流程是在單泵單井和一泵多井的基礎(chǔ)上，采用一泵對(duì)三井、單缸對(duì)單井的工藝，聚合物母液由比例調(diào)節(jié)泵增壓后，利用其單缸可調(diào)的特點(diǎn)，與高壓水混合稀釋至一定濃度的目的液的流程[2]。

1 注聚單耗影響因素分析

1.1 容積效率

在理想情況下，注聚泵柱塞左右活動(dòng)一次進(jìn)入腔體的聚合物體積等于排出的聚合物體積。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)泵排出的壓力較高時(shí)，聚合物對(duì)吸入閥、排出閥造成磨損，柱塞密封函泄漏嚴(yán)重，配置站來液存在氣泡等影響，隨著泵壓的升高泵排量略有減小，因此在柱塞泵運(yùn)行過程中，實(shí)際排量Q實(shí)一般都會(huì)比理論排量Q理低，兩者的比值為注聚泵容積效率。當(dāng)注聚泵容積效率下降，會(huì)造成注聚泵理論排量與實(shí)際配注量不匹配，存在載荷過低現(xiàn)象，注聚單耗上升。容積效率升高，實(shí)際排量接近理論排量，注聚泵做有用功多，注聚單耗降低[3]。

為進(jìn)一步準(zhǔn)確掌握注聚泵運(yùn)行狀況，分別對(duì)B注入站1#、2#、3#共3 臺(tái)注聚泵進(jìn)行了運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試。在注入濃度不變的情況下，檢測(cè)注聚泵在不同運(yùn)行頻率下容積效率和注聚單耗變化情況。注聚泵在不同運(yùn)行頻率下單耗統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 注聚泵在不同運(yùn)行頻率下單耗統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of unit consumption of polymer injection pump at different operating frequencies

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)可看出：1#、2#、3#注聚泵在變頻器頻率20 Hz 運(yùn)行時(shí)，注聚泵的吸液閥和排液閥因泵運(yùn)轉(zhuǎn)過于緩慢，導(dǎo)致吸、排液閥打開的程度變小，3 臺(tái)注聚泵的日注入量較低，注聚泵單耗整體偏高；在固定頻率運(yùn)行狀態(tài)下，注聚單耗隨著容積效率升高而降低。在不同頻率運(yùn)行狀態(tài)下，注聚泵單耗隨著頻率的升高而降低，并在30～45 Hz 范圍內(nèi)注聚單耗最低，為最佳運(yùn)行工況區(qū)間，當(dāng)頻率進(jìn)一步下降或上調(diào)時(shí)，注聚單耗則呈上升趨勢(shì)。

1.2 壓力損失

由于注聚站采用一泵三井工藝流程，各單井配注量與注入壓力存在差異，為保證高壓力井的正常注入，必須使每臺(tái)注聚泵都保持較高的壓力，從而提高了注入泵的泵壓，造成其他注入井壓力損失。尤其在高濃度注聚過程中，注聚泵設(shè)備基本滿負(fù)荷運(yùn)行，注聚泵泵壓與單井井口油壓壓差高達(dá)2～3 MPa，造成一定的能量損失，耗電量增加。注聚泵不同壓力損失下注聚泵單耗變化統(tǒng)計(jì)見表2。從表2 中可以看出，注聚泵在運(yùn)行過程中隨著泵進(jìn)出口壓力差逐漸升高，注聚泵單耗也逐漸上升[4]。

表2 注聚泵不同壓力損失下注聚泵單耗變化統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of unit consumption change under different pressure loss of polymer injection pump

1.3 回流比

注聚泵回流比是指注聚泵實(shí)際注入過程中的流量損失。由于注聚泵盤根加裝過松，腔室內(nèi)母液中存在雜質(zhì)，隨柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入填料與柱塞之間，最終造成柱塞表面磨損處深度劃痕，漏失量每分鐘超出40～60 滴，導(dǎo)致注聚泵柱塞伸縮性較差，進(jìn)而造成流量損失[5]。

從生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，注聚泵回流比對(duì)注聚單耗影響比較明顯，在地層壓力條件允許的范圍內(nèi)，以C 注入站1#比例泵為例，該泵型號(hào)為QMJC3(I)6.0/2.0-16，分別調(diào)整3 口單井瞬時(shí)流量，計(jì)算1#注聚泵在不同回流比下，注聚泵日耗電量變化情況見表3。從注聚現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，注聚泵回流比越高，泵充滿系數(shù)越低，注聚泵能量損失越大，日耗電量越高。隨著注聚泵日注溶液量降低，注聚單耗越高，回流比達(dá)到60%以上的注聚泵單耗最高。

表3 1#注聚泵回流比與注聚泵日耗電量統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of reflux ratio of 1# polymer injection pump and daily power consumption of polymer injection pump

1.4 采暖溫度

在冬季運(yùn)行管理中，A 注入站采用聚能加熱系統(tǒng)取暖，通過摸索聚能加熱泵回水設(shè)定溫度，發(fā)現(xiàn)聚能加熱泵回水溫度設(shè)置越高，注入站平均日注聚單耗越高[6]。回水溫度與A 注入站日耗電量統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 回水溫度與A 注入站日耗電量統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of return water temperature and daily power consumption of A injection station

2 降低注聚單耗的措施

2.1 優(yōu)化注聚泵結(jié)構(gòu)

2.1.1 更換液力端柱塞

針對(duì)注入站注聚泵進(jìn)行改造，重新設(shè)計(jì)往復(fù)柱塞的直徑，將統(tǒng)一尺寸柱塞更換為與配注母液瞬時(shí)流量規(guī)格相匹配的柱塞，將其改造為單缸單柱塞泵。同時(shí)按照地質(zhì)方案調(diào)整皮帶輪尺寸，使吸入理論排量等于排出需要的液量，取消原來注聚泵剩余的液體通過回流開關(guān)流回吸入端的模式，使每臺(tái)注聚泵的充滿系數(shù)達(dá)到90%以上，并在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行[7]。

2.1.2 優(yōu)化注聚泵進(jìn)出口閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于B 注入站柱塞泵進(jìn)出口閥與閥座設(shè)計(jì)距離過小，導(dǎo)致柱塞泵進(jìn)液、排液過程行程小，泵效一直處于較低狀態(tài)。5 月份，通過對(duì)泵進(jìn)出口閥打磨增大行程間隙，增加閥芯與底座的橫截面積，改進(jìn)后注入站泵效由原來的89%提高到91.7%[8]。B 注入站優(yōu)化注聚泵進(jìn)出口閥結(jié)構(gòu)泵效變化見圖1。

圖1 B 注入站優(yōu)化注聚泵進(jìn)出口閥結(jié)構(gòu)泵效變化Fig.1 Change of structure pump efficiency of inlet and outlet valve in B injection station optimized polymer injection pump

2.1.3 提高注聚泵盤根性能

各注入站采用的是聚四氟乙烯材質(zhì)的盤根，聚氟乙烯材質(zhì)盤根耐腐蝕性及耐摩擦性能較好，但存在剛度、強(qiáng)度不夠等缺點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，在盤根外側(cè)將一個(gè)聚四氟乙烯的盤根替換成一個(gè)聚氟乙烯（PVC）材質(zhì)的盤根，這樣盤根變?yōu)橛? 個(gè)聚四氟乙烯材質(zhì)和一個(gè)PVC 材質(zhì)組成，進(jìn)而提高了盤根的強(qiáng)度。采取注聚泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施，注入站注聚單耗由原來2.36 kWh/m3降為1.44 kWh/m3。各注入站注聚泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后注聚單耗變化見圖2。

圖2 各注入站注聚泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后注聚單耗變化Fig.2 Change of polymer injection unit consumption at each injection station before and after the optimization of polymer pump structure

2.2 加裝變頻器裝置

由于注聚泵采用工頻運(yùn)行時(shí)，無法有效地解決注聚泵理論排量與注聚區(qū)塊地質(zhì)配注量不符的矛盾，無法保證聚合物溶液的連續(xù)注入，注聚泵單耗較高，不能達(dá)到節(jié)能效果。針對(duì)此種情況，對(duì)B 注入站14 臺(tái)比例泵增加變頻器，通過改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)輸出功率，根據(jù)配注方案，對(duì)變頻器輸出頻率進(jìn)行設(shè)定，不但控制精度高、運(yùn)行平穩(wěn)，而且注聚單耗下降明顯[9]。在設(shè)備調(diào)試運(yùn)行期間，對(duì)B 注入站進(jìn)行注聚泵單耗測(cè)試，在注入壓力，注入量不變的情況下，投加變頻器后，平均注聚單耗由2.21 kWh/m3降為1.96 kWh/m3，日耗電量由5 100 kWh 降為4 800 kWh，平均日節(jié)電300 kWh，全站14 臺(tái)變頻器每年可節(jié)電262.8×104kWh，年節(jié)約電費(fèi)157.6 萬元。加裝變頻器前后注聚單耗變化見圖3。

圖3 加裝變頻器前后注聚單耗變化Fig.3 Change of polymer injection unit consumption before and after installing inverter

2.3 提高日注溶液量

在保證開井時(shí)率、機(jī)泵無故障平穩(wěn)運(yùn)行前提下，注聚泵日注溶液量較高時(shí)，單耗相應(yīng)較低。如果存在機(jī)泵故障或地質(zhì)關(guān)井時(shí)，在1 口或者2 口單井注入時(shí)，隨著注聚泵日注溶液量的降低，注聚單耗明顯升高。以C 注入站10#比例泵為例，分別計(jì)算不同注入方式下，注聚單耗變化情況。C 注入站10#比例泵不同注入方式下單耗變化見表5。從表5中可以看出，注聚泵只有在3 口井正常注入時(shí)，注聚單耗最低。

表5 C 注入站10#比例泵不同注入方式下單耗變化Tab.5 Unit consumption change of 10# proportional pump in C injection station under different injection modes

針對(duì)注聚泵，要做好維護(hù)與保養(yǎng)工作，保證開井時(shí)率，降低泵故障率。要做到及時(shí)清洗泵入口過濾器；及時(shí)檢測(cè)泵出口緩沖器充氣壓力，使緩沖器壓力始終保持在泵出口壓力的70%～80%；及時(shí)排空，減小大站來液中氣體對(duì)注聚泵的影響，提高泵充滿系數(shù)；積極更換機(jī)油，做好日常維護(hù)工作，降低故障次數(shù)。在全隊(duì)的3 座注入站管理中，C 注入站平均泵時(shí)率高于96%，開井率高于95%，泵故障頻率最低，平均注聚單耗控制在1.6 kWh/m3，在全隊(duì)中注聚單耗最低[10]。

2.4 控制采暖溫度

通過A 注入站聚能加熱泵采暖溫度摸索，制定一系列管理措施。要求冬季聚能加熱回水溫度控制在45 ℃，注入站值班室運(yùn)行溫度為20 ℃，操作間溫度10 ℃，積極控制注聚泵用電量，在冬季運(yùn)行管理中A 注入站平均注聚單耗控制在2.42 kWh/m3。

3 結(jié)論

通過對(duì)聚合物注入站注聚單耗的影響因素分析，在技術(shù)及管理兩方面提出4 項(xiàng)降低注聚單耗的節(jié)能措施。

在技術(shù)方面，通過更換注聚泵液力端柱塞、優(yōu)化注聚泵進(jìn)出口閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)、改進(jìn)注聚泵盤根等技術(shù)措施，注入站注聚單耗由2.36 kWh/m3降為1.44 kWh/m3。通過加裝變頻器裝置，改變電動(dòng)機(jī)輸出功率，達(dá)到較好節(jié)能效果。變頻器投入使用后，B 注入站日注聚單耗由2.21 kWh/m3降為1.96 kWh/m3，日節(jié)電量為300 kWh，年節(jié)約電費(fèi)157.6 萬元。

在管理方面，加強(qiáng)注聚泵的日常維護(hù)與保養(yǎng)，通過降低泵故障率，提高日注溶液量，C 注入站平均注聚單耗控制在1.6 kWh/m3；通過冬季現(xiàn)場(chǎng)管理摸索，設(shè)定聚能加熱泵回水溫度45 ℃，A 注入站注聚單耗控制在2.42 kWh/m3合理范圍內(nèi)。