節能注水增壓泵的研究與應用

趙軍友傅建偉劉祥猛萬法偉張 鶴（. 中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島 66580；. 北汽福田汽車股份有限公司，北京 006；.中國石油集團東方地球物理勘探有限公司，河北涿州 07750）

引用格式：趙軍友，傅建偉，劉祥猛，等.節能注水增壓泵的研究與應用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：100-103.

節能注水增壓泵的研究與應用

趙軍友1傅建偉1劉祥猛2萬法偉3張 鶴1（1. 中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島 266580；
2. 北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206；3.中國石油集團東方地球物理勘探有限公司，河北涿州 072750）

引用格式：趙軍友，傅建偉，劉祥猛，等.節能注水增壓泵的研究與應用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：100-103.

摘要：針對目前油田注水增壓設備能耗高、注水壓力不能合理調配等問題，設計了節能注水增壓泵。該裝置通過機械換向閥來控制活塞左右行程，從而控制裝置內部液流流向，通過雙作用柱塞增壓泵對液流進行增壓。通過活塞結構受力分析，將活塞的運動分為2個階段，第1個階段為加速階段，第2個階段為勻速階段，計算了活塞運動速度、運動時間和有效功率，利用ANSYS軟件對活塞缸和活塞進行有限元仿真計算，證明其結構強度滿足要求。在勝利油田對2口高壓井進行增壓，增壓1.5 MPa，能夠滿足注入壓力和日配注量要求，完成增注任務；并且低壓出口的壓力和排量可以滿足1~2口低壓井的注水要求。

關鍵詞：油田注水；增壓；壓力調配；ANSYS仿真；節能

油田投入開發后，如果沒有相應的驅油能量補充，油層壓力隨著不斷開發而逐漸下降，導致油田的最終采收率下降。通過油田注水，可以使油田能量得到補充，保持油層壓力，達到油田穩產目的［1-2］。不同油田、不同的開采層位所要求的注入壓力各不相同，若采用統一的注水管網壓力，在滿足大部分注入井配注壓力的前提下，卻滿足不了高壓注水井要求；若提高整個管網壓力，在低壓注水井口則需增加降壓設備，造成了能源浪費［3-4］。針對高于系統壓力的注水井點采用增壓注水泵，是注水井增注和提高系統效率的有效措施之一，而增壓泵恰是以注水管網的壓力作為泵的吸入壓力［5-8］。然而，增壓注水泵能源消耗大，且受野外電力供應的影響，增大原油生產成本［9-10］。針對目前注水增壓裝置的不足，研制了節能注水增壓泵，解決了高壓井口注水壓力不足和注水油田壓力調配不合理的難題，大大降低了能源消耗，改善油層驅油效果。

1　節能注水增壓泵

1.1 整體方案

節能注水增壓泵是在注水油田現場用于高低壓井口增注、合理調配注水壓力的裝置。該裝置分為機械換向閥和雙作用柱塞增壓泵2個部分，總體結構如圖1所示。圖中紅線代表高壓液流，藍線代表注水干線液流，綠線代表低壓液流。

圖1　 節能注水增壓泵總體結構

機械換向閥結構如圖2所示。機械換向閥上開有1個進液口、1個排液口、2個供液口與2個回液口，進液口與注水干線相連，排液口與低壓井口相連，2個供液口分別與雙作用柱塞增壓泵的活塞缸進液口相接，2個回液口與雙作用柱塞增壓泵的活塞缸排液口相接，閥芯上開有月牙形槽口，閥芯與傳動軸通過焊接連接，傳動軸與小功率電機通過聯軸器相接，從而帶動閥芯的旋轉。

圖2　 機械換向閥

雙作用柱塞增壓泵結構如圖3所示。活塞缸上開有兩個進液口和兩個排液口，分別與機械換向閥的供液口和回液口相接，柱塞缸上開有1個進液口和1個排液口，進液口與注水干線相接，排液口經蓄能器后與高壓井口相接。柱塞缸的連接端蓋內裝有填料，由壓緊螺套壓緊，可以根據工作狀況來調整填料壓緊程度，防止缸內液流泄漏。

圖3　 雙作用柱塞增壓泵

1.2 工作原理

該注水裝置的增壓系統采用的是雙作用柱塞增壓泵，活塞的運動形式分為左右2個行程，行程的切換由機械換向閥來控制。以右行程為例，主干線液流從機械換向閥進液口流入，閥芯控制閥內流道里的液流流向，液流經換向閥供液口流入活塞缸的左腔，活塞在左右兩側壓差作用下右行，活塞缸右腔內做功之后的低壓液流從活塞缸右側排液口經換向閥右側回液口流入機械換向閥內，從排液口流出，注入到低壓井口中。同時，高壓液流從右端柱塞缸的高壓排液口流入蓄能器內，然后注入到高壓井口中，左端柱塞缸內的做功液流從主干線不斷得到補充，保證在整個行程內，活塞受力平衡。通過機械換向閥內閥芯的旋轉來控制活塞完成1個沖次，閥芯的旋轉由小功率電機驅動。

1.3 技術特點

（1）節能注水增壓泵不需要引入大功率的動力源即可實現對液流增壓，只需小功率電機來驅動機械換向閥工作即可，大大降低了能源的消耗。

（2）采用機械換向閥來控制活塞與柱塞左右行程的切換，與電液換向閥相比，結構簡單，工作更加穩定可靠；整體采用撬裝，現場安裝使用方便。

（3）該裝置在不改變原有注水系統及管網的基礎上，就可以對高壓井注水壓力進行增壓，同時又可以對低壓井口進行增注，解決了注水壓力調配不合理的難題。

1.4 技術參數

根據勝利孤島油田現場的注水要求，設定節能注水增壓泵的技術參數為：柱塞直徑?155 mm；活塞桿直徑?114 mm；活塞直徑?155mm；沖次≤15 次/min；活塞沖程500 mm；電機功率1.5 kW。

2　節能注水增壓泵的關鍵參數

2.1 壓力和排量計算

通過對孤島采油廠的注水現場調研了解到，注水干線壓力p1為10.4 MPa，部分低壓井口注水壓力p2為7.1~7.8 MPa，其中兩口高壓井配注量為17.08 m3/h。根據注水現場數據建立力學模型，如圖4所示。

圖4　 雙作用柱塞增壓泵力學模型

由帕斯卡原理可知，在密閉容器內施加于靜止液體上的壓力都將等值傳遞到液體內各點［11］，建立平衡方程為

p1A2+p1A1=p2A1+p3A2（1）

式中，p1為注水干線壓力，取值10.4 MPa；p2為低壓井口注入壓力，取值8.0 MPa；p3為高壓井口注入壓力，MPa；A1為活塞工作面積（活塞與活塞桿面積之差），mm2；A2為柱塞面積，mm2。

其中活塞直徑D=155 mm，活塞桿直徑d1=114 mm，柱塞直徑d2=155 mm，計算得高壓井口注入壓力p3為11.5 MPa。

在滿足高壓井口配注量的情況下，低壓井口排量Q2為代入數據計算可得Q2=7.84 m3/h。

2.2 活塞運動速度和運動時間計算

活塞的運動速度和運動時間對密封件的選取和液壓缸的工作穩定性起到了重要作用。活塞運動可以分為2個階段，第1個階段為加速階段，第2個階段為勻速階段。

在加速階段活塞在左右壓差作用下的運動可表示為

（p1A2+p1A1）-（p2A1+p3A2）=Ma （3）

式中，M為活塞質量，kg；a為加速度，m/s2。

假設高壓井口注入壓力p3與時間t成線性關系，已知t=0時p3= p1=10.4 MPa，則有

p3（t）=kt+10.4 （4）

式中，t為時間，s。

將式（4）代入式（3）得

a（t）=-60kt+57.2 （5）

對兩側同時積分得

v（t）=-30kt2+57.2t （6）

式中，v為速度，m/s；

假設t=t1時達到勻速狀態，此時v（t1）=0.125 m/s，p3（t1）=11.5 MPa。將此邊界條件代入（4）、（6）二式并聯立求解得t1=5.16×10-3s。由此可見加速階段時間很短，可忽略不計，可將活塞整個運動過程視為勻速運動，即

t總=t勻=3.98 s （7）

式中，t總為活塞運動1個沖程的時間，s；t勻為活塞勻速運動的時間，s。

2.3 雙作用柱塞增壓泵有限元仿真

雙作用柱塞增壓泵是節能注水增壓裝置實現增壓的關鍵部分。采用ANSYS有限元軟件，對增壓泵的活塞缸和活塞進行有限元仿真分析。利用Solidworks三維制圖軟件對活塞缸和活塞進行實體建模，并導入到ANSYS軟件中，運用軟件中的Smart Size對實體模型進行網格劃分，得到的有限元模型共有個68 761節點，40 548個單元。按實際工作狀況對模型施加載荷，并對施加載荷后的模型進行求解計算。

求解之后的位移變化云圖如圖5所示，最大位移發生在活塞缸左右腔室的內表面上，最大值為0.919×10-2mm，不影響活塞缸結構，可忽略不計。等效應力云圖如圖6所示，最大應力值56.2 MPa發生在流道交匯處，即該處發生應力集中。選用活塞缸的材料為20 Mn，屈服強度σs=275 MPa，取安全系數n=2.5，則許用應力為 ［σ］=110 MPa＞56.2 MPa，說明其強度滿足使用要求。

圖5　 位移變化云圖

3　室內實驗

根據設計參數，制造的節能注水增壓泵樣機如圖7所示。對樣機進行了室內壓力試驗，以檢驗裝置內部承壓強度及整個裝置的嚴密性和可靠性。實驗過程先對裝置內部液流加壓，將試驗壓力加到最大工作壓力的1.5倍，穩壓30 min后記錄實驗結果。在整個試驗過程中，該裝置沒有出現泄漏情況，證明其結構強度滿足使用要求。

圖7　 試驗樣機

4　現場應用

將節能注水增壓泵應用到勝利油田孤島注水現場，孤七主中干線壓力為10.4 MPa，井號為GD1-X 和GD1-Y的兩口高壓井油壓都為10.4 MPa，處于欠注狀態。采用節能注水增壓泵對兩口井進行增壓，增壓1.5 MPa后，可滿足兩口高壓井的注入壓力和日配注量要求；注水現場中GD1-A的低壓井油壓為7.9 MPa，日配注量為40 m3，GD1-B的低壓井油壓為7.1 MPa，日配注量為130 m3。節能注水增壓泵的低壓出口壓力為8.0 MPa，排量為187 m3/d，可以滿足兩口低壓井口的注水要求，將注水壓力調配至低壓注水井，以達到合理利用資源的目的。

節能注水增壓泵僅用1臺1.5 kW電機來驅動機械換向閥的工作，每天耗電為36 kW·h，年用電費為6 570元（0.5 元/kW·h），對比現場原先采用22 kW柱塞泵進行增注的方法（年用電費為19.3 萬元），能耗大大降低。同時又可以滿足部分低壓井口的配注要求，合理利用資源，全方位降低能耗。自進行現場試驗以來，該裝置的性能指標穩定，連續工作時間長，運行可靠，節能效果顯著。

5　結論

（1）節能注水增壓泵通過機械換向閥來控制活塞的左右行程，無需引入大功率的動力源便可實現增注，在滿足高壓井口注水要求的同時又可將注水干線的壓力進行合理調配，滿足部分低壓井口的注水要求，注水和節能效果十分顯著。

（2）節能注水增壓泵節能效果顯著，日耗電量僅為36 kW·h，與電動柱塞增壓泵相比節能可達85%以上。

（3）現場試驗證明樣機能夠滿足勝利油田孤島采油廠的注水要求。若要在多個油田大規模推廣，還需要進行現場試驗和節能注水增壓泵的優化，以滿足不同油田工況的需求。

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（修改稿收到日期 2015-08-05）

〔編輯 李春燕〕

Research and application of energy-saving water injection booster pump

ZHAO Junyou1, FU Jianwei1, LIU Xiangmeng2, WAN Fawei3, ZHANG He1
（1. Mechanical and electrical Engineering Department, China University of Petroleum（East China）, Qingdao 266580, China;
2. Beiqi Foton Motor Co.Ltd, Beijing 102206, China;
3. Bureau of Geophysical Prospecting INC.,China National Petroleum Corporatio, Zhuozhou 072750, China）

Abstract:This energy-saving, water injection booster pump was designed in view of the problems like high energy consumption of water injection booster equipment used in oilfields and water injection pressure not being able to be properly adjusted. This pump controls the right and left travel of the piston by mechanical direction valve, hence controlling the liquid flow inside the pump and boosting the liquid flow through double-acting piston booster pump. Through analysis of stress on piston structure, the movement of piston is divided into two stages. The first stage is accelerating stage and the second stage is constant speed stage. The piston movement speed, movement period and effective power were calculated. The ANSYS software was used to conduct finite element simulation calculation of piston cylinder and the piston, which showed that its structure strength can meet the specifications. This pump was used to boost two high pressure wells in Shengli Oilfield, and the booster was 1.5 MPa, which could meet the requirement of injection pressure and daily injection volume and accomplish the task of injection increase. The pressure and flowrate at low pressure outlet could meet the requirement of water injection at one or two low pressure wellhead.

Key words:oilfield water injection; booster; pressure allocation; ANSYS simulation; energy-saving

作者簡介：趙軍友，1963年生。1990年畢業于中國石油大學（北京）機電工程專業，現主要從事石油鉆采機械方面的教學與科研工作，教授，碩士生導師。E-mail：zhaojy@upc.edu.cn。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.025

文章編號：1000 – 7393（2015）05 – 0100 – 04

文獻標識碼：B

中圖分類號：TE934.1