移動式液壓型電驅注入裝置的研制

張森

（大慶油田水務技術開發公司，黑龍江 大慶 163000）

低滲透油層剩余油高度分散、剩余儲量大，是重要的潛力油層，但其油藏的特殊性也受到了開發成本高、開發難度大的制約，近幾年，各大油田都在尋找一種有效的挖潛工藝措施，本文是想論證通過研制一種注入裝置，可以實現大排量、高壓力的驅油劑注入，利用近似壓裂的方式將驅油劑注入油層裂縫中，補充地層能量的同時實現驅洗剩余油。前期注入裝置采用的為壓裂泵或其他機械三缸泵作為核心部件，這種泵型大多為臥式三柱塞往復泵形式，工作時柱塞沖次高、沖程短，吸入和排出閥體起落頻率較高，導致在高壓工作狀態下對液力端的沖擊大，影響了液力端閥箱、閥體、閥座的使用壽命；此外，這種泵型的輸出壓力、流量覆蓋范圍較窄，若要提高覆蓋范圍，需要更換不同缸徑的柱塞。

1 移動式液壓型電驅注入裝置技術方案

為了適應工藝的要求，結合前期應用經驗，我們開始研制一種新型的移動式液壓型電驅注入裝置，核心組件采用單缸雙作用往復泵，與以往機械三缸泵型相比，該泵型采用液壓傳動原理，實現了能量的高效傳遞，且因采用長沖程、低沖次液力端結構，提高了泵的穩定性和安全性，同時，將四個驅動單元、一套液壓油箱、一個主機體和一套液壓振蕩器高度集成到一個撬體內。經過實際使用驗證，移動式液壓型電驅注入裝置具有其他機械泵不可比擬的優勢，施工效果顯著。施工簡易工藝流程圖如圖1。

圖1 施工簡易工藝流程圖

1.1 設計原理

液壓型電驅注入泵采用液壓傳動原理，將電動機的高速旋轉機械能通過恒功率變量油泵轉換成液壓油的壓力能，再由液壓震蕩器將液壓油的壓力能通過活塞直接轉換成工作液的壓力能，由此改變了傳統的機械傳動鏈，減少了機械傳動環節，實現了能量的高效、安全傳動。

1.2 結構原理

該裝置主要由液壓動力單元、工作單元組成，分別固定在對應的底座上。

（1）液壓動力單元包括液壓油箱、支撐部和四個或多個驅動組件，液壓箱位于支撐部的上側，驅動組件位于液壓油箱的下側，支撐部和驅動組件分別與底座固定連接，驅動組件包括電動機和恒功率變量油泵，油泵與電動機傳動連接，而油泵的進油口與液壓油箱連接，油泵的出油口通過出油管路與工作單元連接；驅動組件為多個，排布于底座上且均位于液壓油箱下側；液壓油箱上設有散熱器和回油管路。詳見圖2。

（2）工作單元固定在底座上，工作單元與液壓動力單元通過管路連接；工作單元包括液壓缸、液力端、電磁換向組件、機體、進漿管線及出漿管線等，詳見圖3。

圖2 液壓動力單元結構示意圖

圖3 工作單元結構示意圖

（3）結構的合理性

①將液壓油箱設置在支撐部的上側，驅動組件置于液壓油箱的下側，一方面，增大液壓油箱的容積即提供了散熱空間；另一方面，也為增多驅動組件的數量提供了空間，從而能夠提高設備的排量，且整個設備的體積并未顯著增大；

②工作單元可以根據需求配備多個，且工作單元與液壓動力單元可分體設置，既便于運輸，又便于根據需要進行靈活搭配。例如，可采用一個液壓動力單元匹配多個工作單元、多個液壓動力單元匹配一個工作單元或多個液壓動力單元匹配多個工作單元等方式。

2 移動式液壓型電驅注入裝置性能創新性

2.1 高效性

（1）輸出壓力和排量覆蓋范圍廣。排量0 ～40m3/h 可調，輸出壓力隨著排量的增大而減小，排量和壓力變化時，液力端只需一種規格缸套即可。這樣既完善了以往機械泵大排量調節時需要更換不同規格柱塞的缺點，又降低了現場作業勞動強度并減少了作業時間。整泵承壓能力取決于液力端閥箱和缸套的性能，也決定著整泵的安全性，所以，閥箱和缸套校核如下（雙金屬鋼套結構示意圖如圖4）。

180 雙金屬缸套校核驗證：

圖4 雙金屬缸套結構示意圖

查機械工業出版社出版《機械設計手冊》第5 版第一卷，按標準GB/T11352，45#調質處理σs=355MPa，按第三強度理論計算：

a：當D1=φ180 時，缸套外套壁

因此，缸套外套屬厚壁缸套。

根據API 7K 4.6 取安全系數FDS=1.5，最高使用壓力40MPa。按第三強度理論公式計算：

所以，在這種情況下，恰好滿足使用要求。

（2）能夠有效注入各種復雜介質，如污泥水、攜砂液、大顆粒介質等，可以適應不同井場注入需求。

2.2 節能性

（1）相同排量和壓力參數下使用的電機功率低，實現能量高效傳遞，節省能源消耗。詳見參數對照表表1。

表1 壓力和排量對照表

（2）驅動多元化；配備四個有效驅動模塊，每個模塊可以單獨啟動，也可以任意組合啟動。多元化操作，方便現場排量調節，大排量使用大功率，小排量時使用小功率，可以適應不同井場工況，應對各種作業工藝，節省能源。

2.3 安全性

該泵在動力源的液壓部分配置了安全閥，與出口管匯安全閥構成雙層保護，對動力源與出口高壓區域進行了保護，提高了設備及現場操作的安全性。

3 設備現場試驗數據效果驗證

通過三口井作業施工，實際檢驗了設備性能，并得出了有效數據。通過與以往機械三缸泵作業后的效果對比，其優勢為：

3.1 降低作業強度，工作量較以往減少了一半

現場注入壓力增大到20MPa 上以后，以往的機械泵需要進行更換較小柱塞規格，以適應壓力變化，待壓力降下來后，又需更換較大規格柱塞，這樣來回作業，以滿足工藝 大排量注入 要求；而使用液壓型電驅注入裝置，則不需更換缸套來調節排量和壓力，從而減少了工作量，也提高了安全性，可以適用于各種比較復雜的工況。

3.2 作業施工安全性高

（1）移動式液壓型電驅注入裝置吸入性大大優于其他泵型，吸入、排出長沖程、勻速運動，沖次低，不會產生水擊現象，提高了設備使用壽命。

（2）零部件及易損件壽命長。

移動式液壓型電驅注入裝置為單缸雙作用泵，所以，只在行程兩端有短暫的加減速區段，在同樣工作參數下，加速度峰值遠小于其他泵型，沒有大幅度變加速度，因而不會出現大幅度變載荷狀態，綜合效果體現為在主要受力件出現疲勞的概率低、整體的振動減少、零件的磨損減少及壽命延長等。

（3）介質流量波動小，甚至可以做到無波動。實踐檢驗移動式液壓型電驅注入裝置只有在換向瞬間有小振幅壓力波動，平均換向時間只有80ms，為行程時間的8%，其余92%的時間流量是不波動的，所以，宏觀流量平穩。

4 研制結論

實踐證明，移動式液壓型電驅注入裝置使用效果較其他設備具有明顯優勢；同時，證明該設備的研發方向也符合省人、省力、省心、省時、省錢的五省目標。而設備的研制目標改善一線生產作業環境也達到了滿意的效果。