油田注水設備降耗技術研發與應用

宮艷紅 于興才 齊玉梅 孔紅芳 陳亮

（1.大港油田公司第三采油廠；2.大港油田公司第五采油廠；3.大港油田公司第一采油廠）

油田注水開發是我國大部分油田進入中后期開發階段，補充地層能量，維持、提高油井產能的必然手段[1-2]。柱塞泵因能產生高壓，是油田注水的關鍵設備，也是注水工藝中核心的動力之一[3]，主要特點是排量小、泵效高、泵壓高及運行靈活[4]，但其能耗約占油田開發系統用電的1/4以上，因此實現柱塞泵優化運行是注水系統節能降耗的關鍵。生產中發現，減少柱塞泵故障、優化維修體系是實現注水泵平穩運行，保證注水時率，降低注水能耗的有效手段。韓露[5]對現代的柱塞泵故障診斷方法進行了分析研究，通過仿真尋找最適合柱塞泵信號的信號分析方法，以軸向柱塞泵為研究對象，搭建故障試驗臺采集在線的故障信號并進行分析，構建故障特征向量等，保證了柱塞泵故障診斷時高速度、高精度。夏楠[6]對沈陽耐腐柱塞泵雙泵頭進行改造，將整體液力端缸全部拆除，重新設計進液、出液閥組，把兩個泵頭整合為一個泵頭，在進液閥和出液閥之間增加隔套，實現進出一體化，避免雙泵頭造成的滲液等現象，降低故障率，提高運行時率。周陽陽[7]采用模糊PID控制規則，對注水井流量控制和變頻器轉速控制分別搭建模型，根據仿真模型分析兩種控制算法下的超調量、調節速度、抗干擾能力等，提高油田注水的效率，減少注水能源消耗，達到節能減排目的。潘永偉[8]分析了影響單耗和泵效等的因素，采用減級、涂膜和單雙泵布局調整等措施，減級改造降壓后，泵管壓差下降了0.9 MPa，平均注水單耗由5.98 kWh/m3下降到5.77 kWh/m3，下降了0.21 kWh/m3；涂膜后注水泵單耗由6.02 kWh/m3下降到5.90 kWh/m3，泵效由71.4%上升到73.8%，見到了顯著的節能效果。何建宇[9]通過對杏四～五區東部聚驅注水系統開展的能耗狀況調查，挖掘注水系統節能潛力，提出注水系統注水泵減級、區塊注入水質統一、注水泵運行模式優化等節能措施，實現年節電506×104kWh的節能效果。但針對柱塞泵通過液力端改造以及提高骨架油封更換質量來提高效率，實現節能降耗幾乎沒有涉及。這些技術均在某方面上取得了突破，但仍無法滿足現有的技術問題。近年來，由于興才等[10]人發明的襯套式彈簧座及骨架油封拆卸裝置，形成了柱塞泵提高泵效、提高操作效率的新認識和新方法，降低了運行能耗和生產成本，在現場應用取得了良好的效果。

1 柱塞泵的工作機理及常見問題

1.1 泵體結構及工作原理

柱塞泵啟動后，由原動機通過皮帶將動力傳遞給輸入軸的大皮帶輪并進行減速，再通過曲軸箱內的曲柄滑塊機構將旋轉運動變成柱塞的直線運動，柱塞在液缸內做往復運動，改變工作室的容積，使工作室內交替地產生局部真空和高壓，不斷的吸入和排出液體。

柱塞泵由兩部分組成，一是實現機械能轉換成壓力能，并直接輸送液體的部分，稱液缸部分或液力端；二是動力和傳動部分，稱動力端。

1.2 柱塞泵運行現狀及常見故障

油田處理水普遍存在礦化度高、含有腐蝕性物質和少量機械雜質的現象，為此在處理水經過注水系統輸送增壓的過程中不可避免的對設備及配件產生傷害。經過長期生產現場統計得到，柱塞泵在運行中易發生填料磨損、柱塞失效、閥艙損傷、閥組件損壞等故障。

特別是處理水中的腐蝕性物質、機械雜質在高壓水的協同下，會使閥組件刺漏損壞，造成泵頭吸入端（閥艙）表面出現不同大小、形狀和深度的溝槽和蝕點，從而產生很多微小的水道，吸入端密使封墊的失效，導致排出壓力下降、泵效下降，需要頻繁檢修。

同時，柱塞泵連接桿的骨架油封在運行時常出現磨損漏油的現象，如不及時更換則會造成曲軸箱內潤滑油減少，嚴重時可導致曲軸箱研瓦事故發生。現場更換油封時，需使用螺絲刀向外撬才能取出，造成連接桿表面劃傷損壞，使其密封性下降，需要頻繁更換連接桿。

2 解決方案

2.1 解決泵頭閥艙失效的方案

為解決采出水回注過程中高壓水對泵頭閥艙的沖擊損傷，借鑒鏜缸加套技術，設計了襯套式彈簧座，將吸液彈簧座功能與襯套結構相互嵌合，即防止了高壓水對泵頭閥艙的直接沖擊，延長了整體泵頭的使用壽命，又大幅降低了注水設備運行成本。

2.1.1 結構設計

襯套式彈簧座主要由彈簧座、襯套、彈簧凸臺、閥片凸臺、閥體凸臺、第一襯套密封槽、第二襯套密封槽、彈簧座密封槽、閥體密封槽、端面密封槽組成，襯套彈簧座的結構見圖1。其中襯套為筒狀結構，襯套的側壁上設置有兩個相對的通孔。彈簧座包括一體成型的插入部和連接部，插入部與襯套連接，插入部的外徑與襯套的外徑相同。連接部設置在插入部的外壁上，連接部用于安裝在泵頭的端部，襯套的外徑與閥艙的內徑相適配，且襯套位于液缸內。此設計使高壓水流動過程不與泵頭閥艙的內壁直接接觸，起到保護閥艙的作用。通過設置一體成型的彈簧座和襯套，利用連接部固定襯套，襯套與彈簧座之間沒有能使處理水透過的間隙，進一步提高對閥艙內壁的保護效果。

圖1 襯套彈簧座的結構Fig.1 Structure of bushing spring seat

2.1.2 實施方法

該設計首先需要對泵頭閥艙內壁進行鏜孔，孔的深度與彈簧座本體管體長度相同，使其具備加裝襯套式彈簧座的空間位置。加工時將彈簧座與襯套加工為一體型，襯套外壁加工吸液孔和三道密封槽，頂部增加一個密封槽。安裝時將密封槽內安裝“O”型密封膠圈，密封閥艙與襯套之間的間隙，將吸液孔垂直放置插入泵頭吸入端內，將彈簧座本體壓入泵頭腔，用內六角螺栓對角緊固。泵頭兩端依次安裝柱塞總成、閥體總成和壓緊法蘭。更換時拆除泵頭壓緊法蘭、閥體總成和柱塞總成，拆卸內六角螺栓，用專用工具將彈簧座本體自泵頭排出腔向內頂出。

2.1.3 技術指標及技術特點

1）技術規格。成果的主體套體材質為2Cr13，與泵頭同材質，加工完成后進行調質處理，增加強度30%以上，O型密封圈材質為丁腈橡膠，每道密封圈耐壓20 MPa，三道疊加提高耐壓強度，滿足設計要求。

2）技術參數。泵頭閥艙經過鏜孔直徑由110 mm增至130 mm；襯套式彈簧座與泵頭閥艙為間隙配合，襯套管體上設置三道密封圈可承壓45 MPa以上；襯套本體經過270℃調質處理后，強度提高1.5倍，延長襯套使用壽命2倍以上。

3）技術特點。研制了襯套式彈簧座，將損害點由泵頭本身轉移到了襯套上，使更換泵頭的工作量改為更換襯套的工作量，降低員工的勞動強度和操作時的安全風險。延長了受損泵頭的使用壽命，通過對現場已受損泵頭閥艙進行鏜孔再使用，提高了報廢泵頭的再利用率，降低購置成本。改變了老式吸液彈簧座的厚度，采用調質處理，提高了吸液彈簧座的強度，在原來功能上進行了延展。

2.2 解決連接桿失效的方案

為解決柱塞泵連接桿骨架油封在取出過程中對連接桿刮傷損壞問題，研發了柱塞泵骨架油封的拆卸裝置和拆卸方法，提出了面接觸拆卸安裝柱塞泵骨架油封的新思路，發現了對稱牽引原理對連接桿保護的規律，形成了專用+輔助、點面相結合的拆裝方法。即提高了骨架油封的更換效率，又延長連接桿的使用壽命，降低了損耗。

2.2.1 結構設計

柱塞泵骨架油封拆卸裝置結構見圖2，主要由拉套、擋圈、拉鉤凹槽、拉鉤、斜端面、把手組成，將Z字型拉鉤臥在拉套上的凹槽內，拉套部分順著連接桿插入骨架油封內，旋轉拉鉤，勾住骨架油封，用擋圈壓住拉鉤，利用拉套向外的拉力將骨架油封帶出，減少拆卸工具對柱塞泵連接桿的損傷。

圖2 骨架油封拆卸裝置結構Fig.2 Structural diagram of skeleton oil seal disassembly device

2.2.2 實施方法

現場使用時，首先卸掉連接桿卡箍，再卸掉骨架油封壓蓋，將拉套套接在連接桿上，將兩個拉鉤放置在拉鉤凹槽內并使拉鉤一端與前徑向凹槽貼合，向前推送拉套穿過油封膠皮刃口進入骨架油封內，向右旋轉拉鉤另一端與后凹槽貼合，將擋圈連接到拉套絲扣上，旋轉把手，即能將骨架油封拉出。

3 應用效果

3.1 現場應用

首次試驗應用于大港油田第三采油廠作業六區官28注水站3#泵，取得明顯的節能降耗效果。其中襯套式彈簧座共計應用在60臺柱塞泵上，經3 a多的跟蹤統計，再無因泵頭閥艙損傷進行泵頭更換作業，達到了預期效果。同時骨架油封拆卸裝置及方法累計使用229次，使用后，油封取出時間由21 min下降至9 min，機油日添加量僅為以往的1/2，效果較好。

3.2 經濟效益

柱塞泵降耗技術應用后能耗效果對比見表1，3個注水站年累計節電76.69×104kWh，年累計節省機油2 226.5 kg，工業用電0.828元/kWh，機油14.1元/kg計算，累計創效66.7萬元，若在大港油田全面推廣應用，規模創效可達400萬元以上。

表1 柱塞泵降耗技術應用后能耗效果對比Tab.1 Comparison of energy consumption effect after application of plunger pump consumption reduction technology

4 結論

1）襯套式彈簧座將處理水對設備的損害點由泵頭本身轉移到了襯套上，將傳統6人6 h的操作時間降為2人2 h，大幅降低員工的勞動強度和操作安全風險。

2）柱塞泵骨架油封拆卸裝置，將傳統的點接觸拆卸改變為面接觸拆卸，提出平行拆裝骨架油封的新方法，使骨架油封取出時間由21 min下降至9 min，機油日添加量僅為以前的1/2。

3）通過以上降耗措施，實現注水單耗和機油添加量的明顯下降，累計創效66.7萬元，為同行業注水系統設備降耗提供了借鑒，取得了良好的經濟效益和社會效益。