聚合物注入站注聚單耗影響因素分析及節能措施研究

劉姝祺（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

在聚合物驅油過程中，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。傳統的注聚泵工藝復雜，注聚泵耗電也一直是注聚系統主要能耗節點，其中注聚單耗是衡量注入系統耗電量的重要技術指標。注聚單耗是指注聚系統設備每注入1 m3聚合物溶液所消耗的用電量，即月注聚單耗=注聚系統設備月耗電量/月注溶液量[1]。某油田某隊建成A、B、C 注入站3 座，管理注聚機泵70臺，主要擔負某區塊三次采油的注入任務，平均日注溶液6 700 m3。該區塊采用“比例調節泵”及“單泵單井”工藝流程。單泵單井注入工藝流程是一臺柱塞泵為一口注入井提供聚合物母液，經注入泵增壓后，與高壓水經靜態混合器混合稀釋至一定濃度的目的液的流程；比例調節泵工藝流程是在單泵單井和一泵多井的基礎上，采用一泵對三井、單缸對單井的工藝，聚合物母液由比例調節泵增壓后，利用其單缸可調的特點，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一次進入腔體的聚合物體積等于排出的聚合物體積。在實際生產中，當泵排出的壓力較高時，聚合物對吸入閥、排出閥造成磨損，柱塞密封函泄漏嚴重，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，因此在柱塞泵運行過程中，實際排量Q實一般都會比理論排量Q理低，兩者的比值為注聚泵容積效率。當注聚泵容積效率下降，會造成注聚泵理論排量與實際配注量不匹配，存在載荷過低現象，注聚單耗上升。容積效率升高，實際排量接近理論排量，注聚泵做有用功多，注聚單耗降低[3]。

為進一步準確掌握注聚泵運行狀況，分別對B注入站1#、2#、3#共3 臺注聚泵進行了運行狀態測試。在注入濃度不變的情況下，檢測注聚泵在不同運行頻率下容積效率和注聚單耗變化情況。注聚泵在不同運行頻率下單耗統計見表1。

表1 注聚泵在不同運行頻率下單耗統計Tab.1 Statistics of unit consumption of polymer injection pump at different operating frequencies

從現場測試數據可看出：1#、2#、3#注聚泵在變頻器頻率20 Hz 運行時，注聚泵的吸液閥和排液閥因泵運轉過于緩慢，導致吸、排液閥打開的程度變小，3 臺注聚泵的日注入量較低，注聚泵單耗整體偏高；在固定頻率運行狀態下，注聚單耗隨著容積效率升高而降低。在不同頻率運行狀態下，注聚泵單耗隨著頻率的升高而降低，并在30～45 Hz 范圍內注聚單耗最低，為最佳運行工況區間，當頻率進一步下降或上調時，注聚單耗則呈上升趨勢。

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，注聚泵設備基本滿負荷運行，注聚泵泵壓與單井井口油壓壓差高達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計見表2。從表2 中可以看出，注聚泵在運行過程中隨著泵進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計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，腔室內母液中存在雜質，隨柱塞的往復運動進入填料與柱塞之間，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，導致注聚泵柱塞伸縮性較差，進而造成流量損失[5]。

從生產實際中發現，注聚泵回流比對注聚單耗影響比較明顯，在地層壓力條件允許的范圍內，以C 注入站1#比例泵為例，該泵型號為QMJC3(I)6.0/2.0-16，分別調整3 口單井瞬時流量，計算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。從注聚現場發現，注聚泵回流比越高，泵充滿系數越低，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計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

在冬季運行管理中，A 注入站采用聚能加熱系統取暖，通過摸索聚能加熱泵回水設定溫度，發現聚能加熱泵回水溫度設置越高，注入站平均日注聚單耗越高[6]。回水溫度與A 注入站日耗電量統計見表4。

表4 回水溫度與A 注入站日耗電量統計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 優化注聚泵結構

2.1.1 更換液力端柱塞

針對注入站注聚泵進行改造，重新設計往復柱塞的直徑，將統一尺寸柱塞更換為與配注母液瞬時流量規格相匹配的柱塞，將其改造為單缸單柱塞泵。同時按照地質方案調整皮帶輪尺寸，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流回吸入端的模式，使每臺注聚泵的充滿系數達到90%以上，并在滿負荷狀態下運行[7]。

2.1.2 優化注聚泵進出口閥內部結構

由于B 注入站柱塞泵進出口閥與閥座設計距離過小，導致柱塞泵進液、排液過程行程小，泵效一直處于較低狀態。5 月份，通過對泵進出口閥打磨增大行程間隙，增加閥芯與底座的橫截面積，改進后注入站泵效由原來的89%提高到91.7%[8]。B 注入站優化注聚泵進出口閥結構泵效變化見圖1。

圖1 B 注入站優化注聚泵進出口閥結構泵效變化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的盤根，聚氟乙烯材質盤根耐腐蝕性及耐摩擦性能較好，但存在剛度、強度不夠等缺點。現場應用中，在盤根外側將一個聚四氟乙烯的盤根替換成一個聚氟乙烯（PVC）材質的盤根，這樣盤根變為有4 個聚四氟乙烯材質和一個PVC 材質組成，進而提高了盤根的強度。采取注聚泵結構優化改進措施，注入站注聚單耗由原來2.36 kWh/m3降為1.44 kWh/m3。各注入站注聚泵結構優化前后注聚單耗變化見圖2。

圖2 各注入站注聚泵結構優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行時，無法有效地解決注聚泵理論排量與注聚區塊地質配注量不符的矛盾，無法保證聚合物溶液的連續注入，注聚泵單耗較高，不能達到節能效果。針對此種情況，對B 注入站14 臺比例泵增加變頻器，通過改變電動機轉速進而改變電動機輸出功率，根據配注方案，對變頻器輸出頻率進行設定，不但控制精度高、運行平穩，而且注聚單耗下降明顯[9]。在設備調試運行期間，對B 注入站進行注聚泵單耗測試，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，平均日節電300 kWh，全站14 臺變頻器每年可節電262.8×104kWh，年節約電費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

在保證開井時率、機泵無故障平穩運行前提下，注聚泵日注溶液量較高時，單耗相應較低。如果存在機泵故障或地質關井時，在1 口或者2 口單井注入時，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，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

針對注聚泵，要做好維護與保養工作，保證開井時率，降低泵故障率。要做到及時清洗泵入口過濾器；及時檢測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%；及時排空，減小大站來液中氣體對注聚泵的影響，提高泵充滿系數；積極更換機油，做好日常維護工作，降低故障次數。在全隊的3 座注入站管理中，C 注入站平均泵時率高于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，在冬季運行管理中A 注入站平均注聚單耗控制在2.42 kWh/m3。

3 結論

通過對聚合物注入站注聚單耗的影響因素分析，在技術及管理兩方面提出4 項降低注聚單耗的節能措施。

在技術方面，通過更換注聚泵液力端柱塞、優化注聚泵進出口閥內部結構、改進注聚泵盤根等技術措施，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，改變電動機輸出功率，達到較好節能效果。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，日節電量為300 kWh，年節約電費157.6 萬元。

在管理方面，加強注聚泵的日常維護與保養，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；通過冬季現場管理摸索，設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。