提高注聚泵的可靠性設計研究

謝光偉，周 海，桑科中

（渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

0 引言

我國的油田目前已經進入水驅的中后期，采收率為35%左右，通過對全國23 個主要油田的三次采油的主攻方向的研究表明，全國有63%的地質存儲可以采用表面活性劑驅油，由此采出的油量相當于又找到一個大型油田[1]。三次采油技術是目前能夠達到控制含水，穩定目前原油產量，最大限度提高最終采收率，經濟合理的予以利用和開發這一要求的主要技術。三元復合驅即堿、表面活性劑、聚合物，它可以大大延緩油田產量遞減的速度，已經成為油田產量接替的主要措施。我國在20 世紀80 年代開始研究應用，大慶油田的三元復合驅采油累計達2000 多萬噸。作為三元復合驅系統中的關鍵設備——注聚合物泵的可靠性研究有著重大的意義。

注聚合物泵輸送的介質是聚丙烯酰胺母液，是一種非牛頓黏彈性液體，因其對機械剪切的敏感性以及其化學、物理性質和驅油機理，對注入設備提出了特殊要求。注聚合物泵的主要性能是整機性能即運行的可靠性以及聚合物溶液的保黏率：一是保證注聚泵運轉平穩、性能可靠、維修方便，二是著重考慮如何減小其對介質的機械降解。

1 注聚泵結構設計

對聚合物剪切有較大影響的泵固有參數有泵柱塞的沖程、沖數、泵柱塞的直徑，這3 個參數決定了泵的理論排量，同時也決定了泵閥開關次數及柱塞沖擊聚合物的次數。由式（1）可以知道，當泵的缸數、排量一定時，泵柱塞直徑越大、沖程越長，泵的沖次就越低，泵閥對聚合物的降解作用就越低，故而注聚泵在設計時一般采用長沖程、低沖刺（轉速）設計。

式中 Qt——理論流量

Z——柱塞數

d——柱塞直徑

S——行程長度

n——泵的轉速

1.1 動力端的設計

曲柄連桿結構是國內外柱塞泵一種常見的結構形式，有成熟的理論基礎，從可靠性方面來說，優先選擇曲柄連桿結構這種傳動形式。

（1）長沖程的設計：注聚泵是柱塞泵的一種，其動力端的運行方式與柱塞泵一致，其運動原理是曲軸通過連桿滑塊推動柱塞做往復運動。一臺柱塞泵在往復運動中的沖程是恒定不變的，其沖程長度由曲軸的旋轉半徑決定，故曲軸的設計是長沖程的決定因素。在流量Qt一定的情況下，通過衡量柱塞的平均速度um以及轉速n，再確定曲軸的旋轉半徑。

（2）轉速的確定：轉速是影響注聚泵可靠性的關鍵因素之一，轉速越低、泵閥對聚合物分子鏈的剪切次數越少，可有效減少機械降解，同時轉速對柱塞、盤根、閥組等易損件的使用壽命有著重大影響，同等條件下轉速越低、易損件壽命越長。但在考慮轉速的同時，也需要綜合考慮注聚泵的比重量，轉速越低意味著曲軸的旋轉半徑越大，動力端結構尺寸越大，生產成本和基建成本較高，經濟性不高。根據現場的使用效果，轉速一般選取200 m/min左右。

（3）潤滑方式的確定：柱塞泵的潤滑方式一般采用強制潤滑和壓力潤滑。壓力潤滑系統結構復雜，維修量大，給現場服務人員造成不便，影響整機泵的可靠性，所以在一些小型泵上盡量采用飛濺潤滑方式。飛濺潤滑主要靠運轉中連桿大頭甩起的油滴或油霧進行潤滑，注聚泵使用根據井口流量一般采用變頻20～40 Hz 運行，長時間低頻運轉容易造成甩油量小導致潤滑效果不佳，導致曲軸箱溫度過高、油封失效等，建議在曲軸上設計甩油裝置，避免因轉速低導致無法甩油的現象，增強動力端的可靠性。

（4）傳動方式的確定：柱塞泵比較常見的傳動方式有齒輪傳動和皮帶傳動。齒輪傳動一般用于大型柱塞泵（500 kW 以上）或者對環境比較特殊的工況，制造、安裝和后期保養的要求較高，故而齒輪傳動的成本較高。皮帶傳動雖然沒有齒輪傳動恒定的傳動比和高的傳動效率，但運轉平穩、噪聲小、結構簡單，制造、安裝精度要求低，使用維護方便，比較適合油田注聚單擺平放的使用要求，因而注聚合物優先選擇皮帶傳動。

1.2 液力端的設計

目前國內柱塞泵的液力端比較常見的是水平式結構和直通式結構。水平式液力端使用的閥組一般為組合閥，組合閥的結構復雜，尺寸較大，常用于注水區塊?？紤]到聚合物液體黏度大、流動性差的特性，注聚泵的液力端優選直通式結構，吸入閥和排出閥呈直通式布置，可提高聚合物溶液的輸送能力，通過對液力端過流通道的優化設計，可達到降低聚合物機械降解的目的。

聚合物在配置、輸送的過程中難免會混進空氣，特別是吸入壓力較低的工況也會攜帶進大量的空氣[2]。在閥組不斷開閉的作用下，會釋放出一定量的空氣，積聚在液力端而形成氣鎖，氣鎖現象會嚴重影響閥組壽命，造成振動與噪聲。故而可采取上吸入下排出結構有利于氣體聚集，并設計排氣裝置實現氣體的排出，增加注聚泵運行的可靠性。注聚注入泵工藝一般利用目的液的高度差來保證泵吸入壓力，需要統籌考慮注聚泵進口高度、過濾網以及進口管徑規格，以保證注聚泵吸入性，比如一臺注聚泵注入流量為6 m3/h，常規注水泵使用DN65 mm 管，但注聚泵需考慮聚合物流動性差的因素，選用DN100 mm 管較為合適。

2 閥組的設計

目前國內各大油田聚合物區塊配注方式根據現場工藝以及地質特征不同有3 種模式，分別是：①聚合物母液添加表活劑后入泵，易產生泥垢糊賭閥組（圖1）；②聚合物母液低壓摻水稀釋后入泵，易造成混配不均，出現膠團堵閥（圖2）；③配制聚合物母液直接入泵后再與表活劑、純堿等溶液一起配注到井口。

圖1 泥垢堵閥

圖2 膠團堵閥

對注聚工藝來說，注聚泵的黏度需要長期穩定在一定的數值，閥組的使用壽命與注聚泵的可靠性有著直接關聯，因而閥組的結構至關重要。

（1）閥組[3]設計利用歐拉法原理，設計錐型彈簧減少閥組運動中的魏斯特法爾（West-ephal）現象的影響，進而減少聚合物通過滯后角倒流到泵腔內產生的機械降解（圖3）。

圖3 新型閥組

（2）閥組密封面采用球面密封，減少高壓液體通過微小間隙倒流產生機械降解。

（3）選用閥球質量時，應考慮庫氏條件的約束[4]，綜合分析彈簧與閥球的預緊力以及閥球與閥座的沖擊力，增加閥組的使用壽命。

（4）排液口設計為均勻分布的內出液口，降低流道阻力系數降，避免因現場工藝導致閥組堵塞，從而減少機械降解，延長閥組使用壽命。同時排液口設計宜為錐度角以便于目的液流出，減少結垢現象。

3 過流件材料的選擇

經過大量數據資料查詢和現場應用，還原物質Fe2+、Fe3+、Cu2+對聚合物溶液的降解比較嚴重。因此，注聚泵的過流部件材料一律采用1Cr 不銹鋼，以消除上述離子對溶液的化學降解。

4 小結

注聚泵每個參數選取都對聚合物的可靠性有著不可忽視的影響。本文從對影響注聚泵可靠性的沖程、沖刺、液力端的結構等方面進行分析，為易出現曲軸箱發熱、氣鎖等現象提供了解決思路，并對閥組的結構提出相應的設計理念，為注聚泵的后續發展提供參考。