压差驱动往复式水力增压泵研究与应用

任福深，陈素丽，杨萍萍，林春文，徐 峰，常玉连，雷 娜

（1．东北石油大学，黑龙江　大庆163318；2．北京石油机械厂，北京100010；3．大庆油田建设集团，黑龙江　大庆163000）①

压差驱动往复式水力增压泵研究与应用

任福深1，陈素丽1，杨萍萍2，林春文3，徐 峰3，常玉连1，雷 娜1

（1．东北石油大学，黑龙江大庆163318；2．北京石油机械厂，北京100010；3．大庆油田建设集团，黑龙江大庆163000）①

油田注水系统是油田生产的一个重要环节，消耗能源巨大。针对油田注水系统高、低压注水井同处一个注水区块的工况，提出了一种利用油田管网来水作为主要动力源，使用自行研制的压差驱动往复式水力增压泵，将管网来水与低压井间的压差能量转换成高压井注水能量的解决方案。介绍了压差驱动往复式水力增压泵的工作原理及在现场使用过程中流量和压力的调控方案，确定了更为实用的电控式压差驱动往复式水力增压泵的结构方案。现场应用表明了该泵运行平稳，维护方便，结构合理，节能降耗效果明显。

增压泵；节能；注水；研究；应用

1　增压泵工作原理

增压泵的主要增压原理是将油田注水管网来水与低压井注水压差，传递给高压井，其增压原理及工作过程，如图1所示。

图1　工作原理

增压泵体总体分为高压腔和低压腔两部分，中间通过实体挡板隔开。根据增压泵的结构，暂不考虑摩擦阻力，当管网同时进入左侧低压腔和右侧高压腔或者同时进入右侧低压腔和左侧高压腔，管网来水压力、低压井配注压力和高压井配注压力满足式（1）所示的关系时，缸体内的活塞就会形成定向运动，实现了增压的目的。

式中：pL、pG和pD为管网来水压力、高压井配注压力和低压井配注压力，MPa；D为缸体内径，mm；d为活塞杆直径，mm。

2　工作过程

1） 当活塞处于缸体左侧时，将油田注水管网来水管线与单向阀2和左水口联通，高压井管线与单向阀4联通，低压井管线与右出水口联通，管网来水进入缸体推动活塞向右运动。

2） 当活塞处于缸体右侧时，将油田注水管网来水管线与单向阀1和右水口联通，高压井管线与单向阀3联通，低压井管线与左出水口联通，管网来水进入缸体推动活塞向左运动。

因此，可以在注水系统中查找满足式（1）的工况，重复上述活塞运动，实现高、低压井同时注水的工艺。

3　流量与压力控制

3．1 流量测算与控制

由增压泵的工作原理可以看出，当腔体结构一定时，高低压出口的流量比是一定的，具体注入流量大小与腔体机构尺寸有关，流量测算如式（2）所示。

式中，QG和QD分别为单位时间内增压泵的高压腔体出水量和低压腔体出水量，m3／min；s为增压泵的冲程，mm；n增压泵的冲次，min－1。

不难得出，式（1）左右两侧差值越大，活塞的运动速度会越快，泵出的水量也就越多。由于该类型的泵主要使用于低压井较多，高压井较少的环境，因此高压水注入流量一般会满足生产需要，低压井的流量可以通过调整来水管线与低压管线的间的阀门来调整。

3．2 压力调整与控制

由于油田注水系统工况复杂，不同高压井注水压力变换较大，高低压井流量比也可能不一样，但如果每种压力变换都重新设计出一种泵，工作量又非常大，既浪费时间又浪费成本。将式（1）整理后得到增压泵最高输出压力与其他因素间的关系如式（3）所示：

基于式（3）可以看出，当管网来水压力和低压井配注压力一定时，不需要对增压泵整体结构进行大的变动，只需要调整活塞杆直径，就可以在一定范围内实现最高输出压力和输出流量的调整，拓宽增压泵的使用范围。

4　结构优化与应用

管网来水需要通过增压泵的换向机构控制，实现向不同腔体注水。理想的增压泵结构希望通过管网来水来控制增压泵的换向机构动作，进而实现整个增压泵在完全不需要其它电力供给的情况下完成整个增压过程，结构原理如图2所示。

图2　机械式全自动压差驱动往复式水力增压泵原理

运行过程中，两侧的换向阀进水口都处于关闭状态，保证换向阀处于锁死状态，当活塞带动换向杆到达缸体一侧终点时，会打开另一侧换向阀的进水口，依靠管网来水压力推动换向阀换向。

机械式全自动压差驱动往复式水力增压泵在室内研究试验中，能够顺利实现换向和增压，测试现场如图3所示。但是该泵在换向过程中，需要靠活塞的惯性力通过换向过程中的液力平衡点，对结构的密封性能要求较高，泵的启动控制困难，维护复杂，因此在油田注水系统实际应用中推广性较差，现场应用如图4所示。

图3　测试现场

图4　第1代机械式全自动增压泵应用现场

针对全自动增压泵存在的问题，经过改进设计提出了电控式压差驱动往复式水力增压泵，原理如图5所示。

图5　电控式压差驱动往复式水力增压泵原理

该泵主要添加了1台小型电机和4个位置传感器，并能通过远程的GPRS模块实现远程的泵启动、停止等运行参数的监控，现场应用如图6所示。

图6　电控式压差驱动往复式增压泵应用现场

当管网来水进入A、C腔，活塞向右运动时，B腔的高压排水阀打开，实现向高压井注水，D腔的水通过两位四通滑阀注入低压井。当活塞杆运动到接近右端位置时，高压接近开关1发出电信号，电机启动正转，当阀芯运动到接近右端位置时接近开关3发出电信号电机停。阀芯停止运动。当B、D腔进来水，活塞又向左运动，C腔的高压排水阀打开，实现向高压井注水，A腔的水通过两位四通滑阀注入低压井，周而复始，实现高低压井同时注水。

由于换向装置采用外来动力控制，降低了装置的加工精度要求，节约了加工成本。该类型增压泵在大庆油田某注水区块内得到了推广应用，在不改变原注水工艺的情况下，共装配了5个配水间，部分现场实测数据如表1所示。

表1　现场应用实测数据

现场使用过程中，通过实地感观和技术数据测试，该泵运行平稳，无噪声，操作简单，容易维护，满足了该高压注水井的配注要求，节能效果显著。

5　结论

1） 针对油田注水系统高、低压注水井同处一个注水区块的工况，提出了一种利用油田管网来水作为主要动力的水力增压泵注水方案。

2） 介绍了压差驱动往复式水力增压泵的工作原理及在现场使用过程中的流量和压力的调控方案。

3） 结合压差驱动往复式水力增压泵的结构改进过程，确定了更为实用的电控式压差驱动往复式水力增压泵的结构方案。现场应用表明了该泵实用性强，实现了节能降耗的目的。

［1］ 任福深，程晓泽，林莉．油田供水系统调度优化方案研究［J］．石油矿场机械，2007，36（11）：51－54．

［2］ 陈素丽．油田注水节能中心控制系统设计［J］．石油矿场机械，2004，33（6）：72－74．

［3］ 孟勇，秦延才，王金亮．水力活塞增压注水泵的研究与应用［J］．石油机械，2003，31（12）：25－27．

［4］ 郭俊忠，常玉连，高胜．注水系统运行方案优化研究［J］．系统工程理论与实践，2002（12）：127－129．

［5］ 任永良，常玉连，邢宝海．油田注水管柱水力模型的建立与求解［J］．系统仿真学报，2007，19（7）：1468－1470．

Research on Differential Drive Reciprocating Hydraulic Booster

REN Fushen1，CHEN Suli1，YANG Pingping2，LIN Chunwen2，
XU Feng2，CHANG Yulian1，LEI Na1
（1．Northeast University of Petroleum，Daqing 163318，China；2．Beijing Petroleum Machinery Co．，
Beijing 100010，China；3．Daqing Oilfield Construction Group，Daqing 163000，China）

Water flooding system in oil field is an important part of oil production and is of tremendous energy consumption．A solution is put forward according to high and low pressure injection wells in a water injection block，oilfield water is used as a primary drive source and differential drive reciprocating hydraulic booster of selfdeveloped is used，which water energy of pdifference between the pipeline and the low pressure wells is converted into high pressure water flooding well energy．The operation principal，working process and control project of the flow and pressure in the using process of this device are introduced in this paper，and more practical structure scheme of electronically controlled differential drive reciprocating hydraulic booster is determined．Field application shows that the booster is running smoothly，maintenance is simple and reasonable structure，and energy saving effect is obvious．

booster；energy saving；water flooding；research；application我国陆上油田主要以注水采油工艺为主，随着油田开采进入中后期，油水含油比例越来越低，填补底层压力需要回注的水量也越来越多。由于注水管线堵塞、结垢及地质配注工艺等诸多原因，常有高、低压注水井处于一个注水区块的现象［1-3］。为了保证地质配注要求，目前常用的技术措施有2种：一是就高不就低原则，统一提高注水管网来水压力，保证高压注水井的配注压力，同时调整低压注水井口阀门开度，限制注入流量；二是直接在高压井口安装增压泵。第1种方式由于投资巨大，只适合在高压井集中的独立小区块中使用。由于油田注水管网面积庞大，注水区块间压力不均衡［45］，管网来水压力比低压井的配注压力高出很多，因此很多情况下，低注水井也存在截流的现象。针对这类现象，东北石油大学研究了利用管网来水作为动力的活塞泵——压差驱动式往复式水力增压泵。该泵将管网来水与低压注水井间的压差能量输送到高压水井管线上，实现高、低压井同时注水，节约能源，降低油田生产成本。

TE934．1

B

10．3969／j．issn．1001－3842．2015．09．005

1001-3482（2015）09-0018-04