节能注水增压泵的研究与应用

赵军友傅建伟刘祥猛万法伟张 鹤（. 中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 66580；. 北汽福田汽车股份有限公司，北京 006；.中国石油集团东方地球物理勘探有限公司，河北涿州 07750）

引用格式：赵军友，傅建伟，刘祥猛，等.节能注水增压泵的研究与应用［J］.石油钻采工艺，2015，37（5）：100-103.

节能注水增压泵的研究与应用

赵军友1傅建伟1刘祥猛2万法伟3张 鹤1（1. 中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266580；
2. 北汽福田汽车股份有限公司，北京 102206；3.中国石油集团东方地球物理勘探有限公司，河北涿州 072750）

引用格式：赵军友，傅建伟，刘祥猛，等.节能注水增压泵的研究与应用［J］.石油钻采工艺，2015，37（5）：100-103.

摘要：针对目前油田注水增压设备能耗高、注水压力不能合理调配等问题，设计了节能注水增压泵。该装置通过机械换向阀来控制活塞左右行程，从而控制装置内部液流流向，通过双作用柱塞增压泵对液流进行增压。通过活塞结构受力分析，将活塞的运动分为2个阶段，第1个阶段为加速阶段，第2个阶段为匀速阶段，计算了活塞运动速度、运动时间和有效功率，利用ANSYS软件对活塞缸和活塞进行有限元仿真计算，证明其结构强度满足要求。在胜利油田对2口高压井进行增压，增压1.5 MPa，能够满足注入压力和日配注量要求，完成增注任务；并且低压出口的压力和排量可以满足1~2口低压井的注水要求。

关键词：油田注水；增压；压力调配；ANSYS仿真；节能

油田投入开发后，如果没有相应的驱油能量补充，油层压力随着不断开发而逐渐下降，导致油田的最终采收率下降。通过油田注水，可以使油田能量得到补充，保持油层压力，达到油田稳产目的［1-2］。不同油田、不同的开采层位所要求的注入压力各不相同，若采用统一的注水管网压力，在满足大部分注入井配注压力的前提下，却满足不了高压注水井要求；若提高整个管网压力，在低压注水井口则需增加降压设备，造成了能源浪费［3-4］。针对高于系统压力的注水井点采用增压注水泵，是注水井增注和提高系统效率的有效措施之一，而增压泵恰是以注水管网的压力作为泵的吸入压力［5-8］。然而，增压注水泵能源消耗大，且受野外电力供应的影响，增大原油生产成本［9-10］。针对目前注水增压装置的不足，研制了节能注水增压泵，解决了高压井口注水压力不足和注水油田压力调配不合理的难题，大大降低了能源消耗，改善油层驱油效果。

1　节能注水增压泵

1.1 整体方案

节能注水增压泵是在注水油田现场用于高低压井口增注、合理调配注水压力的装置。该装置分为机械换向阀和双作用柱塞增压泵2个部分，总体结构如图1所示。图中红线代表高压液流，蓝线代表注水干线液流，绿线代表低压液流。

图1　 节能注水增压泵总体结构

机械换向阀结构如图2所示。机械换向阀上开有1个进液口、1个排液口、2个供液口与2个回液口，进液口与注水干线相连，排液口与低压井口相连，2个供液口分别与双作用柱塞增压泵的活塞缸进液口相接，2个回液口与双作用柱塞增压泵的活塞缸排液口相接，阀芯上开有月牙形槽口，阀芯与传动轴通过焊接连接，传动轴与小功率电机通过联轴器相接，从而带动阀芯的旋转。

图2　 机械换向阀

双作用柱塞增压泵结构如图3所示。活塞缸上开有两个进液口和两个排液口，分别与机械换向阀的供液口和回液口相接，柱塞缸上开有1个进液口和1个排液口，进液口与注水干线相接，排液口经蓄能器后与高压井口相接。柱塞缸的连接端盖内装有填料，由压紧螺套压紧，可以根据工作状况来调整填料压紧程度，防止缸内液流泄漏。

图3　 双作用柱塞增压泵

1.2 工作原理

该注水装置的增压系统采用的是双作用柱塞增压泵，活塞的运动形式分为左右2个行程，行程的切换由机械换向阀来控制。以右行程为例，主干线液流从机械换向阀进液口流入，阀芯控制阀内流道里的液流流向，液流经换向阀供液口流入活塞缸的左腔，活塞在左右两侧压差作用下右行，活塞缸右腔内做功之后的低压液流从活塞缸右侧排液口经换向阀右侧回液口流入机械换向阀内，从排液口流出，注入到低压井口中。同时，高压液流从右端柱塞缸的高压排液口流入蓄能器内，然后注入到高压井口中，左端柱塞缸内的做功液流从主干线不断得到补充，保证在整个行程内，活塞受力平衡。通过机械换向阀内阀芯的旋转来控制活塞完成1个冲次，阀芯的旋转由小功率电机驱动。

1.3 技术特点

（1）节能注水增压泵不需要引入大功率的动力源即可实现对液流增压，只需小功率电机来驱动机械换向阀工作即可，大大降低了能源的消耗。

（2）采用机械换向阀来控制活塞与柱塞左右行程的切换，与电液换向阀相比，结构简单，工作更加稳定可靠；整体采用撬装，现场安装使用方便。

（3）该装置在不改变原有注水系统及管网的基础上，就可以对高压井注水压力进行增压，同时又可以对低压井口进行增注，解决了注水压力调配不合理的难题。

1.4 技术参数

根据胜利孤岛油田现场的注水要求，设定节能注水增压泵的技术参数为：柱塞直径Ø155 mm；活塞杆直径Ø114 mm；活塞直径Ø155mm；冲次≤15 次/min；活塞冲程500 mm；电机功率1.5 kW。

2　节能注水增压泵的关键参数

2.1 压力和排量计算

通过对孤岛采油厂的注水现场调研了解到，注水干线压力p1为10.4 MPa，部分低压井口注水压力p2为7.1~7.8 MPa，其中两口高压井配注量为17.08 m3/h。根据注水现场数据建立力学模型，如图4所示。

图4　 双作用柱塞增压泵力学模型

由帕斯卡原理可知，在密闭容器内施加于静止液体上的压力都将等值传递到液体内各点［11］，建立平衡方程为

p1A2+p1A1=p2A1+p3A2（1）

式中，p1为注水干线压力，取值10.4 MPa；p2为低压井口注入压力，取值8.0 MPa；p3为高压井口注入压力，MPa；A1为活塞工作面积（活塞与活塞杆面积之差），mm2；A2为柱塞面积，mm2。

其中活塞直径D=155 mm，活塞杆直径d1=114 mm，柱塞直径d2=155 mm，计算得高压井口注入压力p3为11.5 MPa。

在满足高压井口配注量的情况下，低压井口排量Q2为代入数据计算可得Q2=7.84 m3/h。

2.2 活塞运动速度和运动时间计算

活塞的运动速度和运动时间对密封件的选取和液压缸的工作稳定性起到了重要作用。活塞运动可以分为2个阶段，第1个阶段为加速阶段，第2个阶段为匀速阶段。

在加速阶段活塞在左右压差作用下的运动可表示为

（p1A2+p1A1）-（p2A1+p3A2）=Ma （3）

式中，M为活塞质量，kg；a为加速度，m/s2。

假设高压井口注入压力p3与时间t成线性关系，已知t=0时p3= p1=10.4 MPa，则有

p3（t）=kt+10.4 （4）

式中，t为时间，s。

将式（4）代入式（3）得

a（t）=-60kt+57.2 （5）

对两侧同时积分得

v（t）=-30kt2+57.2t （6）

式中，v为速度，m/s；

假设t=t1时达到匀速状态，此时v（t1）=0.125 m/s，p3（t1）=11.5 MPa。将此边界条件代入（4）、（6）二式并联立求解得t1=5.16×10-3s。由此可见加速阶段时间很短，可忽略不计，可将活塞整个运动过程视为匀速运动，即

t总=t匀=3.98 s （7）

式中，t总为活塞运动1个冲程的时间，s；t匀为活塞匀速运动的时间，s。

2.3 双作用柱塞增压泵有限元仿真

双作用柱塞增压泵是节能注水增压装置实现增压的关键部分。采用ANSYS有限元软件，对增压泵的活塞缸和活塞进行有限元仿真分析。利用Solidworks三维制图软件对活塞缸和活塞进行实体建模，并导入到ANSYS软件中，运用软件中的Smart Size对实体模型进行网格划分，得到的有限元模型共有个68 761节点，40 548个单元。按实际工作状况对模型施加载荷，并对施加载荷后的模型进行求解计算。

求解之后的位移变化云图如图5所示，最大位移发生在活塞缸左右腔室的内表面上，最大值为0.919×10-2mm，不影响活塞缸结构，可忽略不计。等效应力云图如图6所示，最大应力值56.2 MPa发生在流道交汇处，即该处发生应力集中。选用活塞缸的材料为20 Mn，屈服强度σs=275 MPa，取安全系数n=2.5，则许用应力为 ［σ］=110 MPa＞56.2 MPa，说明其强度满足使用要求。

图5　 位移变化云图

3　室内实验

根据设计参数，制造的节能注水增压泵样机如图7所示。对样机进行了室内压力试验，以检验装置内部承压强度及整个装置的严密性和可靠性。实验过程先对装置内部液流加压，将试验压力加到最大工作压力的1.5倍，稳压30 min后记录实验结果。在整个试验过程中，该装置没有出现泄漏情况，证明其结构强度满足使用要求。

图7　 试验样机

4　现场应用

将节能注水增压泵应用到胜利油田孤岛注水现场，孤七主中干线压力为10.4 MPa，井号为GD1-X 和GD1-Y的两口高压井油压都为10.4 MPa，处于欠注状态。采用节能注水增压泵对两口井进行增压，增压1.5 MPa后，可满足两口高压井的注入压力和日配注量要求；注水现场中GD1-A的低压井油压为7.9 MPa，日配注量为40 m3，GD1-B的低压井油压为7.1 MPa，日配注量为130 m3。节能注水增压泵的低压出口压力为8.0 MPa，排量为187 m3/d，可以满足两口低压井口的注水要求，将注水压力调配至低压注水井，以达到合理利用资源的目的。

节能注水增压泵仅用1台1.5 kW电机来驱动机械换向阀的工作，每天耗电为36 kW·h，年用电费为6 570元（0.5 元/kW·h），对比现场原先采用22 kW柱塞泵进行增注的方法（年用电费为19.3 万元），能耗大大降低。同时又可以满足部分低压井口的配注要求，合理利用资源，全方位降低能耗。自进行现场试验以来，该装置的性能指标稳定，连续工作时间长，运行可靠，节能效果显著。

5　结论

（1）节能注水增压泵通过机械换向阀来控制活塞的左右行程，无需引入大功率的动力源便可实现增注，在满足高压井口注水要求的同时又可将注水干线的压力进行合理调配，满足部分低压井口的注水要求，注水和节能效果十分显著。

（2）节能注水增压泵节能效果显著，日耗电量仅为36 kW·h，与电动柱塞增压泵相比节能可达85%以上。

（3）现场试验证明样机能够满足胜利油田孤岛采油厂的注水要求。若要在多个油田大规模推广，还需要进行现场试验和节能注水增压泵的优化，以满足不同油田工况的需求。

参考文献：

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（修改稿收到日期 2015-08-05）

〔编辑 李春燕〕

Research and application of energy-saving water injection booster pump

ZHAO Junyou1, FU Jianwei1, LIU Xiangmeng2, WAN Fawei3, ZHANG He1
（1. Mechanical and electrical Engineering Department, China University of Petroleum（East China）, Qingdao 266580, China;
2. Beiqi Foton Motor Co.Ltd, Beijing 102206, China;
3. Bureau of Geophysical Prospecting INC.,China National Petroleum Corporatio, Zhuozhou 072750, China）

Abstract:This energy-saving, water injection booster pump was designed in view of the problems like high energy consumption of water injection booster equipment used in oilfields and water injection pressure not being able to be properly adjusted. This pump controls the right and left travel of the piston by mechanical direction valve, hence controlling the liquid flow inside the pump and boosting the liquid flow through double-acting piston booster pump. Through analysis of stress on piston structure, the movement of piston is divided into two stages. The first stage is accelerating stage and the second stage is constant speed stage. The piston movement speed, movement period and effective power were calculated. The ANSYS software was used to conduct finite element simulation calculation of piston cylinder and the piston, which showed that its structure strength can meet the specifications. This pump was used to boost two high pressure wells in Shengli Oilfield, and the booster was 1.5 MPa, which could meet the requirement of injection pressure and daily injection volume and accomplish the task of injection increase. The pressure and flowrate at low pressure outlet could meet the requirement of water injection at one or two low pressure wellhead.

Key words:oilfield water injection; booster; pressure allocation; ANSYS simulation; energy-saving

作者简介：赵军友，1963年生。1990年毕业于中国石油大学（北京）机电工程专业，现主要从事石油钻采机械方面的教学与科研工作，教授，硕士生导师。E-mail：zhaojy@upc.edu.cn。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.025

文章编号：1000 – 7393（2015）05 – 0100 – 04

文献标识码：B

中图分类号：TE934.1